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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流蒲山系杆拱桥吊杆张拉力的空间计算分析.精品文档.蒲山系杆拱桥吊杆张拉力的空间计算分析 第5卷第2期 2008年4月铁道科学与工程学报JOURNALOFRAILWAYSCIENCEANDENGINEERINGVol15No12Apr.2008 陈淮,吴红升,唐军 (郑州大学土木工程学院,河南郑州450001) 摘要:以蒲山大桥为工程实例,采用有限元软件MIDAS/Civil建立了该下承式钢管混凝土拱桥的空间有限元计算模型,考虑拱桥吊杆在空间上的相互影响,给出了根据吊杆的张拉顺序利用逆序法计算拱桥吊杆第1次张拉时的初始张拉力,用影响矩阵法计算拱桥
2、吊杆第2次、第3次张拉时的张拉力计算方法,得出了拱桥吊杆的初始张拉力按此结果进行吊杆张拉施工,吊杆内力整体上符合设计要求,。关键词:钢管混凝土拱桥;有限元法;吊杆;张拉力 中图分类号:U448.22+5 文献标识码:A -(02-oftensileforceforthe CFSTthrougharchbridge CHENHuai,WUHong2sheng,TANGJun (SchoolofCivilEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China) Abstract:ThefiniteelementprogramMIDAS/Civil
3、wasusedtoestablishthespatialfiniteelementcalculatingmodelsofthePushanCFST(concretefilledsteeltube)througharchbridgerespectively.Interactiveeffectofsuspendersofthearchbridgeinspacewasconsidered.Accordingtothestretchingsequenceofsuspenders,thenegativesequencemethodwasintroducedtocalculateinitialtensil
4、eforcewhilestretchingsuspendersofthebridgeforthefirsttime.Andtheeffectmatrixmethodwasintroducedtotheprocessofcalculatinginitialtensileforceforthesecondandthethirdtimes,initialtensileforceofsuspendersofthearchbridgewasfiguredout.Thetensionconstructionofsuspenderswasdoneinaccordingtothecalculatingresu
5、lts,theinternalforceofsuspenderswasdoneinaccordwiththedesignre2quirements.Thecalculatingresultscanbeusedtoguideconstructionofsuspenderstretchinginthisarchbridge.Themethodpresentedisfeasible,andcanofferreferencetotheconstructionofsimilarbridges. Keywords:CFSTarchbridge;finiteelementmethod;suspender;t
6、ensileforce 蒲山大桥是由3片拱肋组成的下承式钢管混 凝土拱桥,全长225m,计算跨径为219m,桥宽为 38.8m,拱肋轴线为二次抛物线,矢高为43.92m, 矢跨比为1/5,边拱肋由4根钢管组成,中拱肋由6 根钢管组成,每片拱肋的钢管和钢管之间通过厚为 2cm的钢板和450mm10mm的钢管连接而成, 边拱肋和中拱肋通过风撑组成整体结构,桥面系由 3片箱型系杆梁、2片箱型端横梁以及25片“T”型 收稿日期 :2007-12-10中横梁组成,拱桥吊杆为每排4根(中间拱肋2根,边拱肋各1根),每边25根,共100根吊杆;拱肋、风撑、吊杆、桥面系组成了拱桥的整体空间结构。该桥梁受力复杂
7、,空间效应明显,施工程序多,施工工艺要求较高。在该类型拱桥施工中,吊杆力的调整是非常重要的1。按照蒲山大桥的设计要求,该拱桥吊杆分3次张拉,每次张拉都会伴随着拱桥的变形、系杆 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50748028);河南省自然科学基金资助项目(072300440160) 作者简介:陈淮(1962-),男,河南淮阳人,教授,博士,从事桥梁结构分析工作 ? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 13 梁以及拱肋的内力重分布,而后期吊杆的张拉力又会对先期施工
8、的吊杆内力产生影响,使得拱桥在吊杆张拉完毕后达不到预期的理想状态2-3;另外,吊杆张力的调整也很复杂,施工困难,影响施工的进度,所以,确定拱桥施工中吊杆的张拉控制力非常重要。在确定拱桥吊杆张拉力时, 若采用平面计算模型,不考虑各片拱肋吊杆之间的相互作用,则计算结果不精确,因此,需要采用空间计算模型,计算得到吊杆张拉控制力,使拱桥在施工完毕后,吊杆内力满足设计要求,拱桥达到理想的状态,实现桥梁设计意图。 面相同而长度不同)对拱桥吊杆系张力的分配会有影响4,故需要对有限元计算模型中的吊杆抗拉强度进行修正。假定结构受力后计算模型中吊杆长度的变化量等于实际的吊杆长度变化量,并令计算模型中的吊杆计算内力
9、和面积等于实际拱桥中的吊杆内力和面积,则有 l= E模型A模型E实际A实际 (1)(2) P模型=P实际,A模型=A实际。 式中:P为吊杆张拉力;A为吊杆面积;E为吊杆弹性模量。E。l实际实际 (3) 1有限元计算模型 1.1,再输入到桥梁计算程序中。1.3只受压单元模拟支架 使用MI 限元计算模型,单元模拟, 桥面板按照刚度等效的原则使用板单元模拟,吊杆采用桁架单元模拟,支架采用只受压单元模拟,在模拟只受压单元支架时,按照桥梁施工步骤进行单元的钝化和激活,以模拟支架的影响。蒲山大桥的空间有限元计算模型如图1和图2所示。 在系杆梁底部设置了只受压杆单元模拟支架,按照刚度等效的原则模拟实际系杆梁
10、底部支承,当支承与系杆梁之间的距离=0时,支承参与结构受力,当>0时,支承不参与结构的受力,这样建立的计算模型与实际结构受力有很好的相似性,计算结果也与实际受力情况相符。 2采用逆序法计算吊杆第1次张拉 计算控制力 根据桥梁设计图纸上给出的吊杆张拉次序,按照反序依次剪断各对吊杆(在程序中可令吊杆的弹 图1有支架计算模型 Fig.1Modeloftrestleconstruction 性模量为0),每剪断1次吊杆作为1个计算模型进行桥梁内力计算,下一次将被剪断吊杆内力作为所求的按照桥梁正常顺序施工时应当施加的吊杆初拉力,采用逆序模拟桥梁施工的方法获得了桥梁正序施工时的吊杆张拉力控制数据,同
11、时考虑了拱桥空间结构相互影响的效应。 蒲山大桥的吊杆张拉顺序如图3所示。因桥梁设计图纸上没有给出同一排4根吊杆的先后张拉顺序,本文采用同一排吊杆由边到中(首先边拱肋2根吊杆同时张拉,然后中拱肋2根吊杆同时张拉) 图2无支架计算模型 Fig.2Modelwithouttrestleconstruction 1.2吊杆抗拉刚度的修正 在实际桥梁中,吊杆的长度近似等于从拱顶到系杆梁底部的长度,而在建立空间有限元计算模型时,吊杆的长度是从拱肋钢管中心到系杆梁中心的 距离,比实际桥梁吊杆长度短,吊杆刚度的差异(截 和由中到边(首先中拱肋2根吊杆同时张拉,然后边拱肋2根吊杆同时张拉) 的张拉顺序进行计算分
12、析,此时,系杆梁底部有支架支承,采用MIDAS/Civil程序计算得到的第1次吊杆张拉控制 ? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 14 铁道科学与工程学报2008年4月 力结果如表1和表2所示。从表1和表2可以看出,同一排吊杆的张拉顺序是由边到中时,边吊杆的张拉控制力比由中到边时的大,而中吊杆的张拉控制力比由中到边时的小,但差距不是十分明显,初步分析认为2种张拉吊杆的方法都是可行的方案,当然,实际桥梁施工具体采用哪一种吊杆张拉方案,还需要考虑系杆梁和拱肋的整体受力
13、性能来确定。此外,吊杆的张拉控制力并不是沿跨中对称,虽然结构对称,然而,边界条件并不对称,吊杆在空间受力上的相互影响,致使吊杆张拉控制力沿跨中呈不对称分布,在计算吊杆张拉控制力时, 如果只考虑单片拱肋吊杆,忽略拱桥吊杆在空间的相互影响效应5,会产生一定的计算误差。 表2第1次张拉中边吊杆张拉控制力 Table2The1ststretchingcontrolforceofmiddlesuspenders 单位:kN 吊杆编号 1 2345678910111516171819202122232425 由边到中 18961486112317189331360234917598491103177413
14、2011028521761233513469321645108114271833 由中到边 190615091166181696413972417178191317827281919137311779161783238713839631734112514481842 差值 -10-23-43-98-31-37-68-22-64-75-52-144-290-145-53-75-64-22-52-37-31-89-44-21-9 图3吊杆张拉顺序图 Fig.3Orderofsuspenderstensing 表1第1次张拉时边吊杆张拉控制力 Table1The1ststretchingcontro
15、lforceofsidesuspenders 单位:kN 吊杆编号 123456789101112131415161718192021222324由边到中 100711901094153711271561238719571130140216452071269520671643140211321939233515421115148710741164由中到边 99211401038135110951506221518791071133715561826239118221554133710721860216714861079130210081102差值 15505618632551727859658
16、924530424589656079168563618566623采用影响矩阵法计算吊杆第2次 和第3次张拉控制力 影响矩阵法是以每根吊杆的张拉控制力为基本未知值,给吊杆施加单位力,利用桥梁有限元计算模型求出在单位力作用下吊杆内力矩阵,建立典型方程,然后通过求解线性方程得到每根吊杆的张拉控制力,从而使最终吊杆的张拉力达到规定的设计值;同时,运用影响矩阵调节吊杆成桥时的拉力,以期使桥梁达到理想的受力状态,与设计值相吻合。 若结构满足线性叠加原理,则有6-7: P0+AT=P。 (4) 式中:P0为前一次张拉后各吊杆的内力矩阵,第1次吊杆张拉时为0;A为影响矩阵;T为各吊杆需施加的荷载,该荷载与各
17、吊杆在张拉前已有的内力之和即为张拉控制值;P为设计要求的各吊杆内力。 蒲山大桥在吊杆第2次、第3次张拉时,系杆梁的支架已经拆除 ,有限元空间计算模型如图2所示,这时所有吊杆已经张紧,张拉任何1根吊杆都会对其他吊杆产生影响,所以,需要考虑吊杆的空 ? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 表4第3次张拉时吊杆张拉控制力 15 间影响效应,给每根吊杆施加单位力,计算出影响矩阵,然后,用MATLAB计算软件进行处理,所得计 算结果如表3和表4所示。表中各吊杆的张拉控制力等于
18、前1次吊杆张拉后吊杆内力与本次各吊杆需施加的张拉荷载之和,本次吊杆张拉所施加的荷载并不等于本次的吊杆张拉控制值与上次吊杆张拉控制值之差。计算结果表明,在拱桥施工中可以采用影响矩阵法确定出吊杆的调整张拉力,避免了为使吊杆受力合理需反复调整吊杆力的复杂过程,节省施工时间和成本,使拱桥达到成桥时的理想受力状态,符合设计要求。 为了验证采用MIDAS/Civil软件计算得出结果的可靠性,采用ANSYS软件建立蒲山大桥的空间有限元计算模型,在ANSYS程序中,用降温法来实现,会发生变形,行修正:S计算模型中的吊杆,代之以等效的单位力荷载,计算出此时的吊杆的应变,然后修正温度9。从表3和表4可以看出,MI
19、DAS/Civil和ANSYS程序计算得出的吊杆张拉控制力非常接近,最大差值为157kN,占此吊杆张拉控制力的7%,最小差值为2kN,占此吊杆张拉控制力0.05%, 8 Table3The3rdstretchingcontrolforceofsuspenders 单位:kN 吊杆编号 123456789131415161718192021222324边吊杆 MIDAS2111111111111111111111094990912880867868870865846851860864867864869868866879911988ANSYS2211111111111111111121050269
20、62931907899892847841846858868874879894900908932963027中吊杆 差值 11365051403122-4-5-4-5-24715253242535239MIDAS2222222222222222222222953445219122094076101119129106130129129106129133120102077096124221447ANSYS222222222222222222222222981541336241207178193202206194167188185187167195207204195180208241335540差值
21、28961171191131029283746561585658616674849310311211711493这说明了采用有限元软件MIDAS/Civil计算得到的吊杆张拉力结果的可靠性。 表3第2次张拉时吊杆张拉控制力 Table3The2ndstretchingcontrolforceofsuspenders 单位:kN 吊杆编号 1 23456789101112131415161718192021222324MIDAS1222222222222222222222229100210791201591831962082132132122052002042122142132081971841
22、601210800214按正装分析法将计算结果代入模 边吊杆 ANSYS1 22222222222222222222222935095180226248256257252246240231221217221232242248255258258249227181096中吊杆 差值 2574101106897361443327191617172028354761748910610175MIDAS222222222222222222222222503287214182185121150176196212189212211211188211196176150121185182214287ANSYS22
23、2222222222222222222222537413371336320235246258266270240258255256239270266260248236321336370412型分析 差值 3412615715413511496827058514644455159708498115136154156125按照蒲山大桥的正装施工顺序建立有限元计算模型,并将表1 4中数据代入计算模型,进行正装分析,蒲山大桥第3次吊杆张拉后的吊杆内力计算结果如表5所示。可以看出,吊杆内力整体上符合要求,验证了按照逆序法和影响矩阵法计算吊杆张拉控制力是可行的,其中只有极少数的吊杆内力偏差稍大。这是由于倒装
24、计算法和正装计算法存在一定的闭合误差,倒装计算在考虑结构施工时差效应的影响比较困难10,所以,将倒装计算出的吊杆控制力代入正装计算模型中,结果不会完全闭合;该桥在3次张拉吊杆期间伴随着较多的施工工序(系杆梁部分预应力筋的分批张拉、桥面板的铺装、桥面铺装等施工工序),也会有一定的累计误差。当然,理论计算和实际施工也会存在一定的差别。在桥梁实际施工中,可以根据施工现场的情况,进行正装和倒装的反复交替计算,直至计算结 ? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 16 铁道科学
25、与工程学报2008年4 月 果在误差允许的范围内闭合为止。 表5第3次张拉后吊杆内力 Table5Theinternalforceofsuspendersafterthe3rdtension 2虞建成,邵容光.确定P.C系杆拱桥吊杆初始张拉力方 法及施工控制J.公路,1998(9):23-26. YUJian2cheng,SHAORong2guang.DetermineP.CPrelimi2narytensionandconstructioncontroloftiedarchssuspensionrodJ.Highway,1998(9):23-26. 3虞建成,邵容光,王小林.系杆拱桥吊杆初始
26、张拉力及 差值/% -3 -9-810-11-1022-6-12-18-7-8-10-12-620-10-106-8-8单位:kN 吊杆编号 123456789101112131415161718192021222324边吊杆 设计计算值 211111111111111111111111018814663589555543535527529524519507498505517522528526534541553587661812中吊杆 差值/% -3-6-55-891916-17910314-12-12192310-66-4-4正装法计算值 11111111111111111111111961
27、714581666435689832773274658670517345348814883702453690592734设计计算值 22111111111111111111112809126794641574535541555566565573572547566568557543537576643797130正装法计算值 2111111111111111111111714940649805407380873458373392408461419403382462858376416741647954施工控制J.东南大学学报,1998,28(3):112-116. YUJian2cheng,SHAO
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30、hodofcomputationM.Beijing:ChinaCommunicationsPress,2003. 7肖汝诚,项海帆.斜拉桥索力优化及其工程应用J.计 5结语 1)采用MIDAS/Civil有限元软件建立了蒲山大 算力学学报,1998,15(1):118-126. XIAORu2cheng,XIANGHai2fan.Optimizationmethodofcableprestressesofcable-stayedbridgeanditsengineeringapplicationJ.ChineseJournalofComputationMechanics,1998,15(1):
31、118-126. 8刘亚平.钢筋混凝土系杆拱桥吊杆张拉计算及控制的 桥的空间有限元计算模型,验证了本文给出的采用 逆序法计算吊杆第1次张拉控制力,采用影响矩阵法计算吊杆第2次、第3次张拉控制力的计算方法用来计算中、下承式拱桥吊杆初张力是可行的。 2)从计算结果可以看出,在蒲山大桥吊杆张拉控制力计算时应考虑桥梁的空间效应影响,影响矩阵法适用于计算吊杆张力,效果较好,而且也较为方便。参考文献: 1李新平,钟键聪.空间系杆拱桥吊杆张拉控制分析J. 研究J.中国港湾建设,2002,(4):5-8. LIUYa2ping.Calculationandcontroloftensionsinsus2pend
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