中建桥梁有限公司,重庆,江津 402260
摘要:在实际工程中,猫道一般基于悬链线理论进行有限元计算。本文采用有限元软件midas civil求猫道成桥时的平衡态,通过倒拆法求承重索空缆线形,对恒载状态下的承重索进行非线型分析,精细化控制了泸州二桥悬索桥猫道,同时,采用《路桥施工计算手册》手算,两者结果与现场实测值进行对比。现场实测回弹量与有限元软件计算结果更为接近,由此可知软件计算结果精度明显高于手算结果。基于软件计算结果,对承重索进行强度验算,在猫道架设过程中,验证了软件计算结果具有可靠性和安全性,为同类悬索桥猫道的施工控制提供借鉴。
关键词:悬索桥;猫道;有限元计算;强度验算
0引言
猫道成桥线形是猫道结构一个重要的参数,决定着猫道的使用性能及结构受力,通过猫道施工各阶段的承重索标高进行严格控制[1-2]。不但如此,猫道作为悬索桥施工的高空作业脚手架,为主缆及上部结构的施工提供临时施工平台,其架设精度直接影响主缆施工的可操作性和安全性[3-4]。猫道线形既要满足索股牵引、挤紧、缠丝等作业的要求,又要满足机械(紧缆机、缠丝机)作业所需的工作净空要求。因此猫道线形分析,关系到上部结构能否正常施工,是猫道结构静力分析的前提和基础[5]。
在猫道施工过程中, 猫道承重索索力不断发生变化,且边跨索力与中跨索力的变化幅度不相同, 由此产生的索力差将对猫道结构、主塔产生一定不利影响,所以施工过程中猫道承重索索力计算分析十分必要[6]。
1工程概况
泸州长江二桥为地锚式双塔三跨双层公轨两用悬索桥,主跨576m、边跨216m。主缆横桥向中心距30.1m,标准吊索间距14.4m,主缆采用预制平行索股法(PPWS)施工。施工猫道采用无抗风缆、无制振体系的三跨分离式结构,由猫道承重索、门架承重索、扶手索、门架等组成空间整体结构共同受力。总体布置图如下:
图1 泸州二桥猫道布置图
2 猫道结构布置
考虑到分离式猫道中边跨独立受力、标高控制较精准等优点,泸州长江二桥采用分离式猫道,塔顶采用锚板和高强螺栓进行压紧,猫道标准断面如图2。
图2 猫道断面图
猫道的材料由下至上主要有:承重索、横梁、方木、承重网、横向通道、门架、门架承重索,明细表见表1。
表1 猫道材料统计表
荷载 | 重量 | 布置间距 |
面层 | 257.8N/m | 直径5mm、网眼50mm×50mm的承重网 直径1mm、网眼25mm×25mm的细面网 |
方木 | 55.54N/m | 40mm×50mm×1400mm |
小横梁 | 148.69N/处 | 钢管48×3.5×3950mm |
大横梁 | 394.95N/处 | 方钢80×4×4220mm |
侧网 | 109.96N/m | 直径5mm、网眼100mm×70mm面网 |
门架及门架横梁 | 5142N/处 | 间隔48m设置一个 |
横向通道 | 17.11KN/m | 边跨1/2,中跨1/4、1/2、3/4设置 |
猫道承重索 | 9.63kg/m(单根) | 6根(6×36WS-IWR-1960Mpa)φ48mm钢丝绳 |
其他 | 291N/m | 螺栓、拖轮、设备、扶手立柱等 |
3 猫道空缆线形分析
根据设计施工图中的空缆线形,并结合施工经验,确定猫道成桥时的恒载线型位置。利用有限元分析软件midas civil,以索单元模拟猫道承重索、门架承重索、扶手索,梁单元模拟横梁,其余恒载等效为节点荷载加载到索单元对应的节点位置。根据目标线型,利用悬索桥分析控制进行迭代求解,找结构的最佳初始平衡状态。
图3 猫道分析模型
为验证模型所求平衡态的实际效果,利用施工阶段分析控制数据,采用独立模型进行几何非线形分析,用平衡节点内力表格中的内力去平衡单元内力。运行分析后可求得猫道承重索在恒载状态与目标线形差异如图4。
图4 平衡态线形
中跨跨中差异2mm,边跨跨中差异1mm,在工程运用中完全满足精度要求。
根据以上的猫道成桥模型,拆除猫道承重索自重以外的其余恒载,即可得到猫道空缆线性,倒拆后的空缆竖向变形如图5。
图5 承重索空缆线形
猫道承重索跨中回弹量,即本桥猫道施工的预抬量。同时,在midas civil模型中可直接提取无应力索长为:西岸边跨228.412m、中跨587.652m、东岸边跨228.013m。
4验证有限元软件
有限元软件分析结果的精确性,与模型的边界模拟、荷载的施加、材料截面的参数取值等因素均有密切关联。为验证计算结果,结合《路桥施工计算手册》进行手算,计算时将所有恒载等效为均布荷载[7],施工过程中现场实测数据信息,将实测值与计算值对比如表2。
表2 数据对比
位置 | 项目 | 实测 | 软件 | 手算 | ||
西边跨 | 无应力索长(m) | 228.412 | 228.412 | / | 229.262 | 0.372% |
回弹量(mm) | 870 | 883 | 1.49% | 759 | 12.76% | |
中跨 | 无应力索长(m) | 587.652 | 587.652 | / | 587.857 | 0.035% |
回弹量(mm) | 730 | 735 | 0.68% | 724 | 0.82% | |
东边跨 | 无应力索长(m) | 228.013 | 228.013 | / | 228.869 | 0.375% |
回弹量(mm) | 862 | 869 | 0.81% | 735 | 14.77% |
综上,针对无应力索长,软件和手算的结果几乎无差异,以软件结果数据控制现场下料长度施工。现场实测回弹量与有限元软件计算结果更为接近,由此可知软件计算结果精度明显高于手算结果。
5猫道承重索强度验算
主缆丝股重量、牵引索、施工人群荷载按照活载考虑。由于本项目尚未进行风洞试验,猫道结构风载静三
分力系数[8]参考阳逻长江大桥施工猫道进行取值。温度荷载按照降温15°考虑。根据规范[9]需验算表3内容,具体结果如表4。
表3 验算结果
项目 | 荷载组合 | 安全系数 | 备注 | |
静力结构 强度验算 | 工况一 | 恒载 | ≥3.2 | |
工况二 | 恒载+施工荷载 | ≥2.7 | ||
工况三 | 恒载+施工荷载+温度荷载 | ≥2.7 | 降温15℃。 | |
风荷载组合结构强度验算 | 工况四 | 恒载+施工荷载+施工阶段风荷载 | ≥2.7 | 6级风荷载,0°攻角 |
工况五 | 恒载+施工荷载+施工阶段风荷载 | ≥2.7 | 6级风荷载,10°攻角 | |
工况六 | 恒载+最大阵风荷载 | ≥2.5 | 0°攻角。 | |
工况七 | 恒载+最大阵风荷载 | ≥2.5 | 10°攻角。 |
表4 承重索最大/最小拉力验算
项目 | 最小张力(KN) | 最大张力(KN) | 最小破断力(KN) | 安全系数 |
工况一 | 1285 | 1460 | 9660 | 6.62 |
工况二 | 2046 | 2765 | 9660 | 3.49 |
工况三 | 2049 | 2793 | 9660 | 3.46 |
工况四 | 2046 | 2764 | 9660 | 3.49 |
工况五 | 1990 | 2707 | 9660 | 3.57 |
工况六 | 1947 | 2168 | 9660 | 4.46 |
工况七 | 1751 | 1915 | 9660 | 5.04 |
6结语
通过对泸州长江二桥猫道架设采取midas civil电算和《路桥施工计算手册》手算两种方法,与现场实测值对比,得出以下结论:
(1)发现电算数据精度明显高于手算结果,能作为施工控制数据,为同类悬索桥猫道的施工控制提供借鉴。
(2)基于软件计算结果,对承重索进行强度验算,猫道架设过程中,证明计算结果具有可靠性、安全性,为同类悬索桥猫道的施工控制提供借鉴。
参考文献:
[1]赖小斌,寒冷地区单塔双跨自锚式悬索桥主缆架设施工技术[J].铁道建筑技术,2013(9),1-4.
[2]谷雨,中小跨径悬索桥设计与施工[J].铁道建筑技术2012(9),57-60.
[3]李飞,余流,高璞. 悬索桥分离式猫道结构设计与分析[J]施工技术,2015,44(5):79-81.
[4]宾熊,屈加林,曾杰.驸马长江大桥猫道设计与施工技术[B] 北京:《公路》杂志社有限公司,1956.
[5]白晓宏,李俊霖. 重庆万州新田长江大桥猫道线形分析[B] 北京:《公路》杂志社有限公司,1956.
[6]刘长辉.棋盘洲长江大桥猫道施工控制技术研究[J].铁道建筑技术,2020(08):94-97+132.
[7]路桥施工计算手册[M].人民交通出版社, 周水兴等编著, 2001
[8]JTG/T D3360-01-2018公路桥梁抗风设计规范[S],北京:人民交通出版社股份有限公司,2019.
[9]JTGT 3650-2020公路桥涵施工技术规范[S],北京:人民交通出版,2011.