斜拉桥施工索力方法探析

房晟

摘要

为了保证建成后桥梁的合理索力和线形，需要明确各施工阶段主梁的合理索力和预拱度，以实现合理施工。因此，采用有限元软件将结构离散为杆系结构进行施工控制理论轨迹计算。计算过程中，考虑到徐变、非线性、温度、临时荷载、风荷载、地基沉降等因素的影响，尽可能地模拟现场实际情况。通过施工控制理论轨迹计算，可以得到理论上的施工过程结构应力、变形、施工过程塔身和主梁稳定性、施工过程斜拉索力、施工过程临时固结反力、施工过程塔身应力，并与相应的规范值进行对比，看是否符合要求。故而本文对斜拉桥施工索力方法进行分析，以保障工程质量。

关键词：斜拉桥；斜拉桥索；施工索力

引言

斜拉桥是一种体外预应力结构，其主要优点是在恒定荷载下，斜拉桥不仅提供弹性支撑，而且通过顶升主动施加初始张力平衡外力，同时给予主梁初始支撑和轴向力，达到受力平衡，避免了对主梁的不必要破坏。斜拉桥的主要架梁施工方法有：顶升法、支架组装法、支架现浇法、悬臂组装法、悬臂浇筑法等。 前三项适用于小跨径斜拉桥，后两项适用于大跨度斜拉桥。本文对此进行比较分析。

一、倒拆迭代法

（一）倒拆迭代法概述

倒拆迭代法的基本原理是，在初始时刻，主梁和桥塔的应力和位移满足要求，那么此时的斜拉桥就是一个合理的状态，我们将此状态作为初始状态，此时可以确定此状态下斜拉桥的主梁的弯矩、标高和索力，根据实际施工步骤，进行实际施工倒置操作。将全桥分为几个施工 施工阶段进行拆除，按照拆除过程中不同结构拆除之后造成的桥梁结构变化情况，优化施工的工艺，以确保施工中拆除部分结构之后判定桥梁结构稳定性的情况，当拆除之后不影响，则满足要求。

（二）倒拆迭代法的特点

该方法所确定的拉索初张力和施工预拱度往往是不真实的，实际工程中往往内力不闭合，无法用于设计和施工。其原因有以下几点：其一，由于倒拆法违背了真正的时间线，在计算结构的受力和变形时忽略时间的影响， 混凝土的收缩徐变难以考虑，受时效影响较大的结构需要反复迭代计算。其二，桥梁结构的体系转换以及受力变形，都会使斜拉索产生附加内力，但是倒拆的方法不能评估附加应力问题。其三，在非线性影响中，结构唯一和大跨度斜拉桥种类影响程度较高。其四，倒拆结构体系难以与实际施工状态完全可逆。

二、倒拆—正装迭代法

（一）倒拆—正装迭代法概述

倒拆—正装迭代法是在第一轮倒拆—正装计算得到控制参数的基础上，考虑几何非线性和混凝土收缩、徐变进行后续的几轮迭代计算，直到精度满足要求。这种方法也被称为前进倒退交互迭代法。首先对结构进行反向拆解，得到结构在不同施工中有着可是的参数，比如位移和内力等。然后在计算前向荷载时考虑结构收缩和徐变等非线性因素的影响，再通过后向拆解分析建成桥梁的内力，经过反向拆解和正装的多次迭代，直到两者之差收敛，满足精度要求。如果使用倒拆的方法需要的计算量大，复杂程度高，操作更难。一般需要更加精细的方法提高结果的精确度，例如，可以将浇筑或分期浇筑过程中的每个阶段甚至每个构件进行分解，如混凝土斜拉桥各梁段的分层浇筑、叠合梁不同材料的施工阶段等； 在浇筑分析过程中可以利用悬链线理论考虑斜拉桥索垂度的影响，实现对索力调整的几何非线性计算。

（二）倒拆—正装迭代法特点

使用了表观模量的手段，对几何非线性问题的处理更加理想。首先建立了斜拉桥有限元模型，然后采用增量迭代法对斜拉索索力和位移进行分析求解。 在二次迭代中，对索单元模拟的拉索弹性模量进行修正以获得等效刚度，并考虑了索垂度对结构的几何非线性影响。在倒拆方法，混凝土的收缩和徐变与构件历史状态相关，不能予以考虑。 因此， 本文提出了正拆迭代法和倒拆迭代法两种改进算法：前者通过对传统倒装法进行优化处理来实现；后者则利用反分析方法得到最优解。 正装迭代法的第二次迭代是以第一次迭代的负荷计算历史记录为基础，第一次迭代忽略了收缩徐变的影响，然后逐次计算极限的影响，结果收敛，满足要求。

考虑到收缩徐变徐变几何非线性非线性的影响，该方法在闭合性方面有了一定发散现象改进，但理论与实践仍有差异。 同时，该方法计算量大，应用不快捷。造成不闭合的因素有如下几种：受到正装计算以及倒拆计算的影响；受到预应力以及材料收缩等造成的不闭合问题；拉索的垂度和结构位移等的非线性的不闭合问题。

三、正装迭代法

采用迭代法确定合理施工状态的索力的基本原理是随机拟定一套斜拉桥的索力初始张力，能够精确的得出不同主梁段中的重量在索力方向上的竖向分量大小，然后按照正装计算得出完整的索力，这套索力与预定的合理桥梁状态相符 然后再开始计算。通过这样的反复计算，直到最后的索力和预定的合理索力满足设计要求。对于混凝土斜拉桥，在计算荷载时可以考虑到混凝土的收缩和徐变，以及施工过程中外部环境和人为干扰等各种因素对索力的影响。桥梁的施工将在尽可能高的索力下进行。迭代法是利用假设的初始拉力来计算形式荷载，得到初始桥梁状态，将计算出的桥梁状态与设计的桥梁状态进行对比，修正初始拉力，然后反复进行形式荷载迭代，最终满足精度值。

四、无应力状态法

在分析无应力状态中的施工和成桥目标关系的控制中需要通过无应力状态量实现。无应力长度指的是在轴向力作用下的单位形变在轴向力摘除之后会恢复到原有形状和位置，此时的单位长度数值就是无应力长度。

（一）无应力状态法原理一

在特定载荷、支撑边界条件以及无应力长度等参数得到的结构内力以及结构的位移和形成过程并没有关系，属于独特类型。原则一论述了结构的特征是由结构的固有量值决定的，更深刻地分析了结构的形成过程。这种方法是唯一的一种结构状态和施工中的手段以及施工方案都没有关系。因此， 无应力状态法的原理可以用来解决许多实际的工程问题，如斜拉桥中间施工过程中理想状态的确定、钢绞线的安装与吊挂、施工过程中的多工序同步作业等。

（二）无应力状态法原理二

在结构载荷、拉索张力等变化的情况下，结构的内力和结构的位移都会出现改变。通过人为调节的方法可以控制无应力长度，并且属于唯一的控制方法。如果载荷和支撑边界确定，那么单元的无应力长度作用只对单元轴向力有关。当拉索的索力值确定的的时候，也就确定斜拉桥中间施工阶段，当外荷载等参数变化之后，索力也会改变，但是载荷等条件不会影响斜拉索的无应力索。

结语

在施工阶段，需要进行索力优化，这与成桥阶段存在一致性，并没有将收缩徐变考虑在内，对于初始状态，需要经过复杂的程序进行确定；正装—倒拆迭代法存在一定优势，即有利于不闭合问题的解决，但是需要进行迭代运算，计算过程过于繁琐。正装法主要进行正算，没有应用倒拆，由于涉及到较多计算数据文件，因此能够实现数据输入的减少，降低了工作量。另外，将几何非线性考虑在内，应用该方法就能够很好的解决不封闭情况。

参考文献

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