苏通长江公路大桥主桥施工控制 结构计算非线性分析报告

苏通长江公路大桥主桥施工控制

结构计算非线性分析报告

                                                                中港第二航务工程局

                                                                西 南 交 通 大 学

                                                                二○○六年三月

前 言

    苏通长江公路大桥主桥为主跨1088m 的超大跨度双塔斜拉桥，根据中港第二航务工程局与西南交通大学2005 年3 月签订的《苏通长江大桥主桥施工控制及相关技术研究》技术服务合同书，主要进行主桥斜拉桥施工控制及相关技术研究。

    本报告为“苏通长江公路大桥主桥施工控制计算主要结果”，按照设计阶段的《苏通长江公路大桥跨江大桥工程施工图设计（2004 年06 月）》及施工阶段的相关图纸资料对主桥桥梁结构内力和位移进行总体静力非线性计算，根据中港第二航务工程局制定的桥梁施工方案，进行桥梁施工控制的全过程模拟计算，包括结构从施工过程到成桥阶段的内力、变形、索力等。

    由于苏通长江公路大桥主桥索塔混凝土材料的试验数据已经完成，故本次计算中主塔塔柱50 号混凝土的弹性模量取为试验统计值4.56×104MPa，剪切模量也相应取为1.97×104MPa。

    按照空间模型计算方案采用ANSYS计算软件对苏通长江公路大桥施工过程的非线性行为进行了大量的数值分析，得出了该桥施工方案关于主桥结构总体静力非线性计算的主要结论，即：

    苏通长江公路大桥施工方案的主桥结构的刚度、强度在施工全过程以及成桥阶段都是满足要求的。

第 1 章 结构概况与基本参数

1.1 结构概况

苏通长江公路大桥位于长江下游，临近长江入海口，是目前世界上拟建的最大跨度双塔双索面斜拉桥，主桥跨径为1088m。大桥桥位区江面宽约6km，大桥全长8206m。主桥钢箱梁共分为17种类型（A～O）、141个梁段，节段标准长度16m、边跨尾索区节段标准长度12m。标准梁段最大起吊重量约450t；钢箱梁全宽41m。塔柱采用倒Y形结构，分为下塔肢、中塔肢、上塔肢和横梁四部份。其中中、下塔肢为钢筋混凝土结构，上塔肢为钢锚箱－混凝土组合结构。钢锚箱分为A、B、C三种类型，共30节。索塔高300.4m。斜拉索为Φ7平行钢丝体系，全桥共34×8=272根斜拉索。主桥结构布置如图 1-1所示，主梁截面如图 1-2所示，主塔结构形式如图 1-3所示。

                        图 1-1 苏通长江公路大桥主桥结构布置图

                                     图 1-2 苏通长江公路大桥主梁截面图

1.2 计算依据与规范

1) 苏通长江公路大桥跨江大桥工程施工图设计相关图纸资料（2004年06月～

2006年1月）；

2) 《公路桥涵设计规范（合订本）》；

3) 《钢结构设计规范GBJ17-88》；

4) 《铁路桥涵设计基本规范TB10002.1-99》；

5) 《铁路桥梁钢结构设计规范TB10002.2-99》；

6) 《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范TB10002.3-99》；

7) 《公路斜拉桥设计规范（试行）JTJ027-96》；

8) 《公路工程技术标准（JTG B01-2003）》。

                                     图 1-3 苏通长江公路大桥主塔结构示意图

1.3 计算模型的边界条件

本桥在建立计算模型时，处理边界条件所采用的主要参数如表1.1～表1.5。

表 1.1 边界约束情况

注：1、自由度说明：x 为顺桥向线位移，y为横桥向线位移，z 为竖向线位移;rot-x为x向角位

移，rot-y为y向角位移；rot-z 为z 向角位移；

2、E 表示弹性约束。

表 1.2 边跨及墩旁临时支架的支点支撑刚度（单位：kN、m、rad）

注：1、自由度说明：x 为顺桥向线位移，y 为横桥向线位移，z 为竖向线位移，rot-x 为x 向角

位移，rot-y为y向角位移；rot-z 为z 向角位移；

2、此为南通侧墩旁临时支架的支点支撑刚度，苏州侧与此对称；

3、距1＃墩中心距离单位为m。

表 1.3 墩底桩基等效刚度系数（单位：kN、m、rad）

注：自由度说明，x 为顺桥向线位移，y为横桥向线位移，z 为竖向线位移，rot-x为x向角位移，

rot-y为y向角位移；rot-z 为z向角位移；

1.4 材料特性

在进行整体分析时采用了以下5种材料，其材料特性见表1.6。

表 1.6 材料特性表

1.6 计算荷载

（1）结构自重

钢箱梁主梁的重量及吊机装置在施工过程中的支点反力见表 1.11。

表 1.11 钢箱梁重量及吊机起吊支反力 (kN)

（3）斜拉索索力

斜拉索安装时的一张、二张索力采用考虑施工条件及按成桥内力较小原则调整

后的数值，其值见表 1.13，表中为单索面斜拉索索力。

表 1.13 斜拉索一张、二张索力值（kN）

1.7 施工阶段划分

苏通长江公路大桥主桥施工控制结构计算的非线性分析按施工流程划分255个

施工阶段，见表 1.15；边跨大块梁段施工时的分段、各墩旁临时支架支撑点设置及

编号见《边跨大块梁段施工及合龙方案》，支撑点设置的具体位置见本报告第2 章

第2.2节的支架示意图；表中所述为南通侧的施工安排，苏州侧与此相同。

表 1.15 施工阶段简述

第 2 章 空间结构非线性计算分析

2.1 计算模型

本章按有限位移理论，采用大型通用有限元分析软件——ANSYS 进行全桥空

间结构非线性分析，主要考虑的非线性因素有：斜拉索垂度、大位移和P－△效应。

在建立空间模型时，主要作了下列处理：

1) 用“鱼刺梁”模拟主梁，主梁采用beam44模拟；

2) 主塔采用beam44模拟；

3) 斜拉索采用link8模拟，本章采用单根斜拉索用多链杆单元模拟的方法来考

虑索的垂度非线性影响，按最大长度100m的尺度划分斜拉索单元；

4) 斜拉索与主梁之间的连接采用“鱼刺”与主梁连接，“鱼刺”用刚度很大（相

对于主梁刚度）的beam4梁单元模拟；

5) 辅助墩及过渡墩采用beam44模拟；

6) 辅助墩、过渡墩、主塔及临时墩旁的临时支架对钢箱梁的支撑作用以弹簧

单元等效模拟，采用与实际结构布置相同的支撑点数、相同的支撑位置、

相同的支撑约束方向及约束，并采用临时结构局部模型空间分析计算确定

的等效弹性支承刚度；一旦该支点出现拉力，则立即拆除该支点的弹性支

撑作用；

7) 塔、墩底部的桩基础采用弹簧单元约束的方法模拟，相应弹簧单元模拟的

弹性约束刚度见表1.2和表1.3；

8) 建立空间模型时所采用的整体坐标系为：顺桥向为Z 轴方向，其正向指向

北岸（南通）；横桥向为X轴方向，其正向为逆流方向；竖向为Y轴方向，

向上为正，坐标原点位于主桥跨中中轴线零标高处，见图2-1；

9) 塔梁临时固结纵桥向由两点联结，纵桥向两点距离与实际支承情况相同；

苏通长江公路大桥主桥斜拉桥非线性分析的结构离散见图 2-1。

                                            （a）立面图

                                                （b）正面图

                                                （c）俯视图

                                        （d）轴测图

2.2 支架示意图

过渡墩、辅助墩、主塔及临时墩旁的临时支架的支撑点以弹簧单元等效模拟，

采用与实际结构布置相同的支撑点数、相同的支撑位置、相同的支撑约束方向及约

束，并采用临时结构局部模型空间分析计算确定的等效弹性支承刚度。主桥1号墩～

4号墩及1#临时墩支架的支撑点示意图如图 2-2～图 28所示，主桥5号墩～8号墩

及2#临时墩支架的支撑点与此相同，呈对称性布置。

                                           图 2-2 整体结构支架示意图

2.3 边跨合龙示意图

(1) 边跨梁段在NA11 梁段江心侧预留8m 合龙段，并向岸侧预偏20cm, 悬臂端二

次张拉至标高后，起吊8m长合龙段，与悬臂梁段A10焊接，如图2-9所示。

                                   图2-9 边跨8m合龙段起吊示意图

2.5 部分施工阶段计算结果图

主桥边跨大块梁段主要施工阶段的主梁内力图分别如图2-13～图2-29 所示，

主桥主要施工阶段的索塔、主梁内力图及应力图分别如图2-30～图2-59所示。

2.5.1 大块梁段主要施工阶段内力图

                                      图2-13 阶段12竖向弯矩图

                                            图2-14 阶段15竖向弯矩图

                                  图2-15 阶段17竖向弯矩图

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