結(jié)構(gòu)參數(shù)對矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)受力性能的影響分析

王 彬

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

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結(jié)構(gòu)參數(shù)對矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)受力性能的影響分析

王 彬

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

從邊中跨比、索塔高跨比、無索區(qū)長度、主梁梁高4個(gè)參數(shù)方面研究其對跨中長距離等截面矮塔斜拉橋的主梁變形、內(nèi)力及斜拉索索力等結(jié)構(gòu)性能的影響，分析出各個(gè)參數(shù)在此類橋型中的合理取值范圍，為以后的矮塔斜拉橋設(shè)計(jì)提供參考。

矮塔斜拉橋；邊中跨比；索塔高跨比；無索區(qū)長度；梁高；結(jié)構(gòu)性能

0 引言

矮塔斜拉橋是介于連續(xù)梁(剛構(gòu))與斜拉橋之間的一種橋型，具有塔矮、梁剛、索集中的特點(diǎn)；受力行為上有大部分外荷載由梁受彎、受剪來承受，斜拉索起輔助作用，承擔(dān)部分荷載，對后期運(yùn)營階段橋梁跨中下?lián)嫌酗@著的改善作用[1-2]。目前常規(guī)大跨徑矮塔斜拉橋主梁設(shè)計(jì)大都按連續(xù)梁(剛構(gòu))設(shè)計(jì)思路進(jìn)行變截面設(shè)計(jì)，主梁從墩頂?shù)娇缰卸际亲兘孛娓叨攘?，但由于矮塔斜拉橋每根索在主梁上的錨固端都有一道橫隔板，變高度梁給設(shè)計(jì)與施工帶來很多繁瑣工序，而且也不經(jīng)濟(jì)[3-4]。參考大跨斜拉橋主梁形式，充分考慮拉索的作用，可以使矮塔斜拉橋拉索區(qū)梁段和跨中無索區(qū)梁段主梁設(shè)計(jì)成等高主梁，如圖1所示。主梁變化范圍僅在墩頂無索區(qū)段，這樣優(yōu)化帶來的優(yōu)點(diǎn)有：設(shè)計(jì)、施工工序簡化，工期縮短；經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)更好；造型簡潔美觀。

圖1 中跨長距離等截面矮塔斜拉橋示意圖

矮塔斜拉橋?yàn)楦叽纬o定結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)很大一部分取決于主梁的剛度、拉索布置長度、以及索塔的高度，邊中跨比也是影響結(jié)構(gòu)性能的重要參數(shù)。本文結(jié)合矮塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析這些參數(shù)之間的變化規(guī)律，對以后同類橋梁的設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

1 邊中跨比的影響分析

矮塔斜拉橋邊中跨比是一個(gè)重要參數(shù)，比例太小會(huì)導(dǎo)致邊跨支點(diǎn)處出現(xiàn)負(fù)拉力；比例太大，則邊跨會(huì)出現(xiàn)較大的正彎矩，給斜拉索的調(diào)索和邊跨的配束帶來困難，無論哪種情況都要盡量避免。本文以某工程為優(yōu)化背景，保持主跨跨度、主梁高度、主塔高度和斜拉索參數(shù)不變，選取主梁關(guān)鍵點(diǎn)內(nèi)力及最大撓度為分析目標(biāo)，研究成橋狀態(tài)下邊跨比例對結(jié)構(gòu)性能的影響[4-5]。

圖2 中跨長距離等截面矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)離散圖

采用MIDAS分析軟件建立有限元模型，如圖2所示。通過調(diào)整邊跨現(xiàn)澆段長度來實(shí)現(xiàn)邊中跨比例的變化。對5種不同的邊主跨比γ=0.5、0.55、0.60、0.65、0.7進(jìn)行成橋狀態(tài)分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 邊中跨比對主梁受力影響分析關(guān)系圖

從圖3可以看出，隨著邊中跨比γ的增大，主梁墩頂中孔側(cè)的負(fù)彎矩基本不變，而邊孔側(cè)的負(fù)彎矩迅速增大，增加了38.3%；主梁最大撓度及主梁中跨正彎矩逐漸減少，但減少幅度不大；邊跨跨中的正彎矩急劇增加，增大了將近38倍，這是由于邊跨的增大，拉索承擔(dān)的荷載比例降低，邊孔主梁的荷載增大，進(jìn)而增大了邊跨正彎矩。綜上所述，邊中跨比只有取在較合理的范圍內(nèi)，主梁各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)才能最優(yōu)化，從本例的分析數(shù)據(jù)，邊中跨比取0.5～0.65是合理的，但在實(shí)際設(shè)計(jì)實(shí)踐中應(yīng)進(jìn)行合理的計(jì)算比對來確定邊中跨比的大小。

2 索塔高跨比的影響分析

索塔的作用是通過改變斜拉索傾角來影響主梁結(jié)構(gòu)性能。保持邊主跨跨徑布置、主梁高度和斜拉索參數(shù)不變，選取主梁關(guān)鍵點(diǎn)內(nèi)力及最大撓度為分析目標(biāo)，研究成橋狀態(tài)下索塔高跨比對結(jié)構(gòu)性能的影響。對5種不同的索塔高跨比k=0.09、0.11、0.13、0.15、0.18、進(jìn)行成橋狀態(tài)分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 索塔高跨比對主梁受力影響分析關(guān)系圖

從圖4可以看出，隨著索塔高跨比的增大，主梁墩頂邊、中孔側(cè)的負(fù)彎矩迅速減小，降低了約67.4%；主梁最大撓度及邊、中跨正彎矩隨著索塔高跨比的增大單調(diào)減少，但減少幅度不大。由此可以看出，索塔高度對全橋的力學(xué)性能影響較大，索塔越高，主梁受力性能越好，但這樣拉索承擔(dān)的活荷載也就越大，當(dāng)拉索的活載系數(shù)大于33%時(shí)，此類橋梁已跨入斜拉橋范疇[1]。從本例的分析數(shù)據(jù)，索高跨比取0.09～0.15是合理的，但在實(shí)際設(shè)計(jì)實(shí)踐中應(yīng)進(jìn)行合理的計(jì)算比對來確定邊索塔跨高比的大小。

3 無索區(qū)長度的影響分析

無索區(qū)分為塔根無索區(qū)、跨中無索區(qū)及邊跨無索區(qū)。此類橋型主梁剛度較大，歸類于剛梁類預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋。本文針對此類橋型的無索區(qū)長度通過改變斜拉索在主梁上的錨固位置來實(shí)現(xiàn)，索塔、主梁及拉索的剛度，全橋基本尺寸保持不變，選取主梁關(guān)鍵點(diǎn)內(nèi)力及最大撓度為分析目標(biāo)，分別研究成橋狀態(tài)下塔根無索區(qū)、跨中無索區(qū)長度對結(jié)構(gòu)性能的影響。邊跨無索區(qū)長度可根據(jù)跨中無索區(qū)長度及邊中跨比確定。

3.1 塔根無索區(qū)長度的影響分析

當(dāng)塔根無索區(qū)長度Lu變化時(shí)，保持邊跨及中跨無索區(qū)長度不變，拉索根數(shù)不變，僅改變拉索的傾角和錨固位置。對5種不同的索塔高跨比k1=0.1、0.12、0.15、0.18、0.2進(jìn)行成橋狀態(tài)分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 Lu/L對主梁受力影響分析關(guān)系圖

從圖5可以看出，隨著塔根無索區(qū)長度的增大，主梁最大撓度先減少后增加，在比值為0.15左右撓度值最小；主梁塔根截面相對偏心距也是先減少后增大，在比值為0.15左右撓度值最小。

3.2 跨中無索區(qū)長度的影響分析

當(dāng)跨中無索區(qū)長度Le變化時(shí)，保持邊跨及塔根無索區(qū)長度不變，拉索根數(shù)不變，僅改變拉索的傾角和錨固位置。對5種不同的索塔高跨比k2=0.2、0.25、0.3、0.35、0.4進(jìn)行成橋狀態(tài)分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 Le/L對主梁受力影響分析關(guān)系圖

從圖6可以看出，隨著跨中無索區(qū)長度的增大，主梁最大撓度先減少后增加，在比值為0.3左右撓度值最?。恢髁核孛嫦鄬ζ木嘁彩窍葴p少后增大，在比值為0.3左右撓度值最小。

從本例的分析數(shù)據(jù)來看，塔根無索區(qū)長度及跨中無索區(qū)長度與中跨長度比值分別取為0.15和0.3附近是合理的，這與《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》中關(guān)于矮塔斜拉橋“索塔附近宜取0.15～0.2倍主跨跨徑；中跨跨中宜取0.20～0.35倍的中跨跨徑”的結(jié)論相符合[6]。

4 主梁梁高的影響分析

對于大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，主梁受力帶有明顯的偏心受壓情況，采用整體性能和抗扭性能出色的變截面箱梁是合適的。對于本文跨中等截面梁長度較長的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，按照常規(guī)連續(xù)梁(剛構(gòu))主梁高度取法，勢必造成主梁剛度不足，降低主橋受力性能。針對這種情況本文從跨中截面高度和墩頂截面高度，兩者在塔根無索區(qū)段采用2次拋物線形式過度。

4.1 跨中梁高的影響分析

當(dāng)主橋跨中梁高h(yuǎn)變化時(shí)，保持邊主跨跨徑布置、墩頂主梁高度和斜拉索參數(shù)不變，選取主梁關(guān)鍵點(diǎn)內(nèi)力及最大撓度為分析目標(biāo)，研究成橋狀態(tài)下跨中梁高對結(jié)構(gòu)性能的影響。對5種主梁高度h主跨L的比值β=1/60、1/55、1/50、1/45、1/40進(jìn)行成橋狀態(tài)分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 h/L對拉索及主梁受力影響分析關(guān)系圖

從圖7可以看出隨著跨中梁高的的增大，拉索的最大拉力逐漸降低，這是由于主梁剛度隨之增大，承擔(dān)的荷載比例也增大，所以拉索分擔(dān)的荷載減少；主梁最大撓度也是隨著主梁剛度的增大呈現(xiàn)降低趨勢，但在β較小段變化很小，隨著β值增大，主梁最大撓度下降趨勢明顯，當(dāng)β值增大到一定程度，撓度值幾乎不變，這說明了β值集中在1/55～1/45之間是主梁受力性能變化最明顯區(qū)間。

4.2 索塔底梁高的影響分析

當(dāng)主橋索塔底梁高H變化時(shí)，保持邊主跨跨徑布置、墩頂主梁高度和斜拉索參數(shù)不變，選取主梁關(guān)鍵點(diǎn)內(nèi)力及最大撓度為分析目標(biāo)，研究成橋狀態(tài)下索塔底梁高對結(jié)構(gòu)性能的影響。對5種主梁高度H主跨L的比值Δ=1/45、1/40、1/35、1/30、1/25進(jìn)行成橋狀態(tài)分析，結(jié)果如圖8所示。

圖8 H/L對主梁及拉索受力影響分析關(guān)系圖

從圖8可以看出，隨著塔根梁高的的增大，主梁墩頂彎矩右減少的趨勢，當(dāng)H/L=1/30時(shí)，彎矩變化最大，比H/L=1/35降低了20%左右；拉索的最大拉力也隨著塔根梁高的的增大而逐漸降低趨勢，但當(dāng)H/L=1/30時(shí)拉索最大拉力減少的趨勢變緩，拉索承擔(dān)的荷載比重怎大。所以從這點(diǎn)上分析看以看出，塔根梁高與中跨跨徑比值為1/30是較合理的。

綜上分析，跨中梁高與中跨跨徑比值取為1/55～1/45，索塔根部梁高與中跨跨徑比值取為1/30左右是合適的。根據(jù)《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》中關(guān)于矮塔斜拉橋“梁高與跨徑之比采用1/35～1/45?？拷幜焊呖稍龃?，形成變截面”的結(jié)論是相符合[6]。

5 實(shí)際工程應(yīng)用

以某一橋梁工程為依托，初擬主跨210 m矮塔斜拉橋?yàn)樵O(shè)計(jì)方案。按照前述參數(shù)取值范圍對橋跨結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行定義，邊跨L=116 m，塔高H=30 m，塔根無索區(qū)長度Lu=36 m，跨中無索區(qū)長度Le=26 m，主梁跨中梁高為4 m，塔底梁高為7 m，在墩頂無索區(qū)長度內(nèi)過度。主橋?yàn)槿珉p塔雙索面跨中長距離等截面矮塔斜拉橋，采用塔、墩、梁固結(jié)方式。主梁為單箱三室箱型截面，頂板寬度17.95 m，底板寬度6 m，兩側(cè)腹板斜置，邊腹板厚0.3 m，中腹板厚0.8 m。按單向4車道考慮，建立有限元模型，分析結(jié)果表明：主梁最大主拉應(yīng)力為0.3 MPa(受壓)，滿足參考文獻(xiàn)7第6.3.1條關(guān)于主拉應(yīng)力≤0.4ftk=1.1 MPa的要求；主梁最大主壓應(yīng)力為16.9 MPa(受壓)，滿足參考文獻(xiàn)7第7.1.5條關(guān)于混凝土主壓應(yīng)力≤0.4fck=-17.8 MPa的要求；主梁最大撓度為16.2 cm，滿足參考文獻(xiàn)7第6.5.3條關(guān)于撓度≤L中跨/600=35 cm的要求[7]。所以，前述參數(shù)取值范圍對中跨長距離等截面矮塔斜拉橋是適用的。

6 結(jié)論

(1)隨著邊中跨比的增大，主梁最大撓度及中跨正彎矩逐漸減少，但減少幅度不大，影響不明顯；邊跨跨中的正彎矩急劇增加。

(2)隨著索塔高跨比的增大，主梁墩頂邊、中孔側(cè)的負(fù)彎矩迅速減小，影響較大；主梁最大撓度及邊、中跨正彎矩隨著索塔高跨比的增大單調(diào)減少，但減少幅度不大。對于矮塔斜拉橋索的活載系數(shù)小于33%的定義，本文橋型索塔高跨比取0.09～0.15是合理的。

(3)隨著塔根無索區(qū)長度的增大，主梁最大撓度先減少后增加，在比值為0.15左右撓度值最??；主梁塔根截面相對偏心距也是先減少后增大，在比值為0.15左右撓度值最小。

(4)隨著跨中無索區(qū)長度的增大，主梁最大撓度先減少后增加，在比值為0.3左右撓度值最?。恢髁核孛嫦鄬ζ木嘁彩窍葴p少后增大，在比值為0.3左右撓度值最小。

(5)跨中梁高與中跨跨徑比值取為1/55～1/45，索塔根部梁高與中跨跨徑比值取為1/30左右是合適的，這與《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》中關(guān)于矮塔斜拉橋的結(jié)論相符合。

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The Study on One Kind of Structural Parameters of Low Tower Cable-stayed Bridge

Wang Bin

(Shanxi Transportation Research Institute, Taiyuan 030006, China)

This paper study on long-distance and other cross-sectional Extradossed Bridge girder deformation, internal forces and stay cable the force of impact of structural performance from the edge of the cross-ratio, high-span ratio tower, length of no cable area, beam girder high four parameters of low tower cable-stayed bridge,and analysis of various parameters in the reasonable range of such bridge, provide a reference for future low tower cable-stayed bridge design.

low tower cable-stayed bridge; cross-ratio; high-span ratio tower; length of no cable area; beam girder high; structural performance

2014-09-30 責(zé)任編輯:劉憲福

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2015.04.04

王彬(1984-)，男，工程師，工學(xué)碩士，從事橋梁工程設(shè)計(jì)工作。E-mail:wangbin507705@163.com

U448.27

A

2095-0373(2015)04-0016-06

王彬.結(jié)構(gòu)參數(shù)對矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)受力性能的影響分析[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015,28(4):16-21.