TDV RM

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琮吏字卢
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1 TDV RM 在铁路甬江桥成桥及施工阶段非线性计算中的应用图 1 铁路甬江桥特大桥三维数值分析模型热烈庆祝中铁第四勘察设计院集团有限公司桥梁设计研究处成功采用 TDV RM 软件完成铁路甬江桥总体计算工作! 概述甬江桥为第 1 大跨铁路混合梁斜拉桥, 跨度大技术含量高设计难度大主跨跨度

2 达 468m, 最长斜拉索长约 267m, 成桥恒载状态下拉索最大梁端转角 ( 相比直索 ) 达 1.46 结构非线性强烈, 必须全面精确地考虑 P- 拉索非线性大变形剪切变形等非线性, 并进行必要的梁与塔的压缩补偿 ; 铁路活载远大于公路活载, 需进行非线性活载计算才能准确分析铁路活载效应 ; 甬江桥为铁路混合梁斜拉桥, 理想成桥状态的非线性索力优化和施工阶段精确分析等工作难度明显高于常规的铁路钢桁梁斜拉桥, 为本桥的设计难点和关键技术图 2 拉索垂度效应 ( 边跨 ) 图 3 甬江桥混凝土箱梁空间预应力筋模型体现了 TDV 的特色 : 基于 TDV RM 程序建立了甬江桥的数值分析模型 ( 见图 1 铁路甬江桥特大桥三维数值分析模型 ), 相比其他程序,TDV 更能精细真实准确地反映实桥的几何和力学特性, 具有以下几个重要特点 : 1 采用多段杆单元模拟斜拉桥这样可以精确考虑索的垂度影响, 而且还特别考虑

了索的垂度对锚固点的切角的影响,( 见图 2 拉索垂度效应 ( 边跨 )) 所示对于大跨度斜拉桥,Ernst 公式折减拉索弹模的方式已不再适用, 一是该方法只适合斜拉索较短且应力水平较高的中小跨径斜拉桥, 二是斜拉索应力始终在变, 没法准确跟踪拉索应力进行弹模修正 2 构件截面的真实输入 TDV 模型中, 构件截面可以方便地绘制或导入, 以真实反映结构的几何特性, 如截面特性和偏心

3 了索的垂度对锚固点的切角的影响,( 见图 2 拉索垂度效应 ( 边跨 )) 所示对于大跨度斜拉桥,Ernst 公式折减拉索弹模的方式已不再适用, 一是该方法只适合斜拉索较短且应力水平较高的中小跨径斜拉桥, 二是斜拉索应力始终在变, 没法准确跟踪拉索应力进行弹模修正 2 构件截面的真实输入 TDV 模型中, 构件截面可以方便地绘制或导入, 以真实反映结构的几何特性, 如截面特性和偏心也可以设置温度点钢筋点和应力验算点 3 真实地建立空间预应力筋 ( 含竖曲线和横曲线 ) 能准确模拟预应力损失超张拉放张多次张拉等操作,( 见图 3 甬江桥混凝土箱梁空间预应力筋 ) 所示 4 准确模拟实桥边界条件可以真实地进行桥台桥墩和多支座支撑施工支架和临时支墩,( 见图 4 甬江桥边界条件 ( 模拟支架多支座 )) 所示 5 采用柔度单元 ( 矩阵 ) 模拟群桩基础将下部结构简化为刚度单元或柔度单元 ( 也可直接建立群桩基础 ) 这样可以便捷准确地模拟群桩基础, 并大大减少计算的规模 6 建立真实地空间 ( 包括横向和竖向偏心 ) 交通车道图 4 甬江桥边界条件 ( 模拟支架多支座 ) 理想成桥状态调索对斜拉桥设计来讲, 如果直接研究施工阶段, 进而达到成桥状态, 当然是一种办法但是此方法非常费时间, 所以, 有必要进行理想成桥状态的研究 : 先花最少的时间研究最理想的受力状态 ( 反复调整 ), 研究一下该桥是否成立的问题, 然后, 再通过其它手段, 在施工阶段中逼近到这个状态斜拉桥的理想成桥状态的调索的思路有很多, 如刚性支撑连续梁法, 最小弯曲能量法, 影响矩阵法等但是刚性支撑连续梁法与最小弯曲能量法只能

4 提供一套解决方案, 而且, 该解决方案往往不是最理想的结果, 所以, 经常是用这样的方法初步调得一个结果, 而后, 再手工进行调索而 TDV RM 的 ADDCON 功能则是基于影响矩阵进行迭代求解的功能在甬江桥上计算时, 理想成桥状态的调整简单说来有这么几步 : 1 先建立线性的有限元模型, 2 确定未知数 ( 索的无应力长 ),), 以及梁塔的压缩补偿量 3 试着指定一个约束目标 ( 梁位移? 塔位移? 梁弯矩? 索力等 ),), 4 求解 5 观察结果, 如果结果不理解, 则再退回第 4 步 6 线性优化结果理想时, 将索细分, 进行非线性的优化 7 考虑活载对塔的影响, 指定恒载下塔的预偏 8 考虑活载对梁的下挠影响, 指定恒载下梁的预抬 9 输入预应力后, 以及适当考虑徐变后再次进行优化优化的结果如下 : 图 5 甬江桥理想成桥状态斜拉索索力图 ( 梁端, 单位 :KN), 可以看出来, 索力的分布相当均称图 6 甬江桥理想成桥状态主梁弯矩图 ( 单位 :KN m), 该设计的弯矩控制得非常小图 7 甬江桥理想成桥状态主梁竖向位移图 ( 单位 :mm), 主梁考虑了活载效应后, 在恒载下预抬 1/2 活载的挠度图 8 甬江桥理想成桥状态索塔顺桥向位移图 ( 单位 :mm), 主塔考虑了活载效应后, 在恒载下, 预先往岸侧预偏 1/2 活载的挠度由于影响矩阵建立的是目标与索的无应力长度之间的关系, 所以, 一旦建立好该桥的关系 ( 即某次调索成功 ), 在设计条件适当修改后, 再次调索将是无比轻松 : 某次修改设计后, 只需半个小时就重新达到新的理想成桥状态

5 图 5 甬江桥理想成桥状态斜拉索索力图 ( 梁端, 单位 :KN) 图 6 甬江桥理想成桥状态主梁弯矩图 ( 单位 :KN m)

6 图 7 甬江桥理想成桥状态主梁竖向位移图 ( 单位 :mm) 图 8 甬江桥理想成桥状态索塔顺桥向位移图 ( 单位 :mm) 甬江桥施工阶段精细化分析理想成桥状态找到后, 如何通过施工阶段逼近这个理想成桥状态关系到这个桥能否实现的问题在 TDV RM 中, 直接采用了正装迭代法或施工控制 ( 或无应力状态法 ) 来实现正装迭代法就是采用正装的方法以, 建立施工阶段的索的拔出量与成桥后的累积结果之间的影响矩阵, 然后求解影响矩阵, 修正拔出量后再次进行正装分析由于该过程是正装的, 所以, 过程中, 能很好地解决收缩徐变的的问题更是因为该影响矩阵建立的是跟累积结果之间的影响矩阵, 所以, 如果条件合适, 将会得到如理想成桥状态的结果 TDV RM 在正装迭代法中采用了以下一些关键技术 : 基于非线性的影响矩阵迭代算法基于割线刚度矩阵的施工阶段非线性算法

7 基于多段杆的非线性索单元, 可以考虑索的角度变化造成力的作用角不同而施工控制 ( 或无应力状态法 ), 则是更进一步, 基本原理就是保证按理想成桥状态得到的无应力索长, 再保证施工阶段的节段安装过程中跟理想成桥状态的无应力曲率相同, 那么, 在不考虑收缩徐变的情况下, 一次成桥与施工阶段形成, 是闭合的 TDV RM 在施工控制时采用了一下一些关键技术 : 基于无应力长度或 FX0 的索安装补偿技术, 使得无应力长度安装成为可能基于变形后位置与新激活单元位置不协调的补偿计算, 使得保证结构与理想成桥状态无应力曲率一致成为可能预拱参与计算, 使得准确计算非线性成为可能在甬江桥计算时, 运用 TDV RM 结合施工阶段 addcon 优化施工控制偏差施工和 FX0 无应力索长的直接到达等强大功能, 可以非常便捷并合理地实现斜拉桥施工过程非线性分析的正装分析, 特别是实现了以下目标和关键技术 : 1 正装分析一次到位无需进行繁琐的正装倒拆分析的反复尝试 ; 2 斜拉索张拉工艺简化只经过初张拉和二次张拉即保证斜拉桥准确张拉到位 ; 3 通过 TDV 的 addcon 优化功能, 优化 S25 M25 斜拉索的初张力, 实现了合龙段无曲率安装, 即吊起合龙段时, 合龙端转角为零, 而无需配重施工阶段精细化计算结果如下 : 图 9 TDV 施工阶段 088 位移图 : 计算混凝土收缩徐变 (1000 天 )( 单位 :m) 图 10 TDV 施工阶段 088 索力图 : 计算混凝土收缩徐变 (1000 天 )( 单位 :KN) 图 11 TDV 施工阶段 088 主梁弯矩图 : 计算混凝土收缩徐变 (1000 天 )( 单位 :KN m) 图 12 TDV 施工阶段 088 主塔弯矩图 : 计算混凝土收缩徐变 (1000 天 )( 单位 :KN m) 可以看出来, 该结果与理想成桥状态几乎闭合! 图 9 TDV 施工阶段 088 位移图 : 计算混凝土收缩徐变 (1000 天 )( 单位 :m)

8 图 10 TDV 施工阶段 088 索力图 : 计算混凝土收缩徐变 (1000 天 )( 单位 :KN) 图 11 TDV 施工阶段 088 主梁弯矩图 : 计算混凝土收缩徐变 (1000 天 )( 单位 :KN m)

9 图 12 TDV 施工阶段 088 主塔弯矩图 : 计算混凝土收缩徐变 (1000 天 )( 单位 :KN m) 阳光软件技术支持在此桥的计算过程中, 还得到了阳光软件的技术支持团队的大力支持阳光软件的技术支持团队参与过以下一些斜拉桥项目的计算或技术支持 : 嘉绍大桥 ( m, 六塔斜拉桥 ) 厦漳大桥 (780 米主跨 ) 九江长江公路大桥 (818 米主跨非对称混合梁斜拉桥 ) 双碑大桥 (330 米主跨高低塔斜拉桥 ) 东水门大桥 (445 米主跨钢桁架斜拉桥 ) 千斯门大桥 (345 米主跨钢桁梁斜拉桥 ) 等项目正是由于阳光软件的从软件操作到专业技术解决方案的技术支持, 使得本项目进展异常顺利感谢感谢铁四院桥梁处刘振标主任曾甲华工程师的大力支持及提供的素材

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<4D F736F F D FD0B1C0ADC7C5CAA9B9A4B9FDB3CCCBF7C1A6BEABC8B7C4A3C4E2BCBCCAF52E646F63> 浅谈斜拉桥施工过程中索力精确模拟技术 [ 桑登峰戴宇文胡若邻李治学 ] [ 中交四航工程研究院有限公司广州 510230] [ 摘要 ] 斜拉桥在国内外高速公路及高速铁路桥梁上的应用越来越广泛, 而在斜拉桥施工过程中斜拉索是结构的关键部位, 也是建造过程中控制的要点, 如何精确模拟计算施工过程中斜拉桥索力是斜拉桥的建设其中一项关键技术由于非线性等因素的影响, 采用常规计算方法在计算过程中施加索力与目标索力往往有很大偏差,