靈江大橋矮塔斜拉橋索塔優(yōu)化分析

徐洪權(quán)

0 引言

矮塔斜拉橋是由法國Mathivat教授于1998年提出的一種新的結(jié)構(gòu)體系[1],稱為Extradosed PC bridge,直譯為“超劑量預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁”,該橋型是從反拱梁、板拉橋、體外預(yù)應(yīng)力橋發(fā)展而來的。日本工程界也采用這個稱呼,在中國有稱為“部分斜拉橋”的,也有稱為“矮塔斜拉橋”的,在中國臺灣則稱為“脊背橋”或“拱背橋”。矮塔斜拉橋由于其剛勁的主梁,被廣泛應(yīng)用于日本高速公路,同時由于其橋塔較矮,可應(yīng)用于凈空受限制的橋梁(如蕪湖長江大橋等)。目前國內(nèi)已成功修建了多座矮塔斜拉橋,并逐步發(fā)展為一種重要的橋梁形式。本文以靈江大橋為例,以矮塔斜拉橋的主梁和斜拉索為研究對象,探討了采用剛性支承連續(xù)梁法進(jìn)行矮塔斜拉橋索塔優(yōu)化的過程和方法。

1 工程概況

靈江大橋位于浙江省椒江河口區(qū)進(jìn)口段的下游,連接西岑和新亭頭,是臺縉高速公路東延段特大跨江大橋。主橋為四塔單索面五跨預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋,跨徑布置為(92+3×152+92)m,采用塔梁墩固結(jié)與塔梁固結(jié)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式,梁體為單箱三室大懸臂橫斷面,梁高3 m～5.5 m,箱梁頂寬27 m,底寬14.27 m～15.8 m,主塔高23.88 m,采用實心矩形截面,斜拉索布置在中央分隔帶上,塔上豎向索距 0.8 m,梁上索距4.0 m,主墩采用八邊形單箱雙室空心截面的花瓶形墩身。設(shè)計為雙向四車道公路Ⅰ級高速公路橋。

2 有限元分析模型

本文基于大型結(jié)構(gòu)軟件Midas/Civil,將斜拉橋離散成一系列具有適當(dāng)剛度和質(zhì)量的離散單元(見圖1)。主梁、塔和墩采用平面梁單元模擬,斜拉索采用只受拉的索單元,并施以初應(yīng)變模擬,一端固定在塔上,另一端固定在位于主梁的斜拉索錨固點上,其編號為:A塔中心向外分別為A1～A11,B塔中心向外分別為B1～B11。全橋共劃分為580個梁單元和88個索單元。

混凝土:主梁采用C55,塔采用C50,墩采用C40;斜拉索和縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋都采用Φj15.24的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線,抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa;縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨下張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa,不考慮橫向和豎向預(yù)應(yīng)力。

斜拉索具有一定垂度呈曲線狀,是非線性問題,建模中將索視為一直線桿件,按恩斯特公式計算得到每根拉索的換算彈性模量,近似使非線性問題線性化[2]。

3 索塔優(yōu)化分析

矮塔斜拉橋由于塔矮、梁剛,主梁是結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件,荷載作用下主塔的內(nèi)力及變形較小,通常不控制設(shè)計;而主梁撓度、彎矩和斜拉索索力通?？刂圃O(shè)計。為此,這里僅選取主梁撓度、軸力、彎矩以及索力應(yīng)力幅作為優(yōu)化目標(biāo),將主梁、索梁交接點處設(shè)以剛性支承,在不改變主梁的剛度,斜拉索在主梁上的間距的情況下,計算出各支點反力和不同塔高下的斜拉索張拉力。

根據(jù)斜拉索優(yōu)化索力計算得到了各種塔高作用下和原始設(shè)計的主梁內(nèi)力差以及斜拉索應(yīng)力變幅。限于篇幅,本文給出原始設(shè)計的內(nèi)力圖和各種塔高下與原始設(shè)計的內(nèi)力差值圖(見圖2～圖4)。

由圖3～圖5可知,成橋恒載主梁承受由跨中向塔處逐漸增大的軸壓力,跨中主梁主要承受負(fù)彎矩,塔處除了無索區(qū)段外,以承受正彎矩為主。塔高變化時,優(yōu)化索力后,各塔處的主梁內(nèi)力變化較為明顯,塔高降低越大正彎矩差值增加越大,軸壓力差值增加越大,且兩者都向各塔加速增大,正彎矩差值至塔根處達(dá)最大,軸壓力差值至塔根處無索區(qū)段達(dá)最大,在無索區(qū)段變化較小;塔高升高越大負(fù)彎矩差值增加越大,軸拉力差值增加越大,且兩者都向各塔加速增大,負(fù)彎矩差值至塔根處達(dá)最大,軸拉力差值至塔根處無索區(qū)段達(dá)最大,在無索區(qū)段變化較小?；炷潦菑?qiáng)壓弱拉的主要承受壓力材料,在強(qiáng)度范圍內(nèi),減小主梁混凝土的拉應(yīng)力,直接影響到混凝土的安全性和耐久性,是設(shè)計檢驗的關(guān)鍵。比較圖3,圖4可知,相對升高塔高而言,降低塔高更能改善主梁內(nèi)力分布和成橋線性。這一點在主梁撓度、斜拉索應(yīng)力變幅及其用量的變化規(guī)律中也得到了驗證,但塔高降低太多,斜拉索的用量急劇增加,這大大影響了設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)語

本文描述了靈江大橋索塔優(yōu)化分析的平面梁單元有限元模型,并利用該模型對比分析了成橋恒載下不同塔高下主梁的內(nèi)力、位移和斜拉索的應(yīng)力變幅及其用量。分析結(jié)果表明,適當(dāng)降低原始設(shè)計的索塔高度,在應(yīng)用剛性支承連續(xù)梁法對斜拉索的索力進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上,可以改善主梁內(nèi)力分布和成橋線性,兼顧大橋的安全性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性。本文的索塔優(yōu)化方法和過程對實橋工程的設(shè)計和施工都有參考意義。

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