寬幅矮塔斜拉橋最大懸臂階段主梁受力分析

劉沐宇， 孫文會(huì)， 孫向東， 袁衛(wèi)國

(1.武漢理工大學(xué) 道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430070；2.廣東省公路勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)院， 廣東 廣州 510507)

矮塔斜拉橋起源于日本，是介于梁式橋和斜拉橋之間剛?cè)嵯酀?jì)的新型橋型[1]。其斜拉索只分擔(dān)部分荷載，還有相當(dāng)部分的荷載由主梁的受彎、受剪來承受。這種橋型兼有斜拉橋和連續(xù)梁橋的特點(diǎn)，其主梁剛度較大，不僅受軸向壓力，還要承擔(dān)相當(dāng)部分的彎矩和剪力[2]，空間應(yīng)力的不均勻現(xiàn)象十分嚴(yán)重。隨著矮塔斜拉橋跨徑和主梁橫向?qū)挾鹊倪M(jìn)一步增大，寬跨比和寬高比隨之增大，剪力滯效應(yīng)更加嚴(yán)重，施工過程中主梁截面剪力滯對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較成橋以后影響更大，施工過程中主梁截面的內(nèi)力在某些工況下大于成橋狀態(tài)的內(nèi)力，使得施工內(nèi)力成為控制截面設(shè)計(jì)的內(nèi)力值[3]。一般的平面及空間桿系分析很難反映其實(shí)際的應(yīng)力分布。所以有必要對(duì)寬幅主梁在最不利狀態(tài)(即最大懸臂施工狀態(tài))下的空間受力狀態(tài)進(jìn)行空間仿真計(jì)算分析。

為了明確了解最大懸臂施工階段的拉索區(qū)主梁的受力特性，本文以西江特大橋?yàn)檠芯勘尘?，采用有限元理論，通過建立拉索錨固區(qū)梁段空間有限元模型，分析最大懸臂施工階段的主梁空間受力狀態(tài)。結(jié)果表明通過設(shè)置后澆段的施工方法在最大懸臂施工階段主梁的受力狀態(tài)合理，研究結(jié)果對(duì)同類型矮塔斜拉橋的設(shè)計(jì)和施工有一定的參考意義。

1 工程概況

江肇高速公路西江特大橋位于珠江三角洲西部地區(qū)，其主橋采用單索面四塔矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)方案，跨徑布置為128 m+3×210 m+128 m，橋塔高30.5 m。主梁采用變高度斜腹板單箱三室寬幅脊梁截面，主梁頂板寬38.3 m，在同類型橋梁中，其寬度位居世界首位。懸臂長8.15 m，兩側(cè)設(shè)5.15 m寬后澆帶，箱梁后澆段滯后5個(gè)梁段(共20 m)澆筑。主塔根部梁高6.5 m，跨中梁高3.5 m，主梁的梁底曲線按1.8次拋物線變化。頂板板厚0.25 m，底板厚由跨中的0.3 m變厚至塔根部的1.0 m。主塔墩處塔梁墩固結(jié)，邊墩設(shè)縱向活動(dòng)的豎向支座。每個(gè)主塔各設(shè)16對(duì)拉索，梁上索間距4.0 m，塔上索距0.8 m，全橋共128根斜拉索。主梁立面及主梁橫斷面布置見圖1和圖2。

圖1 西江特大橋立面布置/m

圖2 主橋結(jié)構(gòu)斷面/cm

西江特大橋是世界上主梁最寬的矮塔斜拉橋，主梁寬度達(dá)到38.3 m，考慮到索力的縱向力按一定的角度方向向兩側(cè)傳遞[4]，在主梁中傳遞有滯后性和減輕寬幅主梁施工時(shí)剪力滯效應(yīng)，該主梁兩側(cè)設(shè)5.15 m寬后澆帶，箱梁后澆段滯后5個(gè)梁段(共20 m)澆筑。

2 空間有限元分析

2.1 最大懸臂狀態(tài)主梁空間有限元模型

運(yùn)用通用有限元軟件ANSYS建立主梁最外側(cè)12個(gè)索距(共48m) 節(jié)段有限元模型，對(duì)其在最不利狀態(tài)(即最大懸臂狀態(tài))下的工況進(jìn)行分析。主梁采用Solid95實(shí)體單元離散，主梁C60混凝土彈模E=36 GPa，泊松比0.167；預(yù)應(yīng)力鋼筋采用Link8單元模擬。為了準(zhǔn)確模擬施工階段的實(shí)際受力，主梁的后澆帶通過模型的生死單元?dú)⑺?如圖3所示)。預(yù)應(yīng)力通過將鋼絞線單元節(jié)點(diǎn)與離其最近的混凝土單元節(jié)點(diǎn)相耦合，并用降溫措施模擬預(yù)應(yīng)力的施加。

邊界條件和荷載：模型近塔端方向截面固結(jié)，約束整個(gè)截面所有方向的位移和轉(zhuǎn)角，另一端自由。在懸臂端的混凝土濕重和掛籃等荷載由空間桿系模型得到的內(nèi)力加在遠(yuǎn)塔端截面上，計(jì)算中未考慮普通鋼筋的影響。模型模擬了實(shí)際的斜拉索錨固區(qū)形狀，將最大懸臂狀態(tài)下索力作為均布面力加在鋼墊板下區(qū)域，作用方向垂直于齒塊錨固面并與拉索的方向一致。

對(duì)橋梁局部空間受力分析時(shí)，運(yùn)用圣維南原理，采用空間桿系結(jié)構(gòu)分析和三維實(shí)體結(jié)構(gòu)分析相結(jié)合的方法[5]，即把用梁?jiǎn)卧M(jìn)行整體計(jì)算所得內(nèi)力和位移作為局部切開處的外力和位移邊界條件的方法，解決求解橋梁局部應(yīng)力和變形狀況問題。

圖3 最大懸臂狀態(tài)下主梁的空間有限元模型

表1 梁段截面的內(nèi)力

2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.2.1頂?shù)装鍛?yīng)力分布

圖4 主梁的上頂面縱橋向正應(yīng)力分布

在最大懸臂施工階段主梁的上頂板主要受拉，圖4為主梁上頂面縱橋向正應(yīng)力分布圖。由圖4可以看出，從懸臂端到近塔端，主梁的橋面正應(yīng)力由受壓逐漸變?yōu)槭芾?。雖然部分截面少部分區(qū)域的拉應(yīng)力值偏大，但未超過混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.96 MPa。由于該分析是主梁在最不利狀態(tài)下的最不利位置的內(nèi)力，實(shí)際結(jié)構(gòu)出現(xiàn)這種狀態(tài)的機(jī)會(huì)很小。主梁翼緣板和中室上頂板正應(yīng)力變化較大，其它區(qū)域的縱橋向正應(yīng)力沿橫橋向變化不大，但整體分布較均勻，且均在合理受力范圍之內(nèi)。沿順橋向橋的縱橋向正應(yīng)力變化不大，分布也較均勻。

由圖5可以看出，主梁的下翼緣板受壓，主梁沿橋的縱橋向正應(yīng)力變化不大，整體分布較均勻。從懸臂端到近塔端，主梁的下底板縱向受壓逐漸增大，主梁的縱向正應(yīng)力沿橋的橫向變化不大，整體分布較均勻，且在混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的合理范圍內(nèi)。計(jì)算結(jié)果表明通過在寬幅主梁施工過程中設(shè)置后澆段，后澆段滯后5個(gè)梁段澆注，主梁的頂?shù)装逭龖?yīng)力沿橋縱向和橫向變化不大，剪力滯效應(yīng)明顯降低，頂?shù)装迨芰诤侠矸秶畠?nèi)。

圖5 主梁的下底面縱橋向正應(yīng)力分布

2.2.2腹板應(yīng)力分布

由圖6和圖7可以看出，邊腹板的正應(yīng)力最大壓應(yīng)力為12.2 MPa，最大拉應(yīng)力為1.17 MPa，均在設(shè)計(jì)的容許范圍之內(nèi)，整體受力合理。邊腹板和中腹板的縱向正應(yīng)力沿橋的橫向變化不大，整體分布較均勻。從懸臂端到近塔端，主梁的邊腹板和中腹板遠(yuǎn)離上頂面端壓應(yīng)力逐漸增大，而靠近上頂面壓應(yīng)力逐漸減小，直至出現(xiàn)拉應(yīng)力。腹板的縱橋向正應(yīng)力隨著遠(yuǎn)離上頂面基本成線性變化，中腹板上頂端區(qū)域由于靠近拉索作用錨固區(qū)，其正應(yīng)力由于出現(xiàn)應(yīng)力集中而改變了應(yīng)力分布規(guī)律。遠(yuǎn)離上頂面端壓應(yīng)力逐漸增大是由于拉索不斷地增多，索力不斷增大而導(dǎo)致壓應(yīng)力增大；而靠近上頂面由于拉索的水平傾角不斷增大而產(chǎn)生拉應(yīng)力。

圖6 主梁的邊腹板縱橋向正應(yīng)力分布

圖7 主梁的中腹板縱橋向正應(yīng)力分布

綜上所述，由模型整體計(jì)算結(jié)果表明：該主梁在最大懸臂施工狀態(tài)主梁的整體受力狀態(tài)合理，應(yīng)力分布比較均勻。應(yīng)力較大值均出現(xiàn)在靠近懸臂端部、預(yù)應(yīng)力錨點(diǎn)和拉索作用的錨固點(diǎn)，而離開該局部區(qū)域應(yīng)力則很快減小并趨于均勻分布，它們是由應(yīng)力集中現(xiàn)象引起的。在主梁的腹板和加勁肋的底緣也出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力，均小于1.5 MPa，它們由拉索拉力引起，但影響不大。在橫隔板靠近錨固區(qū)區(qū)域由于拉索作用而存在縱向拉應(yīng)力，實(shí)際結(jié)構(gòu)通過適當(dāng)?shù)呐浣罴訌?qiáng)，且錨頭下有錨墊板等分散應(yīng)力的措施，所以該梁段整體分布較均勻，在合理的受力范圍之內(nèi)。

3 結(jié) 論

通過建立索力作用的錨固區(qū)域梁段有限元模型，進(jìn)行空間有限元分析，分析最大懸臂施工階段的主梁空間受力特性，可以得到如下結(jié)論：

(1) 通過對(duì)12個(gè)索距(共48m)主梁節(jié)段在最不利狀態(tài)(即最大懸臂狀態(tài))下的受力分析可知，除局部應(yīng)力集中區(qū)域外，該拉索區(qū)梁段的應(yīng)力均處于合理的范圍。

(2)邊腹板和中腹板的縱橋向正應(yīng)力沿橋的橫向變化不大，整體分布較均勻。從懸臂端到近塔端，腹板的縱橋向正應(yīng)力隨著遠(yuǎn)離上頂面而基本成線性變化。

(3)通過在寬幅主梁施工過程中設(shè)置后澆段，后澆段滯后5個(gè)梁段澆注，梁段的縱橋向正應(yīng)力沿縱橋向變化不大，橫橋向受力較均勻，整體分布較均勻，均在合理的受力范圍之內(nèi)。這樣設(shè)計(jì)既能減輕寬幅主梁施工時(shí)的自重和剪力滯效應(yīng)，又能使后澆段參與主梁的整體受力。因此，該橋的設(shè)計(jì)和施工方法合理。

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