寬箱梁矮塔斜拉橋受力性能分析

楊 勇 ，余曉琳

(1.廣州市市政工程設(shè)計研究院，廣東 廣州 510060；2.華南理工大學(xué)交通學(xué)院，廣東 廣州 510640)

0 前言

矮塔斜拉橋也稱部分斜拉橋 ,是近些年來在斜拉橋基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型的橋梁結(jié)構(gòu)形式。就其結(jié)構(gòu)特性而言 ,矮塔斜拉橋是介于連續(xù)梁橋與斜拉橋之間的一種新橋型 ,它采用了體外預(yù)應(yīng)力束的思想，把梁體內(nèi)的一部分預(yù)應(yīng)力移到橋塔上。如果把連續(xù)梁橋歸類于剛性橋型 ,把斜拉橋歸類于柔性橋型 ,則矮塔斜拉橋為一種剛?cè)嵯酀?jì)的新橋型[1]。它具有美觀性、跨徑布置靈活、施工簡便以及經(jīng)濟(jì)性等特點。我國的矮塔斜拉橋雖然起步比較晚，但是今年來發(fā)展迅猛，在橋梁建設(shè)中有了廣泛的應(yīng)用。對于此種新橋型，施工仿真分析是對其進(jìn)行施工控制的一種必不可少的技術(shù)手段。本文針對瀘州茜草長江大橋運(yùn)用MIDAS/Civil橋梁專業(yè)建模軟件，對其整個施工過程進(jìn)行了計算分析模擬。

1 工程概況

瀘州茜草長江大橋位于瀘州中心半島及茜草組團(tuán)中部、沱江匯入長江口上游約2.0 km處。其由跨江主橋、西岸引橋和東岸沙茜立交組成。大橋主線橋梁總長1 189 m，其中跨越長江主橋為128 m+248 m+128 m=504 m矮塔斜拉橋。橋塔為外張式曲桿門型結(jié)構(gòu)，每個塔由兩根塔柱和一根橫梁組成，塔梁固接。橋?qū)?4m，（橋塔處37 m），橋塔主塔結(jié)構(gòu)高25 m。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土單箱4室截面，共5道腹板，其中，邊腹板為斜腹板。端部梁高3.8 m，根部梁高9 m。斜拉索按扇形布置，角度從13.6°～25.8°不等，梁上水平間距8 m，塔上豎直間距1 m。橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置圖（單位：m）

2 仿真分析的建模

2.1 建模思路

根據(jù)各部分結(jié)構(gòu)特點，茜草長江大橋主體結(jié)構(gòu)可分為4部分：下部結(jié)構(gòu)、混凝土主梁，主塔，斜拉索。下部結(jié)構(gòu)、混凝土主梁、主塔采用梁單元模擬，斜拉索采用只受拉桁架單元模擬。主梁和斜拉索，主塔和斜拉索采用共節(jié)點，塔梁固結(jié)處理。針對斜拉橋的寬箱結(jié)構(gòu)，建立混凝土主梁梁格模型，5片腹板模擬為5片虛擬縱梁，虛擬縱梁之間按等間距布設(shè)虛擬橫梁，并在實際橫梁處建立橫梁結(jié)構(gòu)。圖2為空間梁格有限元模型。

圖2 空間梁格有限元模型

2.2 施工過程階段劃分

該橋采用掛籃懸臂澆筑施工方法，在計算建模過程中，不但要考慮施工掛籃荷載對整體結(jié)構(gòu)的影響，還要考慮施工過程中體系轉(zhuǎn)換帶來的應(yīng)力變化和撓度變化。根據(jù)施工設(shè)計圖提供的施工步驟，將整個施工過程主要考慮為35個施工階段（見表 1）。

表1 全橋施工工況

3 分析計算結(jié)果

3.1 施工階段應(yīng)力分析

容易知道，在34#、35#階段斜拉索應(yīng)力最大，因此，取出34#、35#階段斜拉索應(yīng)力分析結(jié)果如表2所示。

表2 34#、35#階段斜拉索應(yīng)力（單位：Pa）

由表2可以看出，各斜拉索應(yīng)力均遠(yuǎn)小于其抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，在施工階段斜拉索是安全可靠的。

根據(jù)計算結(jié)果，得到各階段箱梁、主塔最大拉應(yīng)力與壓應(yīng)力，如表3、表4所示。

從上述結(jié)果可以知道，箱梁和塔在施工階段的最大拉應(yīng)力，壓應(yīng)力都在規(guī)范允許之內(nèi)，截面應(yīng)力儲備大，在施工監(jiān)控過程中可以標(biāo)高控制為主，但應(yīng)注意應(yīng)力突變情況。

表3 各施工階段主梁應(yīng)力（單位：MPa）

表4 各施工階段主塔應(yīng)力（單位：MPa）

表5 各階段主梁軸力及軸力橫向分布（單位：MN）

表6 各階段主梁正彎矩及正彎矩橫向分布（單位：MN·m）

3.2 主梁內(nèi)力橫向分布研究

對于寬箱梁矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)，在建模時采用多虛擬橫梁，多虛擬縱梁相結(jié)合的體系，當(dāng)荷載作用其上時，由于橫向聯(lián)系的強(qiáng)弱不同，各主梁所分?jǐn)偟暮奢d效應(yīng)會有所不同，這樣就產(chǎn)生了荷載的橫向分布問題。分析施工過程中，各主梁的彎矩和軸力，得到了各階段主梁的內(nèi)力橫向分布。

軸力在主墩墩頂位置處最大，主墩墩頂截面各主梁軸力如表5所示。

在各施工階段，4#塊附近正彎矩值為最大，列出各施工階段4#塊彎矩如表6所示。

表5、表6為各階段主梁內(nèi)力橫向分布情況。表格中描述每片主梁內(nèi)力絕對值。圖3、圖4為以1#梁為基準(zhǔn)，將其他各梁內(nèi)力做歸一化處理，得到的每階段主梁內(nèi)力橫向分布系數(shù)。

圖3 軸力橫向分布系數(shù)

圖4 彎矩橫向分布系數(shù)

分析圖3，可以發(fā)現(xiàn)，在施工階段20以前，邊梁的軸力橫向分布系數(shù)最大，說明在此階段以前，由于斜拉索錨固于邊梁附近，斜拉索的縱向水平分力對邊梁的作用最大，導(dǎo)致邊梁的軸向力較大。而在施工階段20以后，斜拉索的縱向水平分力對結(jié)構(gòu)軸力的影響在減弱，在預(yù)應(yīng)力鋼束的作用下，次邊梁和中梁的軸力超過邊梁的軸力。

根據(jù)計算結(jié)果，在施工階段25以前，主梁正彎矩要大于負(fù)彎矩，而在施工階段25以后，主塔位置處主梁有一個極大的負(fù)彎矩區(qū)段，隨著懸臂的增加，負(fù)彎矩也隨之增大。因此，在懸臂施工階段，要密切注意負(fù)彎矩段主梁的應(yīng)力變化情況，以免產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力以致主梁產(chǎn)生開裂缺陷。

分析表6，在全橋合龍以前，次邊梁和中梁的正彎矩大于邊梁的正彎矩，而在合龍以后，主梁的正彎矩有一個突然減小的過程，其中次邊梁的變化最為明顯，橫向分布系數(shù)為最小，而中梁的橫向分布系數(shù)依舊為最大。各主梁負(fù)彎矩值會達(dá)到一個最大值。在施工合龍時，一定要注意主梁的彎矩變化情況，避免因結(jié)構(gòu)內(nèi)力劇烈變化導(dǎo)致局部應(yīng)力過大問題。

4 結(jié)論

通過對施工階段仿真分析計算，可以得出以下結(jié)論：

（1）茜草長江大橋主橋施工階段結(jié)構(gòu)安全可靠，在各種不利情況下，箱梁、塔、斜拉索和橋墩均能滿足規(guī)范要求，并有較高的應(yīng)力儲備。

（2）在施工過程中，要密切注意寬箱梁主梁內(nèi)力橫向分布變化情況，并由此導(dǎo)致的寬箱梁橫向應(yīng)力不均勻現(xiàn)象，防止因局部應(yīng)力過大造成混凝土開裂。

通過對茜草長江大橋主橋施工過程的模擬仿真分析，了解各施工狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的變形和受力特點，分析了寬箱梁內(nèi)力橫向分布狀況，為橋梁的施工控制提供了依據(jù)，可以保證施工過程的順利進(jìn)行，并為同類橋梁的設(shè)計和施工監(jiān)控提供有益的參考。

[1]陳亨錦,王凱,李承根.淺談部分斜拉橋[J].橋梁建設(shè)，2002（1）：44-47.