某矮塔斜拉橋主梁受力分析研究

鄭報文， 張安林， 夏 偉

（安徽省交通勘察設(shè)計院有限公司，安徽 合肥 230011）

1 引 言

矮塔斜拉橋是介于連續(xù)梁橋和普通斜拉橋之間的新型組合結(jié)構(gòu)體系橋梁，具有塔矮、梁剛、索集中的特點［1－3］。就結(jié)構(gòu)特性而言，其綜合普通斜拉橋和連續(xù)梁橋的優(yōu)勢，利用主梁的受彎、受壓和拉索的受拉來承受豎向荷載。其斜拉索具有體外索特征，索對梁提供豎向分量的同時也對梁體提供較大軸壓力，使梁能承受更大的彎矩，可見，矮塔斜拉橋受力以主梁為主，拉索為輔［4－7］。相對普通斜拉橋主要承受壓力的主梁而言，矮塔斜拉橋的主梁不僅要承受大部分的彎矩和剪力，而且還承受軸向壓力。因而，對其主梁進行受力分析研究，是很有必要的。

2 工程背景

某橋跨布置為（80＋140＋80）m的矮塔斜拉橋，采用塔梁固結(jié)，墩梁分離體系。主塔橋面以上高23.5m，為4m×3m鋼筋混凝土獨柱實心矩形截面，布于中央分隔帶。全橋共設(shè)9對斜拉索，空間平行布置，索力一次張拉到位而不進行二期調(diào)索。主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土分離式雙邊箱梁結(jié)構(gòu)，采用懸臂澆筑法施工。

本文通過 MIDAS／CIVIL 2010對全橋建立有限元模型（圖1）進行計算分析，其中主梁采用變截面梁單元進行離散，斜拉索采用只受拉桿單元進行模擬，主塔采用梁單元進行模擬。按施工順序，全橋共劃分為63個施工階段。全橋結(jié)構(gòu)共離散為330個節(jié)點，72個桁架單元，205個梁單元。

圖1 矮塔斜拉橋有限元模型

3 兩狀態(tài)下主梁受力分析研究

該橋采用懸臂澆筑施工工藝，施工過程中，其主梁受力隨著懸臂長度增加而增大，故最大雙懸臂狀態(tài)下主梁懸臂長度最長，自重最大，主梁內(nèi)力最大，結(jié)構(gòu)處于最不穩(wěn)定狀態(tài)。而成橋狀態(tài)是橋梁經(jīng)二期恒載作用后的狀態(tài)，該狀態(tài)下橋梁的內(nèi)力分布和線形優(yōu)劣是衡量設(shè)計和施工水平的重要指標(biāo)之一，其受力安全、線形合理既是橋梁建設(shè)的目標(biāo)也是安全運營的基礎(chǔ)。

本文通過所建立的全橋模型，提取兩狀態(tài)下的主梁內(nèi)力、應(yīng)力數(shù)據(jù)并繪制成對比圖，進行比較分析。因全橋受力對稱且限于篇幅，本文僅取半橋數(shù)據(jù)進行分析。

3.1 主梁內(nèi)力

該橋采用對稱懸臂施工，將最大雙懸臂狀態(tài)和成橋狀態(tài)下相對應(yīng)主梁各截面（單元9－60左截面）的彎矩、軸力和剪力值統(tǒng)計并繪制出兩種狀態(tài)下彎矩、軸力和剪力值對比圖如圖2～圖4所示。

圖2 兩狀態(tài)下主梁截面彎矩對比圖

圖3 兩狀態(tài)下主梁截面軸力對比圖

圖4 兩狀態(tài)下主梁截面剪力對比圖

由圖2分析可知，兩種狀態(tài)下最大彎矩值出現(xiàn)位置相同，均為34號單元，而成橋狀態(tài)下主梁的最大正彎矩值明顯小于最大雙懸臂狀態(tài)下正彎矩值，約為其值的51.84%。

由圖3分析可知，兩種狀態(tài)下最大軸力值出現(xiàn)位置相同，均現(xiàn)于0號塊截面處，且其值幾近相等，整個主梁產(chǎn)生軸力均為壓。兩種狀態(tài)下塔根附近無索區(qū)段截面軸力值非常接近，基本相同，而有索區(qū)段成橋狀態(tài)下的軸力值則明顯大于最大懸臂狀態(tài)下該區(qū)段軸力值，這是由于合龍段預(yù)應(yīng)力作用而產(chǎn)生的效果。

由圖4分析可知，兩種狀態(tài)下剪力變化趨勢一致，最大剪力值出現(xiàn)位置相同，成橋狀態(tài)下的最大剪力值約為最大雙懸臂狀態(tài)下的130%。拉索區(qū)剪力值均呈現(xiàn)鋸齒狀變化，這是斜拉索的豎向分力影響引起的。

由上分析可知，背景工程橋梁存在施工過程的最大內(nèi)力大于成橋最大內(nèi)力的情況，此情況下進行橋梁設(shè)計，應(yīng)當(dāng)以施工過程最大內(nèi)力作為控制截面內(nèi)力設(shè)計的依據(jù)［8］。這與現(xiàn)有的一些研究結(jié)論一致［9－10］。

3.2 主梁應(yīng)力

同理，可將最大雙懸臂狀態(tài)和成橋狀態(tài)下相對應(yīng)主梁各截面（單元9－60左截面）上緣和下緣應(yīng)力值統(tǒng)計并繪制出兩種狀態(tài)下應(yīng)力對比圖，如圖5和圖6所示。

圖5 兩狀態(tài)下主梁上緣應(yīng)力對比圖

圖6 兩狀態(tài)下主梁下緣應(yīng)力對比圖

由圖5分析可知，該橋兩狀態(tài)下主梁截面上緣均受壓應(yīng)力。成橋狀態(tài)下最大壓應(yīng)力值約為最大雙懸臂狀態(tài)下最大壓應(yīng)力值的90.76%，兩狀態(tài)下最大壓應(yīng)力出現(xiàn)位置相同，均為0號塊前端截面，并由該截面對稱的向兩側(cè)幾乎呈線性逐漸減小。成橋狀態(tài)下無索區(qū)主梁上緣應(yīng)力小于最大雙懸臂狀態(tài)下該區(qū)段上緣應(yīng)力；而有索區(qū)及J9索外14和15號塊梁段的主梁上緣應(yīng)力值則正好相反。

由圖6分析可知，該橋兩狀態(tài)下主梁下緣均受壓應(yīng)力。成橋狀態(tài)下最大壓應(yīng)力值為最大雙懸臂狀態(tài)下最大壓應(yīng)力值的131.23%，兩狀態(tài)下主梁下緣最大應(yīng)力值出現(xiàn)位置不同。成橋狀態(tài)下出現(xiàn)于中跨合龍段截面，而最大雙懸臂狀態(tài)下出現(xiàn)于J5索前端截面。有索區(qū)范圍內(nèi)主梁下緣應(yīng)力值出現(xiàn)鋸齒狀變化，且最大雙懸臂狀態(tài)下應(yīng)力值大于成橋狀態(tài)下的下緣應(yīng)力值。而無索區(qū)則相反，成橋狀態(tài)下應(yīng)力值大于最大雙懸臂狀態(tài)下應(yīng)力值，這是合龍段預(yù)應(yīng)力作用影響下的結(jié)果。

4 結(jié) 論

本文應(yīng)用有限元分析軟件 MIDAS／CIVIL 2010所建立的模型計算分析，對該橋最大雙懸臂狀態(tài)和成橋狀態(tài)進行對比分析研究，得出相關(guān)結(jié)論如下：

（1）兩狀態(tài)下，其相應(yīng)最大內(nèi)力出現(xiàn)位置相同。最大雙懸臂狀態(tài)大于成橋狀態(tài)下的最大彎矩值，而兩狀態(tài)下的軸力與剪力最大值則相差不多，成橋狀態(tài)略大于最大雙懸臂狀態(tài)下的相應(yīng)內(nèi)力值。

（2）兩狀態(tài)下，主梁上緣最大壓應(yīng)力值出現(xiàn)位置相同，均為0號塊前端截面，最大雙懸臂狀態(tài)大于成橋狀態(tài)下的相應(yīng)值；而主梁下緣則相反，前一狀態(tài)小于后一狀態(tài)下的相應(yīng)值。

（3）雙塔矮塔斜拉橋設(shè)計時，若出現(xiàn)施工過程的最大內(nèi)力大于成橋最大內(nèi)力的情況，應(yīng)當(dāng)以施工過程最大內(nèi)力作為控制截面內(nèi)力設(shè)計的依據(jù)。

1 鄭報文.秋浦河矮塔斜拉橋監(jiān)控與主梁受力分析研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

2 高 飛.部分斜拉橋力學(xué)性能分析及施工控制研究［D］.鄭州：鄭州大學(xué)，2008.

3 張運波，王東森.PC矮塔斜拉橋施工過程主梁內(nèi)力測試與分析［J］.石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報，2011，24（2）：10－14.

4 劉新翠.雙塔矮塔斜拉橋主梁受力特性分析及研究［D］.西安：長安大學(xué)，2011：2－3.

5 申明文.部分斜拉橋靜力性能研究［D］.上海：同濟大學(xué)，2002.

6 邢曉輝.某矮塔斜拉橋施工期間受力分析［D］.上海：同濟大學(xué)，2009.

7 鄭報文，胡 成，張 巍.某寬幅矮塔斜拉橋施工過程主梁應(yīng)力分析［J］.安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2012，20（6）：62～64.

8 劉沐宇，孫文會，孫向東，等.寬幅矮塔斜拉橋最大懸臂階段主梁受力分析［J］.武漢：華中科技大學(xué)學(xué)報，2010，27（2）：11－13.

9 陳從春.矮塔斜拉橋設(shè)計理論核心問題研究［D］.上海：同濟大學(xué)，2005：1－2.

10 徐洪權(quán).矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)受力特性研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2008.