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复杂悬索桥合理设计及合理施工状态确定

柯红军  
【摘要】:近十几年来,悬索桥跨度不断增大,构件安全系数逐渐降低,自锚式悬索桥发展迅速,组合索桥逐渐兴起,主缆成桥线形由平面向空间发展,主梁出现多种形式。对此,本文结合导师的两个国家自然科学基金面上项目(编号:50778024、51078041),以五座典型复杂悬索桥为工程背景,根据该类桥的受力和施工特点,按照其设计及施工控制计算先定成桥状态,再定施工状态的一般顺序,分别围绕复杂悬索桥合理成桥状态的确定、缆索系统施工控制、精细考虑施工期多重非线性综合影响的合理施工状态确定这三大部分内容开展研究,主要工作和成果如下:1)在复杂悬索桥合理成桥状态确定方面(1)根据自锚式悬索桥成桥状态与施工过程关系较小的特点,提出了自锚式悬索桥合理成桥状态确定的“渐进模型法”,即:①建立仅在各吊点和塔、墩处刚性支承的加劲梁模型(不考虑吊索和主缆的作用),按刚性支撑连续梁法求吊点处支反力,将其调匀作为吊索竖向分力初值。②建立吊索竖向分力已知的单根主缆模型,并用空间主缆找形数值解析法软件求解。③建立吊索竖向分力、主缆两端缆力已知的静定加劲梁模型,进行内力计算,并以加劲梁受力合理为目标,确定新的成桥吊索竖向分力。④按新的成桥吊索竖向分力重复②、③,直至主缆和加劲梁恒载线形及内力满足设计要求。⑤整合主缆找形结果,在加劲梁模型的基础上建立全桥有限元模型,进行考虑可变荷载作用的检算,根据全桥计算结果,确定吊索竖向分力修正量,重复第②~⑤步,直至恒、活载作用下全桥达到合理成桥状态。(2)首次基于空间主缆自锚式悬索桥各吊索上吊点横桥向坐标由主缆与吊索间的力平衡条件自动决定的客观规律,提出了空间主缆找形的理论、方法和流程,其关键是在主跨跨中指定点标高(或边跨末端标高)达到设计要求后,需修正各吊索横桥向水平分力,重新迭代找形,直至前后两次找形得到的各吊索力横桥向水平分力或吊索上吊点横桥向坐标之差满足容许值,克服了以往方法可能得到非真实解的不足。(3)分析了三塔中跨斜拉-边跨自锚式悬吊组合索桥的受力特点,提出了其合理成桥状态确定的“合二为一”法,即确定合理成桥状态的同时须考虑施工过程,并在考虑施工过程以获得合理成桥状态的过程中对施工方案进行不断优化,最终使施工状态与成桥状态均合理。2)在复杂悬索桥缆索系统施工控制方面探讨了散索鞍(套)的预偏量控制精度要求及边跨主缆线形控制措施;分析研究了地锚式悬索桥基准索股架设线形精确计算数值解析法程序编制的必要性及原理;提出了锚跨索股张力控制值确定方法及昼夜温差大时锚跨索股张力控制方法。3)在精细考虑施工期多重非线性综合影响的合理施工状态确定方面(1)研究了利用大型通用软件ANSYS、Midas Civil进行复杂悬索桥成桥状态确定及施工过程仿真的流程,详细给出了ANSYS模拟悬索桥施工过程的建模、计算及结果后处理方法,指出了ANSYS、Midas Civil用于悬索桥施工过程模拟各自存在的缺陷。(2)构建了基于精确弹性悬链线理论且隐含考虑了主缆与鞍座圆弧切点修正,同时将鞍座顶推模拟融为一体,但无需考虑塔端节点抗弯刚度的鞍座-索单元。以此为基础,综合其它已成熟的复杂悬索桥多重非线性静力整体分析的空间杆系有限元理论,开发了考虑几何非线性、收缩徐变、鞍座顶推、主缆鞍座切点修正、吊索与斜拉索多次张拉等多重非线性因素耦合的解析法与有限元法结合的计算软件,并通过了算例和实桥的验证。(3)优化确定了三座形式各异的大跨度自锚式悬索桥体系转换的吊索张拉方案及一座复杂的三塔中跨斜拉-边跨自锚式悬吊组合索桥的合理施工方案,包括:①对于由主塔向散索套或跨中向两侧张拉均不满足锚跨索股与其锚固导管构造要求的散索套底下无支撑锚固结构的自锚式悬索桥,提出了先张拉散索套附近第一根满足构造要求的永久吊索,然后由此吊索起,按先逐步向散索套,再逐步向主塔张的顺序张拉永久吊索的体系转换方案,以解决该类自锚式悬索桥无法设散索套临时支撑锚固装置及临时吊索锚固装置的难题。②针对双塔单跨大横向倾角空间主缆自锚式悬索桥,提出了“在适当时机张拉临时索附近的永久吊索,以克服临时索容许索力不足的缺陷”的调索思路,并通过优化计算,获得了无需主动放松临时索的该类自锚式悬索桥体系转换方案。③论证了平面主缆双塔三跨自锚式悬索桥“边中共进、逐步推进”的体系转换方案。该方案相对于“边中共进、多轮循环”、“先边后中、逐步推进(或多轮循环)”的方案在安全性相当的条件下均具有工期快、施工机具利用率高的经济优势。④论证了三塔中跨斜拉-边跨自锚式悬吊组合桥“先合梁后架缆”总体施工方案。该方案相对于“先各自独立成桥再合拢主梁”的常规方案,大大节约了临时固结设置所需的投入,并避免了拆除临时固结的巨大安全风险。最后,作者对复杂自锚式悬索桥的构造和受力设计提出了除应考虑成桥运营阶段最不利状态,还应考虑施工过程最不利状态,且可能后者起控制作用的建议。


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