蘇通長江公路大橋主橋施工控制

結構計算非線性分析報告

                                                                中港第二航務工程局

                                                                西 南 交 通 大 學

                                                                二○○六年三月

前 言

    蘇通長江公路大橋主橋為主跨1088m 的超大跨度雙塔斜拉橋，根據中港第二航務工程局與西南交通大學2005 年3 月簽訂的《蘇通長江大橋主橋施工控制及相關技術研究》技術服務合同書，主要進行主橋斜拉橋施工控制及相關技術研究。

    本報告為“蘇通長江公路大橋主橋施工控制計算主要結果”，按照設計階段的《蘇通長江公路大橋跨江大橋工程施工圖設計（2004 年06 月）》及施工階段的相關圖紙資料對主橋橋梁結構內力和位移進行總體靜力非線性計算，根據中港第二航務工程局制定的橋梁施工方案，進行橋梁施工控制的全過程模擬計算，包括結構從施工過程到成橋階段的內力、變形、索力等。

    由于蘇通長江公路大橋主橋索塔混凝土材料的試驗數據已經完成，故本次計算中主塔塔柱50 號混凝土的彈性模量取為試驗統計值4.56×104MPa，剪切模量也相應取為1.97×104MPa。

    按照空間模型計算方案采用ANSYS計算軟件對蘇通長江公路大橋施工過程的非線性行為進行了大量的數值分析，得出了該橋施工方案關于主橋結構總體靜力非線性計算的主要結論，即：

    蘇通長江公路大橋施工方案的主橋結構的剛度、強度在施工全過程以及成橋階段都是滿足要求的。

第 1 章 結構概況與基本參數

1.1 結構概況

蘇通長江公路大橋位于長江下游，臨近長江入海口，是目前世界上擬建的最大跨度雙塔雙索面斜拉橋，主橋跨徑為1088m。大橋橋位區江面寬約6km，大橋全長8206m。主橋鋼箱梁共分為17種類型（A～O）、141個梁段，節段標準長度16m、邊跨尾索區節段標準長度12m。標準梁段最大起吊重量約450t；鋼箱梁全寬41m。塔柱采用倒Y形結構，分為下塔肢、中塔肢、上塔肢和橫梁四部份。其中中、下塔肢為鋼筋混凝土結構，上塔肢為鋼錨箱－混凝土組合結構。鋼錨箱分為A、B、C三種類型，共30節。索塔高300.4m。斜拉索為Φ7平行鋼絲體系，全橋共34×8=272根斜拉索。主橋結構布置如圖 1-1所示，主梁截面如圖 1-2所示，主塔結構形式如圖 1-3所示。

                        圖 1-1 蘇通長江公路大橋主橋結構布置圖

                                     圖 1-2 蘇通長江公路大橋主梁截面圖

1.2 計算依據與規范

1) 蘇通長江公路大橋跨江大橋工程施工圖設計相關圖紙資料（2004年06月～

2006年1月）；

2) 《公路橋涵設計規范（合訂本）》；

3) 《鋼結構設計規范GBJ17-88》；

4) 《鐵路橋涵設計基本規范TB10002.1-99》；

5) 《鐵路橋梁鋼結構設計規范TB10002.2-99》；

6) 《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范TB10002.3-99》；

7) 《公路斜拉橋設計規范（試行）JTJ027-96》；

8) 《公路工程技術標準（JTG B01-2003）》。

                                     圖 1-3 蘇通長江公路大橋主塔結構示意圖

1.3 計算模型的邊界條件

本橋在建立計算模型時，處理邊界條件所采用的主要參數如表1.1～表1.5。

表 1.1 邊界約束情況

注：1、自由度說明：x 為順橋向線位移，y為橫橋向線位移，z 為豎向線位移;rot-x為x向角位

移，rot-y為y向角位移；rot-z 為z 向角位移；

2、E 表示彈性約束。

表 1.2 邊跨及墩旁臨時支架的支點支撐剛度（單位：kN、m、rad）

注：1、自由度說明：x 為順橋向線位移，y 為橫橋向線位移，z 為豎向線位移，rot-x 為x 向角

位移，rot-y為y向角位移；rot-z 為z 向角位移；

2、此為南通側墩旁臨時支架的支點支撐剛度，蘇州側與此對稱；

3、距1＃墩中心距離單位為m。

表 1.3 墩底樁基等效剛度系數（單位：kN、m、rad）

注：自由度說明，x 為順橋向線位移，y為橫橋向線位移，z 為豎向線位移，rot-x為x向角位移，

rot-y為y向角位移；rot-z 為z向角位移；

1.4 材料特性

在進行整體分析時采用了以下5種材料，其材料特性見表1.6。

表 1.6 材料特性表

1.6 計算荷載

（1）結構自重

鋼箱梁主梁的重量及吊機裝置在施工過程中的支點反力見表 1.11。

表 1.11 鋼箱梁重量及吊機起吊支反力 (kN)

（3）斜拉索索力

斜拉索安裝時的一張、二張索力采用考慮施工條件及按成橋內力較小原則調整

后的數值，其值見表 1.13，表中為單索面斜拉索索力。

表 1.13 斜拉索一張、二張索力值（kN）

1.7 施工階段劃分

蘇通長江公路大橋主橋施工控制結構計算的非線性分析按施工流程劃分255個

施工階段，見表 1.15；邊跨大塊梁段施工時的分段、各墩旁臨時支架支撐點設置及

編號見《邊跨大塊梁段施工及合龍方案》，支撐點設置的具體位置見本報告第2 章

第2.2節的支架示意圖；表中所述為南通側的施工安排，蘇州側與此相同。

表 1.15 施工階段簡述

第 2 章 空間結構非線性計算分析

2.1 計算模型

本章按有限位移理論，采用大型通用有限元分析軟件——ANSYS 進行全橋空

間結構非線性分析，主要考慮的非線性因素有：斜拉索垂度、大位移和P－△效應。

在建立空間模型時，主要作了下列處理：

1) 用“魚刺梁”模擬主梁，主梁采用beam44模擬；

2) 主塔采用beam44模擬；

3) 斜拉索采用link8模擬，本章采用單根斜拉索用多鏈桿單元模擬的方法來考

慮索的垂度非線性影響，按最大長度100m的尺度劃分斜拉索單元；

4) 斜拉索與主梁之間的連接采用“魚刺”與主梁連接，“魚刺”用剛度很大（相

對于主梁剛度）的beam4梁單元模擬；

5) 輔助墩及過渡墩采用beam44模擬；

6) 輔助墩、過渡墩、主塔及臨時墩旁的臨時支架對鋼箱梁的支撐作用以彈簧

單元等效模擬，采用與實際結構布置相同的支撐點數、相同的支撐位置、

相同的支撐約束方向及約束，并采用臨時結構局部模型空間分析計算確定

的等效彈性支承剛度；一旦該支點出現拉力，則立即拆除該支點的彈性支

撐作用；

7) 塔、墩底部的樁基礎采用彈簧單元約束的方法模擬，相應彈簧單元模擬的

彈性約束剛度見表1.2和表1.3；

8) 建立空間模型時所采用的整體坐標系為：順橋向為Z 軸方向，其正向指向

北岸（南通）；橫橋向為X軸方向，其正向為逆流方向；豎向為Y軸方向，

向上為正，坐標原點位于主橋跨中中軸線零標高處，見圖2-1；

9) 塔梁臨時固結縱橋向由兩點聯結，縱橋向兩點距離與實際支承情況相同；

蘇通長江公路大橋主橋斜拉橋非線性分析的結構離散見圖 2-1。

                                            （a）立面圖

                                                （b）正面圖

                                                （c）俯視圖

                                        （d）軸測圖

2.2 支架示意圖

過渡墩、輔助墩、主塔及臨時墩旁的臨時支架的支撐點以彈簧單元等效模擬，

采用與實際結構布置相同的支撐點數、相同的支撐位置、相同的支撐約束方向及約

束，并采用臨時結構局部模型空間分析計算確定的等效彈性支承剛度。主橋1號墩～

4號墩及1#臨時墩支架的支撐點示意圖如圖 2-2～圖 28所示，主橋5號墩～8號墩

及2#臨時墩支架的支撐點與此相同，呈對稱性布置。

                                           圖 2-2 整體結構支架示意圖

2.3 邊跨合龍示意圖

(1) 邊跨梁段在NA11 梁段江心側預留8m 合龍段，并向岸側預偏20cm, 懸臂端二

次張拉至標高后，起吊8m長合龍段，與懸臂梁段A10焊接，如圖2-9所示。

                                   圖2-9 邊跨8m合龍段起吊示意圖

2.5 部分施工階段計算結果圖

主橋邊跨大塊梁段主要施工階段的主梁內力圖分別如圖2-13～圖2-29 所示，

主橋主要施工階段的索塔、主梁內力圖及應力圖分別如圖2-30～圖2-59所示。

2.5.1 大塊梁段主要施工階段內力圖

                                      圖2-13 階段12豎向彎矩圖

                                            圖2-14 階段15豎向彎矩圖

                                  圖2-15 階段17豎向彎矩圖

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