云阳长江大桥施工正装模拟方法

第２９卷第１期　Ｖｌ０１．２９　Ｎｏ．１　建筑施工　ＢＵＩＬＤＩＮＧ　ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ　云阳长江大桥施工正装模拟方法　Ｆｏｒｗａｒｄ　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃａｂｌｅ－Ｓｔａｙｅｄ　Ｔｏｗｅｒ　ｉｎ　Ｙｕｎｙａｎｇ　Ｃｈａｎｇｊｉａｎｇ　Ｂｒｉｄｇｅ　口　张宝魁　杨吉新２　马清珍，　（１．河北工业大学土木工程学院。天津３００１３２；２．武汉理工大学交通学院４３００６３；３．天津商学院管理学院３００１３４）　【摘要１在大跨径斜拉桥的施工控帝ｌ中。正装模拟结果的高精度是保证结构施工安全和成桥状态达到设计要求的关键。以　云阳长江大桥施工控制实践为例，论述了正装模拟方法与过程。并给出了正装模拟结果和施工控制结果。结果表明，大跨径斜　拉桥施工控制，采用正装法模拟厦将主粱划分为４个施工工况可以满足施工控制精度要求。　・　【关键词】斜拉桥正装模拟　施工控制　【中围分类号】Ｕ４４５．４　／文献标识码　Ｂ　【文章编号ｌ　１００４—１００１（２００７）Ｏｔ一００４８—０５　１工程概况　云阳长江大桥位于重庆市东部云阳县境内，是长江三峡　库区第一座高低塔型式的斜拉桥。结构型式为高低塔（俗称　子母塔）、双索面、密索、对称扇形布置、钢筋混凝土双纵肋主　梁、塔梁分离的支承体系预应力混凝土斜拉桥。主桥桥跨组　算弹性模量。主梁横隔梁和施工用挂篮以集中力的形式作用　在主梁上。边界条件是索塔和辅助墩按实际结构模拟，均在　承台顶固结：辅助墩处主梁采用竖向刚性支承约束。　施工控制仿真根据设计资料及设计理想参数．进行一次　正装计算。计算时根据施工方案将各标准梁段施工过程划分　成挂篮前移定位并立模、浇筑梁段混凝土完毕、预应力筋张　拉和降挂篮、斜拉索张拉至初始索力４个工况。　计算软件采用武汉理工大学开发的结构大师（ＶＳＥＳ　ｏ　合为１３２　ｍ＋３１８　ｍ＋ｌ８７　ｍ，全桥长１　２７８．６　ｍ。为了提高主　梁刚度、改善结构动力特性，盘石岸边跨在距高塔１３６　ｍ处　设一个辅助墩。　主梁肋高２３０　ｃｍ，肋腹宽１６０　ｃｍ，顶板厚２５　ｃｍ，桥面　全宽２Ｏ．５　ｍ。主梁采用节段悬臂浇筑法施工，从索塔处开始　分块，ｌ１　低塔（双江塔）０　块长为８　ｍ，１２　高塔（盘石塔）０　３正装模拟过程　云阳长江大桥主梁０　块在支架上现浇，１　块用整体挂　篮浇筑，２　及其它各块用整体挂篮解体后的两个挂篮浇筑。　正装过程如下：　块长为１０　ｍ，标准块每节段长均为６　ｍ，节段内设一道　２５　ｃｍ厚的横隔板，以加强横向刚度。主梁施工采用后支点　挂篮悬臂施工。　（１）利用倒拆法确定斜拉索的初始张拉力；斜拉索的初　始张拉力如图ｌ所示。　主塔为“Ｈ”型、空心薄壁箱型截面，两主塔下塔榭Ｉ匾桥向　均为渐变截面。塔柱主墩为单箱双室空心截面。主梁两端简　支于交界墩上，辅助墩顶设拉压支座。ｌｌ　低塔两侧各２１对　斜拉索，１　２　高塔两侧各３０对斜拉索。　童　ｊ粤　２正装模拟概述　云阳长江大桥施工控制仿真计算采用平面杆系理论，以　桥轴线为基准划分结构离散图。梁塔为平面梁单元，斜拉索　为带刚臂的平面梁单元，其弹性模量采用考虑垂度影响的换　【作者简介】张宝魁（１９７３一），男，博士．大学讲师。联系地址：天津　市天津商学院管理学院工程管理系马清珍（收转）（３（）（）１３２），电话：　（０２２）２６５８２０２５。　图Ｉ斜拉索初始张拉力　（２）确定结构正装的初始状态，包括确定主塔位置、高　度，主梁标高等；主塔位置、高度，主梁标高均由设计图纸中　【收稿日期】２００６一ｌ１一Ｏ２　・提供的坐标确定。　４８・　维普资讯 http://www.cqvip.com

张宝魁、杨吉新、马清珍：云阳长江大桥施工正装模ｊ　第１期　（３）支架对称悬浇０　块，在梁段上施加混凝土自重。　（４）消除０　块混凝土自重，对称张拉０　块预应力筋施　加预应力：０　块梁段施工完毕。　加预应力。　（７）消除１　块预应力，对称施加１　索张拉力；１　块粱　段施工完毕。　（５）消除０　块预应力，对称施加１　块混凝土自重。　第移　一定　（６）消除１　块混凝土自重，对称张拉１　块预应力筋施　步位　对蚱　正装第粱段（参考第７梁段）的过程如图２。　第一步：消除Ｎ－１号索张拉力及号粱段挂篮自重产生　第二步：浇筑粱　段混凝土完毕　第三步：蘧庳力．　筋张拉和降挂篮　第四步：斜挖赏　张拉至初始案力　幽２正装过程　的支点力，施加Ｎ－１号索单元刚度和自重及Ｎ号块挂篮自　重产生的支点力；　标出），如图３所示。　第二步：消除Ｎ一１号索自重及Ｎ号块挂篮自重产生的　支点力。施加Ｎ号块混凝土自重产生的挂篮支点力：　第三步：消除Ｎ号块混凝土自重产生的挂篮支点反力，　对称施加Ｎ号块混凝土自重，对称张拉Ｎ号块预应力筋施加　预应力ｉ　＼　＿＼　＼ＩＰ　　．＼一Ｐ１）　．一　Ｉ　Ｉ　、、ｌ　ｎ　ｉｒａ６　．　６ｍ　图３挂篮前移工况空挂篮支点反力示意图　第四步：消除Ｎ号块预应力、混凝土自重，对称施加Ｎ号　索张拉力；Ｎ号块梁段施工完毕。　（８）边跨合龙，计算对称施加最后一根拉索张拉力及施　加该梁段混凝土自重后结构的变形和内力ｏ　（９）中跨合龙，分别计算混凝土浇筑后仅混凝土自重、　张拉二期预应力钢筋仅预应力、拆除挂篮仅空挂篮反向支点　混凝土浇筑完毕时由混凝土产生的挂篮支点反力为　Ｐ３—３　９３３　ｋＮ（１）。Ｐ４＝１　６１５　ｋＮ（ｔ），如图４所示。　＼一一＼一　一　．反力３种工况下结构的变形和内力。　（１　０）合龙后其它工况，分别计算放松塔梁临时固结　后、调索张拉后、桥面铺装仅铺装自重３种工况下结构的变　形和内力。　６　１　图４洗筑完毕时由混凝土产生的桂篮支点反力示意图　在各施工阶段中没有计入混凝土徐变、收缩等时差效　应、结构几何非线性效应、温度效应等；这些参数的影响在施　预应力筋张拉完毕降挂篮后的荷载作用情况。将混凝土　产生的挂篮支点反力反向作用在原位置，同时施加本粱段的　工控制过程中通过调整主粱立模标高、选择测量时间等措施　加以调整。　自重（ｑ－－３５０．２１　ｋＮ／ｍ，Ｐ￣＝２１６．４５　ｋＮ）和张拉预应力筋产生的　轴力～及弯矩Ｍ如图５所示）。　４正装模拟挂篮支点反力　云阳长江大桥主梁０　块和１　块用专用拼模悬臂浇筑，　因此０　块和１　块施工仿真计算时不考虑挂篮问题。从２　块开始至中跨合龙结束考虑挂篮作用。　从２　块开始至中跨合龙结束各施工阶段，挂篮前移时　加上空挂篮支点反力（双江塔挂篮Ｐ１＝１　７７９　ｋＮ（ｔ），　８８４　ｋＮ（ｉ）：盘石塔挂篮Ｐ　＝１　５００　ｋＮ（ｉ）．Ｐ￣＝４４０　ｋＮ（ｔ），同时　＼＼＼　＼．．、．．＼Ｊ　一…　、Ｍ　＋　图５预应力筋张拉完毕降桂篮后的荷栽作用情况示意图　斜拉索张拉对挂篮支点反力无影响，只把初始张拉力Ｐ６　作用在主梁和索塔上即可（斜拉索自重在下一梁段施工挂篮　在前一施工阶段挂篮支点处加上反方向的空挂篮支点反力　（２　块除外）和本阶段斜拉索扁重（图３～７中斜拉索自重未　前移时施加），如图６所示。　・４９・　维普资讯 http://www.cqvip.com

△　第１期　张宝魁、杨吉新、马清珍：云阳长江大桥施工正装模拟方法　△　在斜拉桥施工过程中，由于混凝土龄期较短，其徐变收　△　Ｂ　缩对结构的影响较大，应充分加以分析和控制。但目前在施　工控制过程中计算收缩徐变的参数离散性较大，很难准确计　算出混凝土收缩徐变的具体数值，因此云阳长江大桥施工控　△　衄衄　制正装模拟过程中没有考虑混凝土收缩、徐变的影响，而采　△△　图６斜拉索张拉完毕初始索力作用情况示意图　用在全桥合龙、塔梁临时固结解除、辅助墩拉压支座安装后　艘　△△　５正装模拟法中需要解决的问题　进行一次全桥调索的方法，来消除混凝土收缩徐变对桥梁结　构的影响。　△△　５．１斜拉索垂度产生的非线性效应问题　５．３温度影响问题　△△△　斜拉褰张拉力与垂度变形之间存在着明显的非线性　］。　温度是影响大跨度斜拉桥施工控制精度最复杂的因素。ｍ　执　ｍ　△△　△　对于大跨度斜拉桥，斜拉索产生的非线性效应，在全桥非线　目前从理论角度来讲，国内外还没有可以精确计算温度影响　畿　性效应中占有相当大的比重。因此，应合理的考虑斜拉索的　的方法。因此云阳长江大桥施工控制正装模拟不计温度变　△△△　ｍ　啦　ｍ　非线・性效应。　化，温度影响在施工时根据当时气温进行调整。　△△△　云阳长江大桥采用换算弹性模盘法解决斜拉索的非线　调整温度对主梁标高影响的方法为，主梁线刚度相对较　阱　抖　科　△△△性效应问题。换算弹性模量按下式（即Ｅｒｎｓｔ公式）计算∞］　：大，其在不同温度场下主梁前后两个节段的标高差保持不变　ｍ　ｍ　ｍ　蛳　Ｃ４］Ｅｏ　，因此前两个梁段的标高差，即为前一梁段与本梁段的标　△△△高差，据此可求出本梁段的立模标高等数据。　△△△温度对索塔、斜拉索的影响可通过在凌晨温度较均匀时　ｍ　粥　粥　蛳　△△△式中，Ｅ－＿考虑垂度影响的拉索换算弹性模量（ｋＰａ）　刻测量等措施消除。　Ⅲ　～　　～～　Ｅ　拉索弹性模量（ｋＰａ）；　—拉索换算容重（ｋＮ／ｍ　）；　６正装模拟施工控制参数计算原理　一一一——］爵丽飘飘　—一每米拉索及防护结构卡才料重力　　云阳长江大桥施工控制正装计算原理为：该桥分段悬臂　施工时主梁由个施工节段逐步悬臂浇筑而成，每个施工节段　索长度（ｍ）：　由挂篮前移定位并立模、浇筑梁段混凝土完毕、预应力筋张　一拉索与水平线的夹角（Ｏ）；　拉和降挂篮、斜拉索张拉至初始索力４个施工工况组成；各　盯一拉索应力（ｋＰａ　ｏ　悬臂浇筑节段的施工控制参数（立模标高或主梁标高、斜拉　５．２混凝土收缩、徐变问题　索索力、主梁应力、应变等）可由式（２）计算：　－・・。△１ｎｌ△ｌ『１２△　△１ｎ４　・…△２ｎｌ△２ｎ２△狮△２『１４　…△　ｌ△　△３旧△３ｎ４　・…△４ｎｌ△４ｒ】２△４帕△４憎　△ｍ１△　△帅△ｌ　［１　１　１　１………１］Ｔ　（ｉｉ）　程中，各梁段在各施工工况下各控制参数的累积变化量。如　［△１△２△３△４・・・・・・・・・△　］　（１１１）　盘石塔中跨主梁Ｎ１Ｏ　梁段在施工至第Ｎ２０　梁段第４工况　（１）（１｛）＝（ｉｉｉ）　（２）　斜拉索张拉至初始索力后，主梁标高累计变化如图７。　式中：△广第梁段控制参数的累积变化量。　｛　△ｔ１ｒ一第Ｊ梁段第ｋ工况施工时，第１梁段各控制参　数（立模标高或主梁标高、斜拉索索力、主梁应力、应变等）产　瓣　嘲；　生的变化量；ｉ＝Ｏ￣ｎ，ｎ为施工的梁段总数，对于双江塔　图７　Ｎ２０＂粱段主粱标高累计变化　ｎ＝２１，对于盘石塔ｎ＝３０；ｊ＝ｉ￣ｎｉｋ＝１￣４，即主梁施工划分成　４个工况。　７正装模拟有关规定　由以上公式可知，通过正装计算有限元模型计算出各梁　（１）二期恒载取值为６８．２　ｋＮ／ｍ；　段在各施工工况下各控制参数的增量，可求出斜拉桥施工过　（２）计算以桥面铺装完成为截止时刻，不计后期徐变　－５０・　靴　　△　△　△　△　～维普资讯 http://www.cqvip.com

张宝魁、杨吉新、马清珍：云阳长江大桥施工正装模拟方法　第１期　（３）计算成果为基准值，不计温度变化，温度影响在施　工时根据当时气温进行调整　（张拉前索力一张拉后索力）情况。　（４）主梁挠度不舍本节混凝土浇筑时挂篮的位移值；　（５）计算考虑如下调索方法：在全桥合龙、塔梁临时固　结解除、辅助墩拉压支座安装后进行一次全桥调索，使成桥　索力与设计相同；　梁段Ｎ混凝土浇筑后，已张拉索的索力值变化，具有与　ＪＮ张拉已张拉索的索力值变化相似的趋势。不同点是索力　变化值为负值（因为混凝土浇筑后索力增加）。　挂篮前移定位并立模、预应力筋张拉和降挂篮两个工况　（６）主梁各节段累计挠度是指混凝土浇筑后至威桥时　（桥面铺装后）的位移总和；　（７）索力、轴力、应力均以拉为”＋”，弯矩以下端受拉为　“＋”，挠度向上为“＋”，塔顶纵向偏移以向岸偏移为“＋”。　８正装模拟结果　８．１正装模拟成桥索力值　捌　勰　图８计算成桥索力值　从图８可知：全桥计算索力值呈“ｗｗ”型，在中跨跨中、边　跨交接墩及索塔附近索力值较大：最大索力值为８　８４７　ｋＮ，最　小索力值为２　３３７　ｋＮ。　８．１．Ｉ正装模拟过程索力变化规律　每一施工梁段的４个施工工况当中，浇筑梁段混凝土完　毕、斜拉索张拉至初始索力两个工况对斜拉索索力影响较　大，浇筑梁段混凝土完毕工况使索力增大、斜拉索张拉至初　始索力工况使索力减小。挂篮前移定位并立模、预应力筋张　拉和降挂篮两个工况对斜拉索索力影响较小。　第￣＋１一￣＋５梁段施工对Ｊ～号斜拉索索力影响较大，　第Ⅳ＋６以后的梁段施工对Ｊ＾『号斜拉索索力的影响逐渐减　小（调索和桥面铺装工况除外）。　斜拉索索力值总的变化趋势是随着后续施工梁段的施　工，索力值逐渐减小（调索和桥面铺装工况除外）。　８．１．２正装模拟过程中斜拉索ｌＮ张拉对已张拉索索力值的　影响　Ｊ／ｖ张拉对已张拉索索力值的影响从Ｊ　１到Ｊ１越来越　小，且影响显著的是Ｊ　１到Ｊ￣＿５前５对索。Ｊ＾『张拉对已　张拉索索力值的影响呈现线性变化。已张拉索索力值变化可　以参考双江塔斜拉索ＪｌＯ张拉后，斜拉索Ｊ９￣Ｊ５的索力变化　Ｚ　斟　榀　图９斜拉索Ｊ１Ｏ张拉前后斜拉索Ｊ９￣Ｊ５的索力变化　对对已张拉索索力值的影响很小。　云阳长江大桥施７－控制正装计算梁段累积挠度最大值　发生在盘石塔中跨主梁第２５施工段，最大值为Ｏ．５７　ｍ。　奏　８．２．１梁段累积挠度变化规律　在每一施工梁段的四个施工工况当中，浇筑梁段混凝土　完毕、斜拉索张拉至初始索力两个工况对主梁挠度影响较　大，浇筑粱段混凝土完毕工况产生向下挠度、斜拉索张拉至　初始索力工况产生向上挠度。第　ｌ一　５梁段施工对第１ｌｖ　梁段挠度影响较大，第￣＋６以后的梁段施工对第＾『梁段挠　度的影响逐渐减小（桥面铺装等各别工况除外）。每一梁段挠　度值总的变化趋势是随着施工节段的进行逐渐增加（调索等　个别工况除外ｏ　８，２．２斜拉索『Ｎ张拉对已施工粱段挠度的影响　（１）Ｊ＾『张拉对已施工梁段高程的影响从＾卜＿１到１号块　越来越小，且影响显著的是￣皿１到￣＿５前５个梁段。　（２）Ｊ＾『张拉对已施工梁段高程的影响呈现线性变化。　８．２　３粱段Ｎ混凝土浇筑后对已施工粱段挠度的影响　梁段＾／混凝土浇筑后施工梁段挠度的变化，具有与Ｊ＾／　张拉后已施工梁段挠度变化相似的趋势。不同点是挠度变化　值为负值（因为混凝土浇筑后高程降低）。　挂篮前移定位并立模、预应力筋张拉和降挂篮两个工况　对已施工梁段挠度的影响很小。　８．３正装模拟梁段上下缘应力　云阳长江大桥主粱各梁段上下缘应力见图１　１。　重　＋上缘应力——．下缘应力　图ｌ１主粱各粱段上下缘应力图　・５１・　维普资讯 http://www.cqvip.com

第１期　张宝魁、杨吉新、马清珍：云阳长江大桥施工正装模拟方法　跨台龙时斜拉索张拉和中跨合龙后的调索张拉以及桥面铺　从图１１可以明确看到：桥面铺装后主粱所有粱段上、　下缘应力均为负值，压应力最大值为１６．５２　ＭＰａ。桥面铺装后　两索塔附近和中跨跨中附近的粱段上缘应力较小，下缘应力　较大。　８．３．１上、下缘的应力变化规律　装是塔顶偏移的主要影响因素。成桥时双江塔偏向双江岸，　盘石塔偏向盘石岸。蝗工后在活载和混凝土收缩徐变影响　下，偏移值将逐渐减小直至为零。　塔顶偏移变化规律可以参考盘石塔与双江塔塔顶偏移　具体梁段在悬臂施工过程中上、下缘的应力值的变化规　律如下：　对于第＾『梁段，后续梁段每个施工工况对该梁段上下缘　应力影响大小相同，正负相反。对于每～梁段，随着后续梁段　施工该梁段上下缘压应力逐渐增大。可参考盘石塔边跨２Ｏ　号块主梁上下缘应力变化曲线（图ｌ２）。　＋每个施一】　阶段的各个施ｊ　：ｒ　况下的下缘应力　图１２盘石塔边跨２０号块主粱上下缘应力变化曲线　８、３　２上、下缘的应力计算公式　各梁段上缘应力、下缘应力计算公式如公式（３）所示：　Ｊ　士掣…．』　（３）　式中：　梁段轴力（ｋＮ）：　主梁横截面积（ｍ　）：　～梁段弯矩（ｋＮ．ＩＩＩ）；　ｙ一粱段上下缘距中和轴的距离（ＩＩＩ）：　卜＿主梁横截面惯性矩。　从公式（３）可知各梁段上、下缘应力与各梁段轴力和弯　矩有关；各梁段上、下缘应力值的大小及其随主梁节段悬臂　施工的变化规律也反映了各梁段轴力值和弯矩值的大小及　其变化规律。　８．４正装模拟索塔塔顶标高、塔厦偏移和塔柱应力变化　８．４．１索塔塔顶标高变化　在主梁施工过程中，索塔塔顶标高逐渐降低，桥面铺装　工况后双江塔塔顶标高降低１４　ｍｍ，盘石塔塔顶标高降低　ｌ７　ｍｍｂ　索塔塔顶标高变化规律可以参考双江塔塔顶标高变化　曲线（图１３）。　Ｓ　一　毳一－Ｉ　　图１３双江塔标高变化曲线　８．４．２塔顶偏移　在边跨合龙段斜拉索张拉以前，塔顶偏移基本为零；边　・５２・　曲线《图１４）。　潍　一　图１４塔顶偏穆曲线　８．４．３塔柱应力　双江塔下塔柱（高程１８０．７　ｍ处）和中塔柱（高程　２００．３　ｍ处）压应力在粱段施工过程中变化曲线（如图１５）。　—童一　从图１５可以看到，塔柱压应力增加值与已施工梁段数　量成正比；由于中塔柱截面小于下塔柱截面，中塔柱应力增　长速度快于下塔柱。盘石塔塔柱最大应力（高程１８０．７ｍ处）　为一７．６５　ＭＰａ，双江塔塔柱最大应力（高程１８０．７ｍ处）为一７．　１４　ＭＰａ，均满足塔柱应力要求。　９施工控制结果　云阳长江大桥施工控制结果为：中跨合龙前两个悬臂梁　段各段施工时最大标高误差为４　ＣＩｌｌ，合龙后标高误差为　６　Ｃｍ；桥面铺装后主粱挠度误差控制在５Ｏ　ｍｍ之内；斜拉索　索力误差控制在土４名以内；主梁关键截面应力误差控制在　０．４　ＭＰａ以内。成桥后主梁线形平顺，索力与主梁内力控制在　允许的范围内。　１０结论　（１）斜拉桥施工控制采用正装法模拟，完全能满足施工　控制的需要。　（２）正装模拟过程中按照主梁施工方案将主梁施工划　分成４个施工工况能满足施工控制精度要求。　（３）温度和混凝土收缩徐变对施工控制的影响问题。完　全可以在施工控制的过程中采用本文所示方法予以剔除，从　而使施工控制结果不受影响。　（４）云阳长江大桥施工控制结果理想；其正装模拟方法　与控制参数变化规律，对类１以大桥施工控制模拟具有参考价　值。