矮塔斜拉橋計(jì)算過程及方法淺析

白旦旦

(中國華西工程設(shè)計(jì)建設(shè)有限公司,廣東廣州 510600)

矮塔斜拉橋計(jì)算過程及方法淺析

白旦旦

(中國華西工程設(shè)計(jì)建設(shè)有限公司,廣東廣州 510600)

通過湖南一座新建的120 m+200 m+120 m預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋的計(jì)算分析過程,分別從初始平衡目標(biāo)狀態(tài)、不考慮時(shí)間依存效應(yīng)的正裝分析、考慮時(shí)間依存效應(yīng)的正裝分析,移動(dòng)荷載工況分析等關(guān)鍵內(nèi)容簡要地闡述了矮塔斜拉橋的計(jì)算過程和計(jì)算方法,可為今后矮塔斜拉橋的設(shè)計(jì)提供計(jì)算上的參考。

矮塔；斜拉橋；計(jì)算；分析

0 引言

矮塔斜拉橋亦稱為部分斜拉橋,是一種介于常規(guī)斜拉橋和連續(xù)梁之間的一種橋梁結(jié)構(gòu),與常規(guī)斜拉橋相比,塔較矮,主梁剛度較大,索僅起體外預(yù)應(yīng)力作用,大部分荷載還是由主梁來承擔(dān)［1］。因此在計(jì)算上同常規(guī)斜拉橋還是有不同的地方,本文主要從以下幾個(gè)方面來分別闡述湖南一座新建的120 m+200 m+120 m預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋的計(jì)算分析過程,旨在積累工程經(jīng)驗(yàn),加強(qiáng)與同行交流。計(jì)算內(nèi)容如下：

(1)初始平衡目標(biāo)狀態(tài)求解；

(2)不考慮時(shí)間依存效應(yīng)的正裝分析；

(3)考慮時(shí)間依存效應(yīng)的正裝分析；

(4)移動(dòng)荷載工況分析。

1 初始平衡目標(biāo)狀態(tài)求解

根據(jù)《橋規(guī)》規(guī)定,結(jié)構(gòu)計(jì)算模型、幾何特性、邊界條件等必須與實(shí)際結(jié)構(gòu)相一致；結(jié)構(gòu)計(jì)算模型必須能反映結(jié)構(gòu)分階段形成的特點(diǎn),正確反映各重要工況下的結(jié)構(gòu)特性及荷載狀況［2］。

計(jì)算中實(shí)際建模時(shí),將全橋劃分為541個(gè)節(jié)點(diǎn),502個(gè)單元,見圖1。

圖1 模型全圖

在初始平衡狀態(tài)的求解過程中,分別采用了彈性支撐連續(xù)梁法和最小彎曲能法,其初始平衡目標(biāo)狀態(tài)內(nèi)力見圖2、圖3。

圖2 彈性支撐連續(xù)梁法內(nèi)力圖(單位:kN·m)

圖3 最小彎曲能法內(nèi)力圖(單位:kN·m)

從兩種方法的計(jì)算結(jié)果可以看出,基本滿足目標(biāo)狀態(tài)的塔直梁平要求,兩種方法均都可行,但考慮到跨中主梁壓應(yīng)力儲(chǔ)備大一點(diǎn),故本橋采用彈性支撐連續(xù)梁法。

2 不考慮時(shí)間依存效應(yīng)的正裝分析

在確定了初始目標(biāo)平衡狀態(tài)后,通過建立一次落架的施工過程模擬,求解出索的無應(yīng)力長度［3，4］,然后分別采用無應(yīng)力長度控制法和體外力張拉控制兩種方法來分別模擬施工階段,施工階段化分為62個(gè)階段,對(duì)成橋狀態(tài)進(jìn)行分析對(duì)比,見圖4、圖5。

圖4 無應(yīng)力長度控制法成橋內(nèi)力圖

圖5 體外力張拉控制法成橋內(nèi)力圖

從上面兩種方法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比可以看出,兩種方法結(jié)果閉合,均可正確模擬施工階段情況,但考慮到本橋?yàn)榘崩瓨?斜拉索均為一次張拉到位,故采用體外力張拉法,從實(shí)際施工控制上更簡單些,故本橋采用體外力張拉法來分階段將相應(yīng)索一次張拉到控制張拉力。

但在考慮邊跨合攏和中跨合攏時(shí),為了使主梁最終成橋狀態(tài)與目標(biāo)狀態(tài)逼近,故按主梁懸臂端的無應(yīng)力曲率為0 (Ry=0)來控制，因些邊跨懸臂最外側(cè)兩根索及中跨懸臂最外側(cè)兩根索均需要二次調(diào)索,以使懸臂端Ry=0,采用試算的方法,本橋邊跨合攏時(shí),最外側(cè)兩根索的張拉力分別增加4 000 kN和3 000 kN，待邊跨合攏后,合攏段混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求且鋼束張拉后放張；中跨合攏時(shí),最外側(cè)兩根索的張拉力分別增加5 000 kN和4 000 kN，待中跨合攏合攏段混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求且鋼束張拉后放張,成橋主梁內(nèi)力見圖6。

圖6 不考慮時(shí)間依存效應(yīng)成橋主梁內(nèi)力圖(單位:kN·m)

從圖6上看,成橋主梁成橋內(nèi)力與目標(biāo)狀態(tài)逼近,滿足設(shè)計(jì)要求。矮塔斜拉橋在由于主梁剛度較大,在懸臂端最外側(cè)兩根索局部索力增大的情況下,施工階段主梁應(yīng)力變化不大,結(jié)構(gòu)較容易滿足規(guī)范要求,較常規(guī)斜拉橋更容易控制。

3 考慮時(shí)間依存效應(yīng)的正裝分析

在上述階段得到滿意的成橋狀態(tài)和各施工階段主梁及主塔應(yīng)力均滿足規(guī)范要求的情況下,本次計(jì)算考慮時(shí)間依存效應(yīng),既考慮收縮徐變效應(yīng)。成橋主梁內(nèi)力見圖7。

圖7 考慮時(shí)間依存效應(yīng)成橋主梁內(nèi)力圖(單位:kN·m)

從圖7上看,成橋主梁成橋內(nèi)力與目標(biāo)狀態(tài)逼近,考慮到運(yùn)營后,除著主梁混凝土徐變的發(fā)展,跨中主梁將下?lián)?主墩將向跨中方向偏移,故在本階段考慮在中跨合擾時(shí),采用對(duì)頂?shù)姆椒?使主墩預(yù)先向邊跨方向偏移一定位移,待成橋運(yùn)營一段時(shí)間后,主墩向河心偏位后,主墩受力更逼近于只受壓構(gòu)件,本橋采用8 000 kN的對(duì)頂力。

4 移動(dòng)荷載工況分析

在成橋狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求的情況下,需要考慮活載效應(yīng)對(duì)橋梁的影響效應(yīng),由于索單元為非線性單元,無法按彈性理論進(jìn)行線性疊加分析,故索單元按成橋階段初始應(yīng)力按等效桁架單元模擬來進(jìn)行分析。活載產(chǎn)生的主梁內(nèi)力見圖8。

圖8 活載產(chǎn)生的主梁內(nèi)力圖(單位:kN·m)

由于在橋梁運(yùn)營階段,汽車荷載會(huì)對(duì)拉索產(chǎn)生疲勞作用,因此需要對(duì)拉索進(jìn)行疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì),應(yīng)以正常使用狀態(tài)下的活載應(yīng)力幅作為疲勞設(shè)計(jì)的荷載效應(yīng)。通常部分斜拉橋的活載應(yīng)力幅為一般斜拉橋的1/3～1/4。日本學(xué)者研究表明,日本的部分斜拉橋活載應(yīng)力幅大都在50 MPa,少數(shù)達(dá)到30 MPa,國內(nèi)部分斜拉橋中,漳州戰(zhàn)備大橋?yàn)?2 MPa，蘭州小西湖黃河大橋?yàn)?4.5 MPa,吳淞江大橋?yàn)?2.3 MPa,而一般斜拉橋最大應(yīng)力幅可達(dá)到150 MPa。本橋活載應(yīng)力幅見表1。

表1 活載應(yīng)力幅

5 結(jié)語

在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)高速發(fā)展的今天,全國各地興建了大量的矮塔斜拉橋,隨著跨度的增加與主梁材質(zhì)的不同,出現(xiàn)了各種組合的橋型,對(duì)橋梁技術(shù)人員提出了更高的技術(shù)要求,由于作者水平有限,本著拋磚引玉的態(tài)度,通過一座常規(guī)矮塔斜拉橋的分析計(jì)算過程,來簡述這類橋梁的分析過程,旨在加強(qiáng)與同行的交流學(xué)習(xí)。

［1］ 劉士林，王似舜.斜拉橋設(shè)計(jì)［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［2］ 梁愛霞，謝尚英.部分斜拉橋斜拉索設(shè)計(jì)［J］.四川建筑，2009(5): 112-113.

［3］ 梁鵬，肖汝誠，張雪松.斜拉橋索力優(yōu)化實(shí)用方法 ［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003(11):14-18.

［4］ JTG/T D65-01-2007，公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則［S］.

U448.27

B

1009-7716(2015)09-0090-02

2015-05-18

白旦旦(1982-),男,河南鄧州人,工程師,從事橋梁設(shè)計(jì)工作。