矮塔斜拉橋合理成橋狀態(tài)分析研究

伍 云，鄒化明

(1.仙桃市交通局，湖北 仙桃 433000;2.深圳高速工程顧問有限公司，廣東 深圳 518034)

隨著橋梁技術(shù)的發(fā)展，橋梁應(yīng)用出現(xiàn)了兩大趨勢(shì)，即傳統(tǒng)橋梁的輕型化和組合化。組合體系橋梁極大地豐富了橋梁造型。組合體系橋中比較有代表性的是拱梁組合體系、斜拉一連續(xù)梁(剛構(gòu))體系等，其中斜拉一連續(xù)梁(剛構(gòu))體系是一種比較新穎的橋型，近1O年來應(yīng)用較多，受到廣泛的關(guān)注。普遍認(rèn)為，由Christian Menn設(shè)計(jì)的建于1980年的的甘特(Ganter)大橋，是斜拉一連續(xù)(剛構(gòu))體系橋的先驅(qū)，其混凝土箱形梁由預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉板“懸掛”在非常矮的塔上，這種板可以看成是一種剛性的斜拉索，該橋的出現(xiàn)形成了斜拉橋的一個(gè)分支—板拉橋，由于其與環(huán)境的完美結(jié)合，成為一道風(fēng)景。甘特大橋的出現(xiàn)為其后的矮塔斜拉橋的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

目前這種橋在各國(guó)得到了廣泛應(yīng)用，日本已建成此類橋梁2O多座，中國(guó)大陸地區(qū)已建和在建的達(dá)1O多座，中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)有2座，瑞士、菲律賓、老撾、帕勞群島、克羅地亞各1座，美國(guó)珍珠港在建1座;其中，中國(guó)已建成的江珠高速荷麻溪大橋、重慶嘉悅長(zhǎng)江大橋主跨分別達(dá)到230 m和250 m(預(yù)應(yīng)力混凝土梁)，蕪湖長(zhǎng)江大橋主跨達(dá)到340 m(鋼桁梁)，分別為同類橋梁最大跨徑。

矮塔斜拉橋主梁受力表現(xiàn)為連續(xù)梁特點(diǎn)，但是拉索對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力分配有很大的影響。和常規(guī)斜拉橋一樣，矮塔斜拉橋也存在如何確定合理成橋狀態(tài)的問題，而這一問題在矮塔斜拉橋的分析中并沒有引起足夠的重視。另外，由于早期的矮塔斜拉橋跨徑均較小，許多學(xué)者提出了矮塔斜拉橋和常規(guī)斜拉橋的界定標(biāo)準(zhǔn)，隨著矮塔斜拉橋的跨徑越來越大，這些標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不再容易滿足，所以，如何界定矮塔斜拉橋和常規(guī)斜拉橋也成為一個(gè)新的課題。

1 受力特點(diǎn)與設(shè)計(jì)計(jì)算要點(diǎn)

矮塔斜拉橋具有常規(guī)斜拉橋的外形，但在布索、主梁結(jié)構(gòu)尺寸、索塔結(jié)構(gòu)尺寸以及主梁受力特點(diǎn)等方面又與常規(guī)斜拉橋有明顯的差別，是介于柔性加勁梁的斜拉橋和剛性主梁的連續(xù)梁式橋之間的一種過渡性橋梁。

矮塔斜拉橋索塔錨固構(gòu)造一般采用鞍座式，斜拉索在塔頂連續(xù)通過。近年來，基于追求美學(xué)的效果，矮塔斜拉橋開始使用空間索，索塔錨固中也開始采用鋼錨箱等結(jié)構(gòu)型式。

矮塔斜拉橋加勁梁具有相當(dāng)?shù)膭偠龋ㄟ^主梁的受彎、受壓和索的受拉來承受豎向荷載。根據(jù)其受力的特點(diǎn)，可以將斜拉索作為主梁的體外索，拉索主要布置在主梁負(fù)彎矩區(qū)內(nèi)。超過梁體承載力部分的荷載效應(yīng)由索來承擔(dān)，因此可人為選擇二者的分配比例，當(dāng)梁體較剛，主梁抗力大時(shí)，可減少斜拉索，弱化斜拉索的作用;反之，梁體較柔，主梁抗力較小時(shí)，可增大斜拉索，強(qiáng)化斜拉索的作用。這樣，可根據(jù)實(shí)際情況，合理選擇各部尺寸使設(shè)計(jì)自由度更大。

矮塔斜拉橋的適用跨徑由其特性決定，它的適用跨徑宜在100～300 m之間，若主梁采用鋼與混凝土混合結(jié)構(gòu)，跨徑有望突破400 m。結(jié)構(gòu)體系可選用塔梁固結(jié)、梁底設(shè)支座;塔墩固結(jié)、塔梁分離;塔梁墩固結(jié)的3種形式。第一種形式適用于跨度不太大的橋梁，支座噸位不致于過大，它的特點(diǎn)是塔根彎矩較小，塔兩側(cè)索力差較小，結(jié)構(gòu)的整體剛度較小;第二種形式適用于跨度稍大，墩高較矮的橋梁，它的特點(diǎn)是塔墩彎矩較大，塔兩側(cè)索力差較大，結(jié)構(gòu)的整體剛度較第一種形式大;第三種形式適用于跨度稍大，墩高較大的橋梁，結(jié)構(gòu)體系類似于連續(xù)剛構(gòu)，它的特點(diǎn)接近于第二種形式。目前我國(guó)已建和在建的小跨徑矮塔斜拉橋多為第一種形式，大跨徑矮塔斜拉橋一般采用塔梁墩固結(jié)的結(jié)構(gòu)體系。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外目前已建矮塔斜拉橋跨徑比例分析，由于矮塔斜拉橋剛度比斜拉橋大，接近于連續(xù)梁，其邊、中跨比值常采用0.52～0.65。在特殊情況下，邊、中跨比值亦可小于0.5。矮塔斜拉橋由于其主梁要承受相當(dāng)大的彎矩，主梁截面形式更接近于連續(xù)梁。一般情況下，連續(xù)梁采用的截面形式都能適用于矮塔斜拉橋。

斜拉索設(shè)計(jì)根據(jù)橋面布置及景觀要求，可采用單索面及雙索面。斜拉索在梁上宜布置在邊跨中及1/3中跨附近。索距不宜太大，宜為3～5 m，以適應(yīng)受力及施工要求，主、邊跨的索應(yīng)對(duì)稱于塔布置。斜拉索的應(yīng)力可采用較高值，最大可達(dá)0.6Rby，由于梁的剛度大，斜拉索傾角小，斜拉索一般宜采用一次張拉。由于矮塔斜拉橋的拉索具有主梁體外索的特征。索對(duì)梁提供豎向分力的同時(shí)，也對(duì)梁提供較大的軸壓力，以使梁能承受彎矩，因此索的傾角較小，塔高不需太大，其高度可采用主跨的1/8～1/12。

矮塔斜拉橋在構(gòu)造及受力特征上與常規(guī)斜拉橋和連續(xù)梁橋尚有一定的差異，在進(jìn)行其結(jié)構(gòu)分析時(shí)要注意以下幾點(diǎn):

(1)結(jié)構(gòu)分析要選用合理的計(jì)算圖式，考慮施工過程中體系轉(zhuǎn)換、臨時(shí)支承及結(jié)構(gòu)各部分的強(qiáng)度增長(zhǎng)，合理估計(jì)施工荷載。

(2)矮塔斜拉橋張拉時(shí)主梁撓度大，張拉初期索的垂度較大，須計(jì)入幾何非線性影響。斜拉橋主梁和索塔都是壓彎構(gòu)件，其截面彎矩和軸力會(huì)產(chǎn)生耦合效應(yīng)，應(yīng)加以處理。要考慮混凝土收縮徐變、溫度以及風(fēng)荷載等偶然因素對(duì)結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的影響。

(3)預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋施工中各工況受力狀態(tài)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的重要原因，是有限元計(jì)算模型中的計(jì)算參數(shù)取值與施工中的實(shí)際情況有一定的偏差。斜拉橋的這種偏差具有累積性，因此，要根據(jù)施工實(shí)測(cè)結(jié)果予以修正，以使計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。

2 實(shí)例工程概況

文章以一個(gè)工程實(shí)例為背景，對(duì)矮塔斜拉橋的合理成橋狀態(tài)進(jìn)行分析。

該橋橋跨布置為(120+190+120)m，主橋長(zhǎng)430 m。系雙塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋。主橋采用塔墩梁固接結(jié)構(gòu)體系，主橋和引橋交接墩位置設(shè)豎向支座，主橋采用雙薄壁墩基礎(chǔ)。主橋橋型布置圖和主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖如圖1所示。

圖1 主橋橋型布置

圖2 主梁等高段標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

主梁采用單箱三室大懸臂變截面PC連續(xù)箱梁，支點(diǎn)梁高6.5 m，跨中梁高3.0 m，箱梁頂寬33.7 m，懸臂板長(zhǎng)4.5 m，箱梁底寬由20.1 m漸變到23 m;兩外腹板為斜腹板，腹板斜率不變，斜拉索錨固點(diǎn)布置在箱梁中室內(nèi)如圖2所示。主梁除支點(diǎn)處設(shè)橫隔板外，每根斜拉索錨固點(diǎn)處均設(shè)橫隔板，間距4 m。主塔高28.80 m，采用鋼筋混凝土獨(dú)柱實(shí)心截面，順橋向長(zhǎng)5 m，橫橋向?qū)?.5 m，布置在中央分隔帶上，并與主梁固接，塔身上部設(shè)鞍座，以便斜拉索通過。斜拉索橫橋向呈兩排布置，鞍座亦設(shè)兩排，鞍座采用雙重鋼管結(jié)構(gòu)形式，外管預(yù)埋于混凝土塔內(nèi)，內(nèi)管置于外管內(nèi)，斜拉索穿過內(nèi)管。在兩側(cè)出口處的斜拉索上設(shè)有索夾，以防止斜拉索滑動(dòng);內(nèi)、外管均與各自的鋼管座焊固，以防止內(nèi)外管相對(duì)滑動(dòng)。為與斜拉索通過鞍座相適應(yīng)。橋塔橋墩為雙薄壁式主塔墩，壁厚1.5 m。斜拉索為單索面，雙排布置在中央分隔帶上，每個(gè)塔上設(shè)有14對(duì)28根斜拉索，斜拉索在主梁上縱向標(biāo)準(zhǔn)間距4 m，雙排橫向布置，橫向間距1 m，塔上豎向間距0.8 m。斜拉索在塔頂連續(xù)通過鞍座，兩側(cè)對(duì)稱錨于主梁。

全橋總體靜力分析采用RM 2006空間桿系程序，以理論豎曲線為基準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散。主梁和主塔采用三維梁?jiǎn)卧?，斜拉索采用索單元。全橋有限元模型共有空間梁?jiǎn)卧?13個(gè)，空間索單元112個(gè)如圖3所示。

圖3 全橋有限元離散模型

常規(guī)斜拉橋中可通過索力調(diào)整來改變結(jié)構(gòu)受力分配，當(dāng)斜拉橋結(jié)構(gòu)體系確定后，總可以找出一組索力，使結(jié)構(gòu)體系在確定性荷載下，受力性能達(dá)到最優(yōu)，該組索力對(duì)應(yīng)的成橋狀態(tài)即為目標(biāo)下的成橋合理狀態(tài)。矮塔斜拉橋主梁表現(xiàn)為連續(xù)梁(鋼構(gòu))特征，但是拉索索力對(duì)主梁的彎矩影響很大，同樣可以找出一組拉索索力，使得結(jié)構(gòu)在擬定的結(jié)構(gòu)尺寸內(nèi)配束最少、受力最優(yōu)，使得主梁、索塔和拉索的剛度分配合理。

在成橋狀態(tài)分析中，根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)的安排進(jìn)行施工階段分析，全橋索力采用一次張拉。主橋采用懸臂掛籃施工，邊跨靠交接墩梁段采用支架現(xiàn)澆施工，全橋先邊跨合龍后中跨合龍。按照施工階段分析至結(jié)構(gòu)合龍且二期恒載作用，分析結(jié)構(gòu)的受力狀況，然后調(diào)整施工階段拉索的張拉荷載迭代至結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)受力合理。在分析成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)受力時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn):

(1)索力分布，矮塔斜拉橋采用鞍座式時(shí)，應(yīng)調(diào)整邊中跨拉索索力基本一致，全橋索力基本一致，索力分布有規(guī)律。

(2)主梁彎矩，矮塔斜拉橋中的主梁彎矩表現(xiàn)為連續(xù)梁(鋼構(gòu))特點(diǎn)，斜拉索實(shí)質(zhì)上是主梁的體外索，需要合理利用體外索，減少主梁中的配束，降低負(fù)彎矩區(qū)段的彎矩值。

(3)在做到邊中跨索力基本一致后，成橋階段的索塔彎矩基本只由二期恒載的邊中跨的差異產(chǎn)生，合理的成橋狀態(tài)下，索塔彎矩很小?；谝陨系恼{(diào)索的目標(biāo)，對(duì)結(jié)構(gòu)的合理成橋狀態(tài)進(jìn)行了探討。

成橋狀態(tài)主梁彎矩圖如圖4所示:

圖4 成橋狀態(tài)主梁彎矩圖

成橋狀態(tài)全橋拉索索力分布如圖5所示:

圖5 成橋狀態(tài)索力分布圖

混凝土主梁成橋狀態(tài)上下緣混凝土正應(yīng)力圖如圖6、圖7所示:

圖6 成橋狀態(tài)主梁上緣應(yīng)力圖

圖7 成橋狀態(tài)主梁下緣應(yīng)力圖

從以上分析可以看出，在迭代過程中，找到合理目標(biāo)就能優(yōu)化出一組索力，使得結(jié)構(gòu)受力最優(yōu)。

3 總結(jié)

矮塔斜拉橋既有常規(guī)斜拉橋的特點(diǎn)，也有連續(xù)梁(剛構(gòu))的特點(diǎn)，在分析中得出以下結(jié)論:

(1)矮塔斜拉橋主梁的成橋彎矩表現(xiàn)為連續(xù)梁橋的彎矩特征，軸力表現(xiàn)為常規(guī)斜拉橋的特征，利用常規(guī)斜拉橋的調(diào)索經(jīng)驗(yàn)，以主梁彎曲應(yīng)變能為目標(biāo)函數(shù)可以找出一組合理的索力，使得結(jié)構(gòu)各部分剛度分配合理，受力最優(yōu)。在優(yōu)化的索力作用下，可以減小主梁結(jié)構(gòu)尺寸，減少預(yù)應(yīng)力配束;做到結(jié)構(gòu)和建筑美學(xué)的完美結(jié)合。

(2)隨著矮塔斜拉橋的發(fā)展和跨徑的增大，常規(guī)用斜拉索對(duì)荷載承擔(dān)的比率和拉索的應(yīng)力幅值界定矮塔斜拉橋和常規(guī)斜拉橋值得研究，有些文獻(xiàn)提出的界定的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在大跨矮塔斜拉橋中不再適用。

(3)對(duì)大跨矮塔斜拉橋而言，需重視塔墩梁連接區(qū)和索塔錨固區(qū)的局部受力分析。

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