外倾式矮塔斜拉桥临时体外索施工阶段力学分析

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矮塔斜拉桥是一种以主塔、主梁与斜拉索为主要受力构件的组合体系桥梁结构,其具有塔矮、梁刚、索集中的突出特点。外倾式矮塔斜拉桥主塔为向外倾斜的造型,利用倾斜塔柱自重在塔梁结合处产生的弯矩,来抵消斜拉索水平分力对上塔柱根部的影响。但外倾式矮塔斜拉桥在斜拉索挂索张拉前,塔柱根部的混凝土易产生拉应力,对全桥整体受力不利。其次,矮塔斜拉桥主梁刚度较大且设有斜拉索,依据此特点提出能够缩短有索区节段施工周期、创造平行施工空间的斜拉索滞后施工工艺。由于有索区主梁顶板纵向预应力钢束锚固位置的特点,悬浇时主梁上缘易出现拉应力,因此需对此工艺进行进一步的施工阶段力学分析。本文以丞相河特大桥(87+160+87外倾式矮塔T构斜拉桥)为背景工程,利用Midas civil有限元分析软件建立施工阶段整体模型,对上塔柱以及有索区主梁施工过程进行力学分析。主要研究内容如下:首先丞相河特大桥上塔柱在单塔肢状态下,分析其根部混凝土截面应力分布,进一步提出在塔肢间设置临时横向拉索,利用理论公式计算上塔柱分节段浇筑时根部截面应力值,试算得出临时横向拉索预拉力值及锚固位置,最后用有限元软件建立上塔柱施工阶段模型,并与理论计算结果及实测值进行对比分析,确定塔肢间临时横向拉索预拉力值及安装位置。建立多个有限元施工阶段模型进行对比确定临时横向拉索的最优拆除时机,以确保成桥后全桥整体结构不受临时横向拉索的影响。斜拉索滞后施工工艺即有索区节段进行悬浇时,提前将挂篮前移,然后使得斜拉索挂索张拉与下一梁段钢筋绑扎形成平行施工模式,从而缩短施工周期。依据丞相河特大桥主梁纵向预应力钢束布置特点,提出四种斜拉索滞后张拉工艺(无措施滞后张拉工艺、部分滞后张拉工艺、临时体外预应力工艺、顶板束分段张拉工艺),利用有限元软件建立斜拉索滞后施工阶段模型,与传统施工工艺进行力学分析比较,确定最优方案并对其进行局部力学分析及经济性分析。根据以上研究内容可得出以下结论:依据理论计算公式得出需在上塔柱浇筑时布置两道临时横向拉索,每道分两次张拉共计120t,其计算结果与模型计算结果及现场实测值基本一致,且在施工阶段过程中根部混凝土拉应力值满足要求,为后续类似桥梁的塔柱施工提供了理论基础;除此之外,经有限元分析软件详细计算得知,该桥在S5斜拉索挂索张拉后进行拆除临时横向拉索对结构受力状态的影响最小。根据主梁纵向束在有索区梁段锚固的特点,为缩短施工周期、增大平行工作空间,提出四种斜拉索滞后施工工艺,除情况四(顶板束分段张拉)纵向束预应力损失过大不适用,其余三种滞后工艺均对后续施工及成桥后主桥无不利影响;经过对比分析,在采用临时体外索施工工艺时,其既能缩短施工周期,又能保证在悬浇过程中主梁上缘不出现拉应力,从而确定此方案为最佳方案;对布置临时体外索的主梁顶板锚固区进行局部力学分析,分析得出其最大压应力出现在顶板锚孔周边,但并未出现拉应力;并且采用斜拉索滞后施工工艺时节省设备租用费,有着良好的经济性。
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