V形雙拱獨塔斜拉橋結(jié)構(gòu)特性

鄔曉光, 殷任宏,, 李 淵

(1. 長安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710064; 2. 西安公路研究院, 陜西 西安 710065)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和橋梁設(shè)計方法、理念及施工技術(shù)的提升,人們更加注重橋梁結(jié)構(gòu)造型的創(chuàng)新及景觀美學(xué)的表現(xiàn)[1-3].V形雙拱獨塔斜拉橋因兼具斜拉橋、梁橋和拱橋的優(yōu)越性,且造型新穎,很適合對美學(xué)要求高的城市橋梁[4-5].近年來,國內(nèi)已先后修建了沈陽三好橋、延吉市新園橋、貴州荔波縣官塘大橋、遼寧省新城東街大橋及西安灃河大橋5座V形雙拱獨塔斜拉橋,其發(fā)展?jié)摿Σ谎远鱗6-8].

目前關(guān)于V形雙拱獨塔斜拉橋的研究主要集中在結(jié)構(gòu)施工方法方面,對其結(jié)構(gòu)特性的研究較少.于玲[9]以沈陽市三好橋拉索施工為依托,針對斜拉索、水平索組成的混合體系相互影響的特點,提出了先水平索張拉,再進行斜拉索張拉的關(guān)鍵技術(shù);郭廷泰等[10]采用模糊層次分析法對雙拱獨塔斜拉橋主梁施工方法進行了優(yōu)選;茍祖寬[11]、王鵬禹等[12]結(jié)合鋼拱塔工程的特點及難點,提出無支架施工的方法并對施工關(guān)鍵技術(shù)進行了分析;柳鑫星等[13]、王向陽等[14]提出采用轉(zhuǎn)體法安裝斜拉橋鋼拱塔,并對施工過程中豎轉(zhuǎn)體系的穩(wěn)定性進行了研究.任國雷等[15]結(jié)合沈陽三好橋?qū)﹄p拱獨塔斜拉橋的設(shè)計理念、結(jié)構(gòu)總體設(shè)計和施工工藝分析,并介紹了采用索輔梁橋理念設(shè)計斜拉橋的創(chuàng)新技術(shù).V形雙拱獨塔斜拉橋因采用了V形拱塔和索輔梁橋理念,其結(jié)構(gòu)參數(shù)必然會與常規(guī)斜拉橋不同.因此,本文通過對已建的5座V型雙拱獨塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)進行統(tǒng)計分析,總結(jié)出結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計取值范圍;并以灃河大橋為工程實例,研究V形雙拱獨塔斜拉橋受力特性,為類似橋型結(jié)構(gòu)設(shè)計提供相關(guān)參考.

1 V形雙拱獨塔斜拉橋結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

通過對國內(nèi)已建的5座V形雙拱獨塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)進行統(tǒng)計整理,并與《公路斜拉橋設(shè)計細(xì)則》(JTG D65-01-2007)中常規(guī)斜拉橋和矮塔斜拉橋的設(shè)計參數(shù)進行對比分析,歸納出以下V形雙拱獨塔斜拉橋結(jié)構(gòu)參數(shù)特點.

(1) V形雙拱獨塔斜拉橋主要適用于跨徑稍小的城市景觀橋,主跨跨徑在80～115 m之間,且分兩跨對稱布置.

(2) V形雙拱獨塔斜拉橋多采用塔墩固結(jié),拱塔橫梁上設(shè)置滑動支座的半漂浮體系.

(3) V形雙拱獨塔斜拉橋索塔采用V形拱塔,拱塔沿中心分別向與兩側(cè)傾斜一定的角度,夾角在20°～25°之間;橋面以上塔高與跨徑之比為1/1.8～1/2.4,相較于矮塔斜拉橋塔的高跨比1/8～1/12,高跨比很大,與常規(guī)的獨塔斜拉橋的高跨比1/2.7～1/3.7相接近.拱塔多采用鋼箱梁,在塔座與索塔之間設(shè)置鋼混結(jié)合段進行固結(jié)處理;由于拱腳處受力較大,會在拱腳一定范圍內(nèi)填充混凝土.

(4) 主梁多采用箱梁截面,混凝土箱梁的高跨比在1/42～1/32,鋼箱梁的高跨比為1/44,與矮塔斜拉橋主梁的高跨比1/42～1/35相差不大.

(5) V形雙拱獨塔斜拉橋的拉索為空間索,由連接拱塔、主梁的斜拉索和連接兩拱塔的水平索兩部分組成,斜拉索的索距為6.5～8 m.

(6) V形雙拱獨塔斜拉橋的梁端無索區(qū)與主跨跨徑之比為0.07～0.09,相比于矮塔斜拉橋的0.20～0.35較小;塔根無索區(qū)與主跨跨徑之比為0.10～0.15,與矮塔斜拉橋的0.15～0.20接近;拉索在主梁上分布長度較長,梁端、塔根無索區(qū)較短,且梁端沒有設(shè)置錨固索.

(7) 由于V形雙拱獨塔斜拉橋多用于中小跨徑城市景觀橋,全橋整體剛度相對較大,加上美觀的方面考慮,大多沒有設(shè)置輔助墩.

表1 國內(nèi)V形雙拱獨塔斜拉橋結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of domestic cable-stayed bridge with V-shaped double arch single pylon

注： 錨固方式均為鋼錨箱.

2 V形雙拱獨塔斜拉橋受力特性研究

斜拉橋索塔型式的改變必然會對結(jié)構(gòu)受力特性產(chǎn)生影響.因此本文以西安富裕路灃河大橋為工程背景,對V形雙拱獨塔斜拉橋的受力性能進行研究.

2.1 工程背景

西安灃河大橋主橋為空間雙索面的雙拱獨塔斜拉橋,跨徑為80+80 m,半漂浮體系;橋塔為V形拱塔,沿橋梁中心線分別向兩側(cè)傾斜25°,塔高51.466 m,其中橋面以上部分高38.718 m,拱塔采用鋼箱梁,橫向2.5 m,縱向2.8 m.主梁為單箱多室的扁平鋼箱梁,梁高1.8 m;拉索采用8對空間密索體系,每對拉索均包含1根水平索和2根斜拉索,縱橫向均對稱,塔上豎向上索的距離為2.8 m,縱向拉索間距為8 m;塔根和梁端的無索區(qū)長度分別為9.45 m和6 m.

圖1 灃河大橋立面圖(單位:cm)Fig.1 Vertical View of Fenghe River Bridge(Unit: cm)

2.2 有限元模型建立

使用Midas/Civil 2015建立V形雙拱獨塔斜拉橋空間結(jié)構(gòu)計算模型.在建模時,采用一般梁單元模擬鋼箱主梁、鋼拱塔,采用考慮恩斯特公式修正的等效桁架(只受拉力)單元模擬拉索.因為該橋斜拉索形式為空間索面,鋼箱主梁和斜拉索吊點采用“剛性連接”(主梁節(jié)點為主節(jié)點,拉索節(jié)點為從屬節(jié)點)模擬,索塔與水平索的連接通過共有節(jié)點進行處理.墩頂?shù)闹ё捎靡话阒С羞M行模擬,不建立主墩單元,拱塔橫梁上的支座用彈性連接模擬.

圖2 灃河大橋有限元模型圖Fig.2 Finite element model of Fenghe River Bridge

2.3 結(jié)構(gòu)受力特性分析

為更深入地了解V形雙拱獨塔斜拉橋的受力特性, 將灃河大橋傾斜的拱塔沿順橋向旋轉(zhuǎn)-25°,去掉水平索, 使傾斜的雙拱塔轉(zhuǎn)換為同跨徑的單拱獨塔斜拉橋, 并與原V形雙拱獨塔斜拉橋的受力進行對比分析. 為使兩橋具有可比性, 單拱獨塔斜拉橋拱塔及拱塔橫梁的截面面積、抗彎慣性矩改為V形雙拱獨塔斜拉橋單肢拱塔截面的2和4倍, 而兩斜拉橋的主梁截面型式及尺寸斜拉索在主梁的和拱塔布置及邊界條件均相同.

圖3 單拱獨塔斜拉橋有限元模型圖

(1) 合理成橋狀態(tài).在橋梁自重、二期恒載的作用下,采用何旭輝等[16]提出的最小彎矩能量法優(yōu)化V形雙拱獨塔斜拉橋和單拱獨塔斜拉橋成橋狀態(tài),結(jié)果如圖4和表2所示.

由圖4可知,在最小能量狀態(tài)下,除X1、X2及X7三根拉索外,V形雙拱獨塔斜拉橋斜拉索索力均較單拱塔斜拉橋大;由于單拱獨塔斜拉橋的無索區(qū)長度較大,近塔處的斜拉索索力X8明顯大于其他索.

圖4 最小彎曲能量狀態(tài)下成橋索力

表2 合理成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)彎矩

注： 使拱塔產(chǎn)生向邊跨側(cè)變形的彎矩為正,反之為負(fù).

由表2可知,合理成橋狀態(tài)下,相對于單拱獨塔斜拉橋,V形雙拱獨塔斜拉橋主梁最大正彎矩增大較多,主梁最大負(fù)彎矩略有減小;由于V形雙拱獨塔斜拱塔是傾斜的,很難通過索力優(yōu)化使其只受沿軸線的合力,會在拱塔產(chǎn)生一部分彎矩,而單拱獨塔斜拉橋在恒載作用下拱塔只受豎向的合力,不會產(chǎn)生順橋向的彎矩.

(2) 汽車活載效應(yīng).在公路-Ⅰ級荷載作用下,考慮拉索垂度效應(yīng),V形雙拱獨塔斜拉橋和單拱獨塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形如圖5～9所示.

圖5 主梁彎矩包絡(luò)圖

由圖5可知,活載作用下,單拱和V形雙拱獨塔斜拉橋的彎矩包絡(luò)圖整體變化趨勢有很大不同.主梁最大正彎矩極大值點位置不同,單拱獨塔斜拉橋的極大值點接近跨中,而V形雙拱獨塔斜拉橋極大值點略向梁端移動;主梁最大負(fù)彎矩極值點均出現(xiàn)拱塔支座處;數(shù)值上,相比于單拱獨塔斜拉橋,V形雙拱獨塔斜拉橋因主梁在兩拱塔橫梁處均設(shè)置支座,主跨跨徑減小,主梁最大正負(fù)彎矩均大幅度減小,從而活載內(nèi)力降低.

圖6 拱塔彎矩包絡(luò)圖

圖7 活載作用下最大索力變幅Fig.7 Maximum force variation under live load

由圖6可知,活載作用下,相對于單拱獨塔斜拉橋,V形雙拱獨塔斜拉橋拱塔正彎矩在拱腳附近明顯較大,而在橫梁以上的拱塔部分明顯較小,拱塔負(fù)彎矩則明顯較小.

由圖7可知,活載作用下,V形雙拱獨塔斜拉橋在最外側(cè)的3根斜拉索X1～X3的索力最大變幅較單拱獨塔斜拉橋小,而兩橋其余斜拉索X4～X8索力最大變幅相差不大.

由圖8可知,活載作用下,單拱和V形雙拱獨塔斜拉橋的撓度包絡(luò)圖整體變化趨勢相同;但相對單拱獨塔斜拉橋,V形雙拱獨塔斜拉橋撓度包絡(luò)圖的極大值點則向梁端移動,且數(shù)值上也有很大減小,結(jié)構(gòu)剛度明顯增加.

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

圖9 拱塔水平位移包絡(luò)圖

由圖9可知,活載作用下,相較于單拱獨塔斜拉橋,V形雙拱獨塔斜拉橋拱塔剛度較小,水平位移明顯最大.

3 結(jié) 論

通過對V形雙拱獨塔斜拉橋結(jié)構(gòu)參數(shù)統(tǒng)計分析及西安灃河大橋的仿真受力分析,得出以下結(jié)論.

(1) V形雙拱獨塔斜拉橋與矮塔斜拉橋的主梁參數(shù)吻合;而塔的高跨比、索距等拱塔結(jié)構(gòu)參數(shù)接近,在主梁、拱塔設(shè)計時可分別參考矮塔斜拉橋及常規(guī)斜拉橋經(jīng)驗值.

(2) V形雙拱獨塔斜拉橋因在兩拱塔橫梁處均設(shè)置支座,主跨跨徑減小,主梁受力和變形都有了很大程度的改善,但V形拱塔的受力和變形趨于不利;結(jié)構(gòu)受力以主梁為主,拉索為輔,在設(shè)計時應(yīng)予以注意.

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