本文对正在建设中的岳口汉江特大桥预拼线形的问题进行了讨论, 用零初始位移法计算了主梁安装线形, 较好地解决了主梁梁段拼装时线形的控制问题。

安装线形是指在悬臂拼装过程中各新安装梁段的自由端所连成的曲线。在线弹性范围内, 它的计算公式如下:

式中:H_e为安装线形;H_c为设计成桥线形;H_v为成桥竖向位移 (最终挠度值) 。

设计成桥线形已知, 求安装线形的关键就转化为如何求成桥竖向位移。

位移的计算目前主要有两种有效的方法, 分别是零初始位移法和切线初始位移法。零初始位移法是指在悬臂施工过程中, 新单元与已成部分连接节点的初始位移采用已成单元该节点的计算值确定, 指定自由端节点的初始位移为0。切线初始位移法与零初始位移法的主要区别在于位移的计量方式不同:零初始位移法是设定新增节点的位移为0, 而切线初始位移法是将新节点的初始位移指定到沿着已成梁段悬臂端切线上。由于切线位移法得出的制造线形是无应力线形, 而悬臂拼装过程中已成梁端已经受力, 因此用切线位移法计算得出安装线形并不合理。所以本文将采用零初始位移法计算安装线形, 同时也对切线初始位移法的计算结果进行对比分析。

岳口汉江特大桥位于天门市岳口镇长坨垸—新场河段内, 主桥结构采用 (32+50+93+260+38) m钢箱混合梁独塔斜拉桥, 半漂浮体系, 全梁长474.2m (不含梁缝) 。边跨及部分中跨主梁为预应力混凝土箱梁, 其余中跨主梁为钢箱梁。钢-混分界点位于主梁中跨侧距离索塔23m处。主梁由混凝土箱梁和钢箱梁两部分组成, 钢-混分界点位于主梁中跨侧距索塔23m处, 如图1所示。

全桥采用MIDAS/Civil有限元软件建立模型, 如图2所示, 其中单元471个, 节点617个。用梁单元模拟主梁、墩等, 用只受拉单元模拟斜拉索。不同单元之间通过共用节点的方式进行连接, 钢-混结合段通过修改混凝土重度的方式以正确模拟结构自重。斜拉索张力在计算时通过初拉力的方式进行赋予, 与施工步骤一致。混凝土收缩徐变与强度随混凝土龄期的变化通过赋予相应的收缩徐变曲线和强度曲线予以实现。竖向压力主要是考虑P-Δ效应, 通过有限元模型中的非线性予以考虑。全桥采用半漂浮体系, 墩底全部固结, 支座位置赋予桥梁横向约束与竖向约束, 放开纵向约束。

在建模过程中, 根据岳口汉江特大桥实际的施工顺序进行了桥梁施工阶段分析。为了体现零位移法在这一模型中的应用, 只列举出斜拉索的初张拉过程, 即岳口汉江特大桥塔梁同步施工过程, 施工大致顺序为:浇筑28节段混凝土塔柱→初张拉0号索→浇筑29节段混凝土塔柱→初张拉1号索→安装第1节钢箱梁→浇筑30节段混凝土塔柱→初张拉2号索→安装第2节钢箱梁→浇筑31节段混凝土塔柱→初张拉3号索→安装第3节钢箱梁→浇筑32节段混凝土塔柱→初张拉4号索→安装第4节钢箱梁→浇筑33节段混凝土塔柱→初张拉5号索→安装第5节钢箱梁→浇筑34节段混凝土塔柱→初张拉6号索→安装第6节钢箱梁→浇筑35节段混凝土塔柱→初张拉7号索→安装第7节钢箱梁→浇筑36节段混凝土塔柱→初张拉8号索→安装第8节钢箱梁→初张拉9号索→安装第9节钢箱梁→如此施工至第19节钢箱梁→初张拉20号索。塔梁同步施工的过程从浇筑第28节段混凝土塔柱到浇筑36节段混凝土塔柱完成为止。

对模型进行运算分析, 列举出钢箱梁拼装过程中每阶段钢箱梁段端部的节点位移, 其中, 施工19号钢箱梁为全桥成型的最后一个阶段, 也是钢箱梁桥部分的合龙段。采用零位移法的目的在于保证全桥进行到19号钢箱梁的拼装时, 全桥处于一个水平状态, 大大降低19号钢箱梁在悬吊状态下与已拼接钢箱梁———18号钢箱梁和20号钢箱梁对接的施工难度。表1列举了按照零初始位移法计算的部分数据结果, 图3完整显示了根据零初始位移法得到的钢箱梁施工过程中每节钢箱梁拼装完成时, 钢箱梁端部以及已拼接完成的节点竖向位移变化;表2为根据表1所示数据进行拼装计算的结果, 图4为根据图3所示结果获得初始位移作为安装线形进行拼装计算的结果。由图4中数据可见, 根据零位移法的推算, 当施工到19号钢箱梁时, 整个钢箱梁阶段都处于设计成桥线形的状态, 此时, 能保证19号钢箱梁的顺利拼接以及全桥线形。

图5所示为基于零初始位移法获得的位移结果进行简单处理得到的切线初始位移法的结果, 由图可见, 由于初始位移的差异, 通过零初始位移法和切线初始位移法计算出来的成桥位移是有区别的。图3中的位移是采用零初始位移法计算出来的, 利用该位移可以获得该桥的安装线形, 而切线初始位移法得到的位移是制造线形确定的基础。

通过本文的介绍, 将零初始位移法应用到工程实例中来获得悬臂拼装的安装线形, 这个线形可以用于节段在施工控制中的立模标高及相应的施工误差的调整。按照该方法进行施工, 桥梁整体成桥线形良好, 符合设计要求。对于悬臂施工梁段, 由零初始位移法获得的安装线形与切线初始位移法获得的制造线形并不统一, 在处理过程中要注意方法的选取。