某獨(dú)斜塔斜拉橋主梁剛度對結(jié)構(gòu)的影響分析

鄭報文， 夏 偉， 張安林

(安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230011)

某獨(dú)斜塔斜拉橋主梁剛度對結(jié)構(gòu)的影響分析

鄭報文， 夏 偉， 張安林

(安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230011)

斜塔斜拉橋的主梁作為主要受力構(gòu)件，其剛度的大小對結(jié)構(gòu)受力起到至關(guān)重要的作用。文章結(jié)合某在建獨(dú)斜塔斜拉橋，分析該類斜拉橋的主梁剛度對該橋梁結(jié)構(gòu)的影響，以期為同類橋型的設(shè)計(jì)提供參考。

斜拉橋；獨(dú)塔；斜塔；剛度

0 引 言

隨著人類物質(zhì)文明和精神文明的發(fā)展，人們對橋梁的要求往往不再局限于其交通功能的要求，還需體現(xiàn)當(dāng)?shù)厝宋木坝^、歷史文化、時代風(fēng)貌等[1-3]。鑒于此，斜塔斜拉橋應(yīng)運(yùn)而生，它不僅繼承了普通斜拉橋的輕盈美觀、線條流暢，更帶給人們強(qiáng)烈的不對稱美感和視覺沖擊力[4-6]。

斜塔斜拉橋的主梁作為主要受力構(gòu)件，其剛度的大小對結(jié)構(gòu)受力起到至關(guān)重要的作用[7]。本文結(jié)合某在建獨(dú)斜塔斜拉橋，分析該類斜拉橋的主梁剛度對該橋的影響，以期為同類橋型的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程背景

某跨徑為100 m+75 m的獨(dú)塔斜拉橋，寬度為24.0 m，橋梁整幅布置，塔梁墩固結(jié)。主梁采用單箱五室斜腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，采用滿堂支架現(xiàn)澆施工工藝，主跨側(cè)梁長100 m，邊跨側(cè)75 m。為切合當(dāng)?shù)貧v史文化背景，鋼管混凝土主塔采用雙柱的形式，橋面以上塔高為60 m，且向邊跨傾斜10°。

本文通過MIDAS/CIVIL 2015建立全橋有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析，其中主梁采用梁單元進(jìn)行離散，斜拉索采用只受拉桿單元進(jìn)行模擬，主塔采用聯(lián)合截面進(jìn)行梁單元模擬。

考慮恒載、活載、施工荷載、溫度荷載和基礎(chǔ)沉降等因素，按施工順序，全橋共劃分為66個施工階段對全橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。

2 主梁剛度對結(jié)構(gòu)影響分析

斜塔斜拉橋的主梁作為主要受力構(gòu)件，其剛度的大小對結(jié)構(gòu)受力起到至關(guān)重要的作用[8]。本文保持其他參數(shù)不變，僅調(diào)整主梁剛度EI，分別將其調(diào)整為原設(shè)計(jì)剛度的0.5倍、0.87倍、0.94倍、1.04倍、1.1倍、1.5倍和2.0倍來建立模型，分別計(jì)算，并提取各剛度下恒載作用、活載作用、成橋十年和標(biāo)準(zhǔn)組合下的特征數(shù)據(jù)，進(jìn)行比較分析。

2.1 對塔頂縱向位移和主梁最大撓度的的影響

由圖1各工況下塔頂縱向位移圖(圖中橫軸為主梁剛度EI，豎軸為塔頂縱向位移δ，負(fù)號表示向主跨側(cè)傾斜)可以看出：隨著主梁剛度EI的增加，成橋10 a工況下的塔頂縱向位移δ增加顯著；恒載作用和標(biāo)準(zhǔn)組合工況下，隨著EI增加，δ略有增大，但增幅不明顯；活載作用下，隨著EI增加，δ明顯減小。

圖1 各工況下塔頂縱向位移

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，各工況下主梁最大位移均發(fā)生在跨中位置，選擇主梁跨中節(jié)點(diǎn)位移數(shù)據(jù)，并制成各工況下主梁最大位移圖，如圖2所示。圖中橫軸為主梁剛度EI，豎軸為主梁豎向位移δ，負(fù)號表示下?lián)?。由圖2可看出：各工況下主梁最大位移均隨著主梁剛度EI的增大而減小。

圖2 各工況下主梁最大撓度

2.2 對主梁和主塔彎矩的影響

由圖3和圖4(圖中橫軸為主梁剛度EI，豎軸為主梁彎矩M)可以看出：各工況下主梁跨中及支點(diǎn)彎矩均隨著主梁剛度EI的增加而增加。

由圖5可以看出：各工況下塔根彎矩隨主梁剛度的增加而減小。

圖3 各工況下主梁跨中負(fù)彎矩

圖4 各工況下主梁支點(diǎn)彎矩

圖5 各工況下塔根彎矩

結(jié)合圖4和圖5各工況下主梁支點(diǎn)和塔根彎矩圖可知，隨著主梁剛度的增加，主梁對整個結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)逐漸增加，而橋塔對整個結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)相對減小，表現(xiàn)為主梁所分配的內(nèi)力(彎矩)增加，主塔所分配的內(nèi)力減小[9-10]。由此說明，對于剛構(gòu)體系獨(dú)塔斜拉橋結(jié)構(gòu)，塔梁結(jié)合處內(nèi)力分配是由塔和梁的剛度比決定的。

2.3 對主梁應(yīng)力的影響

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，各工況下主梁最大應(yīng)力均發(fā)生在主梁變截面位置，選擇該處主梁應(yīng)力，并制成各工況下主梁最大應(yīng)力圖，如圖6所示。圖6中橫軸為主梁剛度EI，豎軸為主梁最大應(yīng)力σ，負(fù)號表示壓應(yīng)力。由圖可看出：各工況下主梁上緣和下緣最大應(yīng)力σ均隨著主梁剛度EI的增大而增大。

圖6 各工況下主梁上、下緣最大應(yīng)力

3 結(jié) 論

(1) 隨著主梁剛度的增加，主梁彎矩增大，跨中撓度減小。

(2) 隨著主梁剛度的增加，主塔彎矩和塔頂位移均減小。

(3) 隨著主梁剛度的增加，主梁最大應(yīng)力隨之增大。

(4) 對于剛構(gòu)體系獨(dú)塔斜拉橋結(jié)構(gòu)，塔梁結(jié)合處內(nèi)力分配是由塔和梁的剛度比決定的。故而在該類橋型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，需合理選擇塔梁剛度。

[1] 楊 靖.斜塔無背索部分斜拉橋靜力性能與動力性能分析[D].西安：長安大學(xué),2008.

[2] 孫 超.斜塔有背索斜拉橋的受力行為研究[D].西安：長安大學(xué)，2012.

[3] 陳海樺.獨(dú)塔斜拉橋合理成橋索力及設(shè)計(jì)參數(shù)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2005.

[4] 樓旦豐.獨(dú)塔雙跨不對稱矮塔斜拉橋受力特性分析[D].杭州：浙江大學(xué)，2015.

[5] 李忠三.基于靜動力特性的多塔長跨斜拉橋結(jié)構(gòu)體系剛度研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2014.

[6] 陳海浪.組合體系橋梁構(gòu)件協(xié)作受力特性研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2011.

[7] 李曉莉.獨(dú)塔斜拉橋的設(shè)計(jì)理論研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

[8] 韓 威.獨(dú)斜塔斜拉橋合理成橋索力及參數(shù)敏感性研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2013.

[9] 江德增.斜塔斜拉橋施工與運(yùn)營過程中的力學(xué)行為研究[D].廣州：華南理工大學(xué),2010.

[10] 楊 勇，劉英偉.不對稱斜塔斜拉橋的受力和設(shè)計(jì)分析研究[J].特種結(jié)構(gòu)，2014，31(6)：68～72.

2016-10-25

鄭報文(1987-)，男，江西德興人，碩士，安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司工程師．

U448.27

A

1673-5781(2016)05-0587-03