V形雙拱獨(dú)塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系

周 婧, 殷任宏

(1. 西安市公路工程管理處, 陜西 西安 710065; 2. 長安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710064)

V形雙拱獨(dú)塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系

周 婧1, 殷任宏2

(1. 西安市公路工程管理處, 陜西 西安 710065; 2. 長安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710064)

研究了V形雙拱獨(dú)塔斜拉橋塔、梁、墩等構(gòu)件不同的內(nèi)部連接方式,分析不同塔梁墩結(jié)合方式對結(jié)構(gòu)受力和變形的影響,揭示不同塔梁墩結(jié)合方式與結(jié)構(gòu)各構(gòu)件受力和變形內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律,為優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供相關(guān)依據(jù).

V形; 雙拱獨(dú)塔斜拉橋; 結(jié)構(gòu)體系; 內(nèi)力

2008年鄧文中院士基于索輔梁橋的理念設(shè)計(jì)了國內(nèi)第一座V形雙拱獨(dú)塔斜拉橋----沈陽渾河三好橋.V形雙拱獨(dú)塔斜拉橋的兩片拱塔空間呈V形展開,結(jié)構(gòu)的每對斜拉索由一根水平索和兩根斜拉索組成,三根拉索形成一個(gè)相對平衡的傳力體系,造型新穎、美觀[1-3],且V形雙拱獨(dú)塔斜拉橋采用了索輔梁橋的設(shè)計(jì)理念,通過對載荷進(jìn)行合理的分配,拱塔與拉索只承受一部分的載荷,這樣不僅優(yōu)化了結(jié)構(gòu)分擔(dān)載荷的能力,可以降低造價(jià),還為其在造型上提供了更廣的變換空間,更容易與城市景觀融為一體,滿足人們的審美要求.V形雙拱獨(dú)塔斜拉橋優(yōu)越的結(jié)構(gòu)性能,良好的經(jīng)濟(jì)性以及優(yōu)美的橋梁造型,在與其他類型的城市橋梁競爭中顯示出越來越強(qiáng)大的競爭力,受到越來越多橋梁設(shè)計(jì)師的青睞[4-5].

橋梁結(jié)構(gòu)體系是指橋梁區(qū)別于其他類別的結(jié)構(gòu)形式或同一種橋型內(nèi)構(gòu)件與構(gòu)件之間的聯(lián)系,是影響結(jié)構(gòu)受力的最根本特征[6-8].因此,本文對V形雙拱獨(dú)塔斜拉橋塔、梁、墩等構(gòu)件不同的內(nèi)部連接方式展開研究,分析不同塔梁墩結(jié)合方式對結(jié)構(gòu)受力和變形的影響,揭示不同塔梁墩結(jié)合方式與結(jié)構(gòu)各構(gòu)件受力和變形內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律,為優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供相關(guān)依據(jù).

1 工程概況

2 結(jié)構(gòu)體系對結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響

采用數(shù)值分析的有限元方法對V形雙拱獨(dú)塔斜拉橋體系進(jìn)行研究,通過改變所要研究的主梁、拱塔、橋墩的結(jié)合方式,形成漂浮、支承、塔梁固結(jié)與剛構(gòu)4種體系并建立結(jié)構(gòu)模型.

體系1是在拱塔橫梁處不設(shè)支座,即漂浮體系,如圖2a所示;體系2是在拱塔橫梁處設(shè)支座,即支承體系,如圖2b所示;體系3是主梁和拱塔固結(jié),拱塔底部為鉸接,即塔梁固結(jié)體系,如圖2c所示;體系4是主梁和拱塔固結(jié),并在拱塔底部固結(jié),即剛構(gòu)體系,如圖2d所示.

圖1 灃河大橋總體布置圖(單位:cm)Fig.1 Overall arrangement of Fenghe River Bridge(Unit: cm)

圖2 結(jié)構(gòu)體系圖Fig.2 Diagram of structural system(a)—漂浮體系; (b)—支承體系; (c)—塔梁固結(jié)體系; (d)—?jiǎng)倶?gòu)體系.

2.1 計(jì)算模型的建立

采用Midas/Civil 2015建立V形雙拱獨(dú)塔斜拉橋的空間仿真計(jì)算模型(圖3).在建模過程中,由于各構(gòu)件的形式及受力不同,鋼主梁、鋼拱塔采用梁單元進(jìn)行模擬,而拉索則采用考慮恩斯特公式修正的等效桁架(只受拉)單元進(jìn)行模擬.模型中共建367個(gè)節(jié)點(diǎn),310個(gè)梁單元,48個(gè)桁架單元.因?yàn)樵摌蛐崩餍问綖榭臻g索面,鋼箱主梁和斜拉索吊點(diǎn)采用“剛性連接”(主梁節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn),拉索節(jié)點(diǎn)為從屬節(jié)點(diǎn))模擬,索塔與水平索的連接通過共節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理.

通過改變仿真模型中的邊界條件模擬塔梁墩不同的連接方式,塔梁固結(jié)和剛構(gòu)體系均采用彈性連接中的剛性連接進(jìn)行模擬,而墩頂?shù)闹ё捎靡话阒С羞M(jìn)行模擬,不建立主墩單元.

圖3 灃河大橋有限元模型圖

2.2 結(jié)構(gòu)體系對合理成橋狀態(tài)的影響

采用梁鵬等[9]提出的最小彎矩能量法的簡化實(shí)用方法優(yōu)化成橋狀態(tài),得到恒載作用下各體系成橋狀態(tài)的索力及內(nèi)力分別見圖4、圖5及表1.

圖4 不同體系斜拉索索力Fig.4 Cable forces of different system

由圖4、圖5可知,4種體系的斜拉索X1～X5、水平索S1～S5的索力相差不大,僅在靠近拱塔的3根拉索索力相差較大,其中漂浮體系與其他三種體系有明顯區(qū)別.表明不同的塔梁墩結(jié)合方式對塔梁交接附近的拉索索力影響較大,對梁端拉索影響較小.

圖5 不同體系水平索索力Fig.5 Horizontal cable force of different system

表1 不同結(jié)構(gòu)體系合理成橋狀態(tài)內(nèi)力值Table 1 Internal force value of different structural system under reasonable finished state MN·m

由表1可知,經(jīng)最小彎矩能量法優(yōu)化的成橋狀態(tài)中,漂浮、支承、固結(jié)及剛構(gòu)4種體系中的漂浮體系主梁最大正負(fù)彎矩最大,塔梁固結(jié)體系次之,剛構(gòu)體系最小;漂浮體系拱塔最大正彎矩最大,支承體系次之,塔梁固結(jié)體系最小;塔梁固結(jié)體系拱塔最大負(fù)彎矩最大,剛構(gòu)體系次之,漂浮體系最小.各體系主梁及拱塔軸力最大值相差不大.

2.3 結(jié)構(gòu)體系對汽車載荷效應(yīng)的影響

考慮拉索的垂度效應(yīng), 在公路-Ⅰ級的汽車載荷作用下, 各體系最大的載荷效應(yīng)如表2所示, 結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、撓度包絡(luò)圖曲線如圖6～圖9所示.

表2 不同結(jié)構(gòu)體系汽車載荷作用效應(yīng)值Table 2 Effect value of different structural system under vehicle load

由表2和圖6～圖9可知,不同結(jié)構(gòu)體系主梁和拱塔的彎矩、撓度包絡(luò)圖曲線趨勢相似,漂浮、支承、塔梁固結(jié)及剛構(gòu)體系的主梁撓度分別在46 m、50 m、48 m、50 m處取得極值,剛構(gòu)體系撓度最小,固結(jié)體系次之,漂浮體系最大;拱塔的水平位移剛構(gòu)體系最大,塔梁固結(jié)體系次之,而支承體系最小.

2.4 結(jié)構(gòu)體系對附加內(nèi)力的影響

V形雙拱獨(dú)塔斜拉橋是超靜定結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)內(nèi)力受溫度變化及基礎(chǔ)變位影響很大.為了分析不同結(jié)構(gòu)體系對溫度及基礎(chǔ)變位效應(yīng)的影響,分別對整體升溫25 ℃、索梁(塔)溫差10 ℃及基礎(chǔ)變位3種作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進(jìn)行分析,計(jì)算結(jié)果見表3.在計(jì)算基礎(chǔ)變位作用時(shí),1 cm、交界墩處沉降0.5 cm考慮,沉降位置按最不利情況組合.

按瞬時(shí)索塔處沉降

圖6 主梁彎矩包絡(luò)圖

圖7 拱塔彎矩包絡(luò)圖

圖8 主梁撓度包絡(luò)圖Fig.8 Envelope diagram of deflection of main beam

圖9拱塔水平位移包絡(luò)圖

Fig.9 Envelope diagram of horizontal displacement of arch tower

表3 不同結(jié)構(gòu)體系附加作用內(nèi)力值Table 3 Internal force value of different structural system under additional load kN·m

由表3可知,在溫度及基礎(chǔ)變位載荷作用下,不同體系下在主梁和拱塔中產(chǎn)生的彎矩不大.體系溫差及索梁(塔)溫差作用在漂浮、支承體系引起的效應(yīng)較小,而在塔梁固結(jié)、剛構(gòu)體系引起的溫度效應(yīng)較大,且剛構(gòu)體系的效應(yīng)值大于塔梁固結(jié)體系.基礎(chǔ)沉降作用下在各種結(jié)構(gòu)體系引起主梁的縱向彎矩My較小,引起主梁橫向彎矩Mz較大,且對固結(jié)體系影響最大,對漂浮體系最小.

3 結(jié) 論

通過分析西安富裕路灃河大橋4種不同結(jié)構(gòu)體系對合理成橋、汽車載荷效應(yīng)及附加內(nèi)力的影響,可得到以下結(jié)論.

(1) V形雙拱獨(dú)塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系對合理成橋狀態(tài)和汽車活載效應(yīng)影響較大,而對溫度載荷、基礎(chǔ)變位效應(yīng)影響較小.

(2) V形雙拱獨(dú)塔斜拉橋采用漂浮體系時(shí)不僅合理成橋狀態(tài)較其他3種體系明顯不利,且活載作用下結(jié)構(gòu)剛度較小;而采用剛構(gòu)體系和塔梁固結(jié)體系受溫度和基礎(chǔ)變位載荷的影響大.因此,支承體系受力相對最合理,建議V形雙拱獨(dú)塔斜拉橋設(shè)計(jì)時(shí)采用支承體系.

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【責(zé)任編輯:趙炬】

StructuralSystemofCable-StayedBridgewithV-ShapedDoublearchSinglePylon

ZhouJing1,YinRenhong2

(1. Xi’an Highway Engineering Management Office, Xi’an 710065, China; 2. Institute of highway, Chang'an University, Xi’an 710064, China)

The internal connection of bridge, beam, pier and other components of cable-stayed bridge with V-shaped double arch single pylon is studied. The influence of different combination of tower and girders on the force and deformation of the structure was analyzed, the internal relationship and the law of the force and deformation with different combination of tower and girders were revealed, and the relevant basis for optimizing the structure design was provided.

V-shaped; cable-stayed bridge with double arch single pylon; structural system; internal force

U 443.3

A

2017-09-18

陜西省交通運(yùn)輸廳科技資助項(xiàng)目(13-25k).

周 婧(1981-),女,安徽肥西人,西安市公路工程管理處工程師.

2095-5456(2017)06-0497-05