２０１３年第５期 广东公路交通 ＧｕａｎｇＤｏｎｇ ＧｏｎｇＬｕ ＪｉａｏＴｏｎｇ 总第１２８期 文章编号：１６７１—７６１９（２０１３）０５—００１３—０４ 独塔斜拉桥换索过程计算分析研究 姬 然，郑凯锋，庞竞拓 （西南交通大学土木工程学院，成都６１００３１） 摘要：建立独塔斜拉桥设计方案的全桥有限元模型，综合考虑主梁内力对成桥索力进行优化；计算施工阶段拉 索初拉力。分析逐一卸除各拉索工况下拉索力和应力的变化及其极值；计算各换索工况下主梁和桥塔的应力变 化，分析换索过程中桥梁能否正常运营。还对各换索工况下主梁竖向位移进行了分析。 关键词： 独塔斜拉桥；有限元分析；换索过程分析 中图分类号：Ｕ４４８．２７ 文献标识码：Ａ ０ 引言 由于造型美观、跨越能力大，斜拉桥得到了广 泛的应用。据统计，目前我国修建的斜拉桥约占 全世界斜拉桥总数的３５％＿ｌ Ｊ。但由于拉索锈蚀的 影响，部分早期建成的斜拉桥结构状况损坏相对 严重。拉索是斜拉桥的主要受力构件，某一根索 全桥有限元模型如图１，本文中符号规定受拉为 正、受压为负。 ２施工阶段拉索初拉力及合理成桥索力分析 为分析成桥后换索阶段结构受力，需先确定 成桥阶段合理索力。通过调整索力可以达到梁塔 受力均匀，主梁线型良好的目的。拉索调索过程 或多根索的损坏会造成结构的失效。因此，为综 合考虑运营过程中的拉索腐蚀、破损甚至断裂，需 中，为减小主梁内力，通常以主梁的弯矩均匀为目 标调整成桥索力Ｈ Ｊ。本文综合考虑主梁和桥塔内 力调整优化成桥索力，同时在此基础上兼顾主梁 线型及支座反力对个别拉索力进行单独调整。 要在方案设计阶段进行换索过程分析 Ｊ。换索的 设计须以换索过程中对正常交通的影响最小为前 提，尽量减少维护成本 。 ｌ 工程背景 研究对象为１３０ｍ＋８５ｍ钢箱梁独塔单索面 斜拉桥设计方案，边中跨之比为０．６５。拉索呈扇 形布置，桥塔总高度８９．５ｍ，桥面以上塔高 ７２．７ｍ，大桥塔为钢筋混凝土结构，小桥塔为预应 力钢筋混凝土结构，主梁宽３１ｍ，为单箱５室，钢 箱梁顶板兼做正交异形板桥面。全桥共设拉索 图１斜拉桥设计方案有限兀模型 设计方案施工阶段中主梁采用满堂支架法拼 １６组，其中主跨９组，梁端索间距１２ｍ；边跨７ 组，梁端索间距７．５ｍ。按从江侧向岸侧的顺序， 装，主梁拼装完成后拉索采用分批张拉完成。第 一次完成ｃ１一Ｃ６、ＣｌＯ—Ｃ１４拉索的张拉，第二次 主跨拉索编号为ｃ９一ｃ１，边跨拉索编号为ＣＩＯ— Ｃ１６。 完成ｃ７一Ｃ９、Ｃ１５一Ｃ１６拉索的张拉。为使成桥索 力达到合理的成桥状态，通过正装倒拆多次迭代 得出施工阶段各拉索初拉力 ｊ。迭代结果及所得 本文通过ＭＩＤＡＳ Ｃｉｖｉｌ ２０１０建立了设计方案 全桥有限元模型。其中主梁及桥塔采用梁单元模 拟，拉索采用只受拉桁架单元模拟，小桥塔与主梁 连接处采用只受压弹性连接模拟，拉索和主梁之 成桥索力如表１所示，主梁恒载作用下弯矩如图２ 所示。由图２可见，除梁端及梁墩固结处，主梁弯 矩值很小。通过调整拉索索力，可使主梁弯矩分 布更为均匀合理。 间及拉索与桥塔之间通过节点的刚性连接联系。 作者简介：姬然（１９９１．０３一），女，桥梁与隧道工程专业硕士研究生，研究方向：桥梁工程。Ｅ—ｍａｉｌ：ｊｉｒａｎ２９４＠１６３．ｃｏｍ． ・１３・ ２０１３年第５期 广东公路交通 总第１２８期 弯 为综合分析换索状态下桥梁是否需要通 行，本文主要关注恒载和活载作用下桥梁在换索 过程中的受力。计算分为１６种换索工况，分别对 应于１６根拉索逐一卸除的过程。通过计算，将各 换索工况恒载和活载作用下拉索力变化值及索 力、索应力进行汇总，如表２和表３所示。其中表 ～ … …一’ 匡 …．… Ａ．． 譬 图２成桥恒载作用下主梁弯矩图 ２中每个数值为卸除纵坐标索号拉索时，横坐标索 号拉索的索力相对变化值，以百分数表示。 ３ 换索过程拉索受力分析 表２各换索工况恒载和活载作用下拉索最大索力相对变化（单位：％） 表３各换索工况恒载和活载作用下拉索力和应力 ・１４・ ２０１３年第５期 姬然独塔斜拉桥换索过程计算分析研究 总第１２８期 从表２可见，卸除拉索时，被卸除的拉索索力 主要由相邻两侧拉索分担。当卸除靠近主跨跨中 处的中长索如ｃ３一ｃ６时，相邻两侧拉索索力变化 较大，平均增加１３．４％，其中相邻短索索力增量大 固处两侧下翼缘产生相对压应力，上翼缘产生相 对拉应力。通过计算，将各换索工况恒载和活载 作用下主梁最大拉应力和最大压应力进行汇总 （表４）。分别取卸除主跨边索Ｃ９、主跨跨中索Ｃ５ 及主跨桥短索ｃ１具体说明，如图３至图５所示。 由于换索引起的弯矩增大，换索时主梁应力变化 主要集中在梁索锚固处及梁塔锚固处。同时，卸 于相邻长索索力增量。卸除主跨拉索时，由于桥 塔向边跨侧倾斜，边跨拉索呈卸载趋势；卸除边跨 拉索时，由于桥塔向主跨侧倾斜，主跨拉索呈卸载 趋势；卸除ｃ４号拉索时，相邻ｃ３号拉索出现最大 除主跨长索时引起边跨辅助墩处负弯矩增加，因 应力值６７０．８ＭＰａ。由表３可见，各换索工况下卸 此辅助墩处主梁应力变化较大。 除Ｃ１２号拉索时，ｃ７号拉索出现最大索力 从换索工况计算可以得出以下结论：所有换 ７５０４．３ｋＮ。 索工况下主梁应力变化均不大（不超过１７ＭＰａ）， ４换索过程主梁应力分析 卸除主跨跨中Ｃ５号拉索时主梁有最大应力变化 拉索卸除时，索梁锚固位置附近主梁下翼缘 值１６．８ＭＰａ，卸除ｃ３号拉索时主梁有最大压应力 产生相对拉应力，上翼缘产生相对压应力；索梁锚 １００．５ＭＰａ和最大拉应力６８．５ＭＰａ。 表４各换索工况恒载和活载作用下主梁应力极值（单位：ＭＰａ） 号拉索两种工况计算最不利换索工况恒载和活载 作用下桥塔内力，计算所得桥塔各部分应力如表５ 所示。通过计算，在卸除Ｃ９、Ｃ１６拉索时大塔塔柱 及小塔塔墩均出现一定的拉应力。 表５卸除Ｃ９、Ｃ１６号斜拉索恒载和活载 图３卸除ｃ９号拉索主梁应力变化 作用下桥塔应力极值（单位：ＭＰａ） 一上蠢量大应力壹化 …上簟量小鹰力壹化 ……．下鼍量太应力壹化 一一 广 ｌ ’．、‘ ，／ ．． ．赢 、… ； ； ｓ 、 ８ ２ ２ ８ ８ ２ 、 ∥ ｔ －Ｖ 图４卸除ｃ５号拉索主梁应力变化 一上●●大应力壹化 …上■基小应力变化 ……一下●量大应力壹．匕 一一下簟ｔ小应力量化 一 、＾，７ｒＩ ，０ 一 一 ＾ ＾ ＾ ＾ ■’‘— ＾ ＾ ＾ ＾ ６ ６ §ｇ§ 《 《 霹 ｒ：￡ｇ； ｇ ｇ ｇ ｒ 图５卸除Ｃ１号拉索主梁应力变化 ５换索过程桥塔应力分析 本设计方案中，长索对桥塔应力的影响较大。 本文选取卸除主跨长索ｃ９号拉索和边跨长索Ｃ１６ －１５・ ２０１３年第５期 广东公路交通 总第１２８期 由表５可见，ｃ９号拉索换索过程中小塔墩小 跨侧在预应力锚固端下方出现０．９ＭＰａ拉应力； Ｃ１６号拉索换索过程中两塔柱连接处大塔在小跨 侧出现１．９ＭＰａ拉应力，小塔墩大跨侧在预应力锚 固端下方出现１．５ＭＰａ拉应力。桥塔采用Ｃ５０混 长索时，为防止混凝土桥塔因拉应力过大而开裂， 需酌情车辆通行。 ６换索过程主梁位移分析 当卸除某根拉索时，索梁锚固处主梁会产生 下挠，因此在换索过程中不仅要保证结构的正常 凝土，单独恒载作用下卸除Ｃ１６号拉索时小塔墩 大跨侧最大拉应力为０．８ＭＰａ，符合材料容许应力 要求。故从安全角度考虑，需在卸除Ｃ１６号斜拉 索时进行车辆限行。 文献 指出，当卸除拉索对主梁影响不大时， 承载力，还要确保桥面平顺，以保证车辆正常通 行。各换索工况主梁位移变化如表６所示，由表 中数值看以看出，卸除斜拉索时主梁位移变化较 小。图６、图７分别表示卸除主跨跨中Ｃ５、边跨跨 中Ｃ１３号斜拉索时主梁位移。卸除主跨跨中Ｃ５ 换索前不需要重新调整索力，可直接对各拉索进 行卸除。因此斜拉桥设计方案可直接卸除短索及 号拉索时主梁产生最大竖向位移１５０．６ｍｍ。由图 中可看出，主跨拉索卸除对边跨位移影响几乎为 零。 中长索，且换索过程中不需车辆通行。卸除 表６各换索工况恒载和活载作用下主梁位移变化值（单位：ｍｍ） （２）卸除拉索时卸载的索力主要由相邻拉索 及索梁锚固处的主梁承担。卸除主跨拉索时相邻 拉索索力平均增加１０％左右，此时边跨拉索呈卸 载趋势；卸除边跨拉索时相邻拉索索力平均增加 ５％左右，此时主跨拉索呈卸载趋势。所有换索工 图６卸除Ｃ５号拉索前后恒载和活载作用下主梁位移对比 况下拉索应力均不超过容许应力。 （３）所有换索工况下主梁应力变化均不大 （小于１７ＭＰａ）。卸除拉索时，索梁锚固处上翼缘 产生相对压应力，下翼缘产生相对拉应力，相邻索 梁锚固处应力情况则相反。各换索工况下主梁应 力均不超过容许应力。 （４）卸除长索时大塔塔柱及小塔塔墩均产生 较大拉应力。卸除边跨Ｃ１６号拉索时，两塔柱连 图７卸除Ｃ１３号拉索前后恒载和活载作用下主梁位移对比 接处大塔柱在小跨侧出现１．９ＭＰａ拉应力，小塔墩 大跨侧在预应力锚固端下方出现１．５ＭＰａ拉应力。 主梁位移计算结果表明，各换索工况下主梁位移 变化均较小。 ７ 结语 （１）通过合理调整成桥索力，可以达到降低 拉索初拉力、主梁弯矩分布均匀的合理状态，可显 著降低成桥阶段结构恒载内力。通过正装倒拆多 次迭代方法计算出各施工阶段索力，使之达到合 理一次成桥状态，成桥状态下主梁弯矩分布合理。 ・（５）综合上述分析，本斜拉桥设计方案换索 之前不需重新调索，可直接进行拉索卸除。卸除 短索及中长索时，桥面竖向位移较小，结构各部分 （下转第２６页） １ ６・ ２０１３年第５期 ＪＴＪ ０２ｌ一１９８９［Ｓ］．北京：人民交通出版社，１９８９． 广东公路交通 总第１２８期 刚架应力测量［Ｊ］．建筑技术．２００８，（５）：３５９—３６１． ［３］公路桥梁承载能力检测评定规程ＪＴＧＴ Ｊ２１—２０１１ ［５］回弹法检测混凝土强度技术规程ＪＴＪ／Ｔ ２０１１ ［ｓ］．北京：人民交通出版社，２０１１． （收稿日期：２０１３～０７—２６） ［Ｓ］．北京：人民交通出版社，２０１１． ［４］徐郁峰，谭林，陈宽德，等．新光大桥施工中三角 Ｓａｆｅｔｙ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ Ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｎ ａ Ｓｉｍｐｌｙ Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ Ｂｅａｍ Ｂｒｉｄｇｅ ｗｉｔｈ Ｍｉ￣ｉｎｇ Ｄａｔａ ＣＨＥＮ Ｘｉｌｏｎｇ。，ＸＵ Ｙｕｆｅｎｇ （１．Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｈｉｇｈｗａｙ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １０６２３； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １０６４１） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｍｉｓｓｉｎｇ ｄａｔａ ｆｏｒ ｓｏｍｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｂｒｉｄｇｅｓ，ｈｏｗ ｔｏ ａｓｓｅｓｓ ｔｈｅｉｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ｈａｓ ｏｆｔｅｎ ｐｌａｇｕｅｄ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔｓ．Ｔａｋｉｎｇ ｓａｆｅｔｙ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｎ ａ １５ ｍ ｓｐａｎ ｏｌｄ ｂｒｉｄｇｅ ｗｉｔｈｏｕｔ ｄｒａｗ— ｉｎｇｓ ｂｙ ｐａｓｓｉｎｇ ｏｆ ｄｕｍｐ ｔｒｕｃｋｓ ａｎｄ ｔｒａｉｌｅｒｓ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ｆｉｒｓｔｌｙ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｆｅ ｐａｓｓｉｎｇ ｏｆ ｄｕｍｐ ｔｒｕｃｋｓ ａｎｄ ｔｒａｉｌｅｒｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｓａｆｅ ｐａｓｓｉｎｇ ｏｆ ｄｕｍｐ ｔｒｕｃｋｓ ａｎｄ ｔｒａｉｌｅｒｓ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｔｅｓｔｉｎｇ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｒｏｖｉｄｅｄ． 、 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｉｍｐｌｙ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｅａｍ ｂｒｉｄｇｅ；ｍｉｓｓｉｎｇ ｄａｔａ；ｓａｆｅｔｙ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ 痧、驴 痧、ｃ： ，—｛ （上接第１６页） 内力均不超过容许应力，可正常通行车辆；卸除边 索时桥塔出现较大拉应力，需对车辆酌情限行，以 Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｈａｌｅ Ｂｏｇｇｓ Ｂｒｉｄｇｅ ｉｎ Ｌｕｈｎｇ，Ｌｏｕｉｓｉａｎａ［Ｊ］。 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｒｉｄｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＡＳＣＥ，２０１０，１５（４）：３６４— ３７２． 防止拉应力较大而造成混凝土开裂。 参考文献： ［４］严国敏．现代斜拉桥［Ｍ］．成都：西南交通大学 出版社，１９９６． ［１］金荣铭，曹东威，张玉玲．苏通大桥钢箱梁仰角焊 缝焊接工艺及疲劳性能研究［Ｊ］．钢结构，２００９，（２）：５８— ６０． ［５］马超．斜拉桥的合理成桥索力和施工阶段索力控 制［Ｄ］．武汉：武汉理工大学，２００８． ［２］王文涛．斜拉桥换索工程［Ｍ］．北京：人民交通 ［６］蒋伟平．斜拉桥换索理论及其技术问题的研究 出版社，２００６． ［３］Ａｒｍｉｎ Ｂ，Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ Ａ，Ａｄｒｉａｎ Ｔ，ｅｔ ａ１．Ｅｖａｌｕａ— ｔｉｏｎ，Ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ Ｐｌａｎｎｉｎｇ，ａｎｄ Ｓｔａｙ—Ｃａｂｌｅ Ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ ［Ｄ］．成都：西南交通大学，２００３． （收稿日期：２０１３—０６—１７） Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｃａｂｌｅ Ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ａ Ｓｉｎｇｌｅ Ｔｏｗｅｒ Ｃａｂｌｅ—ｓｔａｙｅｄ Ｂｒｉｄｇｅ Ｊ／Ｒａｎ，ＺＨＥＮＧ Ｋａｉｆｅｎｇ，ＰＡＮＧ Ｊｉｎｇｔｕｏ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｔｏｗｅｒ ｃａｂｌｅ—ｓｔａｙｅｄ ｂｒｉｄｇｅ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ａｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｉｔｉａｌ ｓｔａｖ．ｃａｂｌｅ ｆｏｒｃｅ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｂｏｘ ｇｉｒｄｅｒ；ｉｎｉｔｉａｌ ｓｔａｙ－ｃａｂｌｅ ｆｏｒｃｅｓ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ｃｏｎ— ｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｔａｇｅｓ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｓｔａｙ－ｃａｂｌｅ ｆｏｒｃｅｓ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓｅｓ ｉｎ ｅａｃｈ ｃａｂｌｅ ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎ— ｄｉｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｅｘｔｒｅｍｅ ｖａｌｕｅｓ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｂｏｘ ｇｉｒｄｅｒｓ ａｎｄ ｔｏｗ— ｅｒｓ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｗｈｅｔｈｅｒ ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｆｉｆｃ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ．Ａｔ ｌａｓｔ，ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅ— ｍｅｎｔｓ ｏｆ ｂｏｘ ｇｉｒｄｅｒ ｉｎ ｅａｃｈ ｃａｂｌｅ ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｉｎｇｌｅ ｔｏｗｅｒ ｃａｂｌｅ－ｓｔａｙｅｄ ｂｒｉｄｇｅ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｃａｂｌｅ ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ・２６・
