“心型索塔”斜拉橋縱向水平力傳遞設(shè)計(jì)方法研究

崔 斌, 曾文彬, 韓建南

(中鐵四局集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究院,安徽 合肥 230051)

0 引 言

隨著交通事業(yè)的迅速發(fā)展,橋梁結(jié)構(gòu)在交通中的重要性越來越明顯,在滿足橋梁結(jié)構(gòu)的功能性及安全性的前提下,人們對橋梁的美觀要求越來越高,各種異型橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生,隨著橋梁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化程度不斷提高,造成結(jié)構(gòu)受力更加復(fù)雜,為解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生對結(jié)構(gòu)不利的作用，需結(jié)合工程特點(diǎn)將作用力與結(jié)構(gòu)相結(jié)合，采取合適的方式將力進(jìn)行傳遞，減少對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。

1 概 述

1.1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于南京市高淳區(qū)環(huán)湖線，路線全長9.818 km。其中花山特大橋跨越固城湖，主橋采用主跨 (100+50+100)m“心型索塔”四柱獨(dú)塔鋼箱梁斜拉橋，空間雙索面，接引橋處各設(shè)置 1 個(gè)交界墩。結(jié)構(gòu)體系為塔、梁分離體系。

1.2 設(shè)計(jì)理念

本橋采用“心型索塔”斜拉橋，拱塔的曲線來源于對船帆造型的重新提煉(圖1)。從立面上看，索塔微微偏向一側(cè)，整體造型富有動(dòng)感，猶如一艘行駛在固城湖上的帆船。斜拉索的巧妙設(shè)置既為橋梁提供了支承點(diǎn)，也建立了拱塔與主梁的視覺聯(lián)系，使橋梁的造型具有張力之美。本橋以帆船的形態(tài)呼應(yīng)高淳發(fā)達(dá)的造船水運(yùn)業(yè)，寓意揚(yáng)帆起航，迎接八方來客。

1.3 結(jié)構(gòu)布置

心形索塔外側(cè)斜拉索按扇形布置，索塔索面由 8 對高強(qiáng)度平行鋼絲拉索組成，共 2×8對斜拉索。心形索塔內(nèi)側(cè)同樣布置 8 對高強(qiáng)度平行鋼絲拉索。為優(yōu)化塔基內(nèi)力，減少索塔變形，塔柱內(nèi)布置系梁拉索，該拉索為 1 對高強(qiáng)度平行鋼絲拉索。

因本橋的獨(dú)塔斜拉結(jié)構(gòu)索塔造型不對稱等原因，使得兩側(cè)拉索在主梁上的水平分力不平衡，為平衡此水平分力，避免主梁縱向飄移，需將上部結(jié)構(gòu)的縱向水平力傳遞至下部結(jié)構(gòu)。

圖1 造型提煉

2 整體分析

主橋采用主跨(100+50+100)m“心型索塔”獨(dú)塔鋼箱梁斜拉橋方案，空間雙索面，接引橋處各設(shè)置 1 個(gè)交界墩。結(jié)構(gòu)體系為塔、梁分離體系。索塔采用“心型索塔”造型，塔上布置三處橫梁，分別為主梁提供豎向支承和縱向抗推支承。

MIDAS模型為空間梁結(jié)構(gòu)體系，按照設(shè)計(jì)圖紙，建立全橋結(jié)構(gòu)計(jì)算模型(圖2)。

圖2 MIDAS全橋結(jié)構(gòu)分析模型

索塔采用鋼-混凝土組合塔柱。每側(cè)索塔由上、下拱塔組成。塔柱及主梁采用梁單元進(jìn)行模擬，斜拉索采用桁架單元模擬，通過施加初拉力來模擬索力的變化。

根據(jù)整體計(jì)算結(jié)構(gòu),索塔造型不對稱原因造成的水平支反力為22 126.6 kN。

根據(jù)結(jié)構(gòu)造型特點(diǎn)，將水平抗推分別設(shè)置在1號及3號橫梁處進(jìn)行計(jì)算，作用在1號橫梁時(shí)縱向水平力對左側(cè)每個(gè)下拱塔柱底所產(chǎn)生的彎矩達(dá)到83×103kN·m,所增加的彎矩值巨大，增加值約占原彎矩的50%，同理設(shè)置在3號橫梁，對右側(cè)每個(gè)下拱塔柱底所產(chǎn)生的彎矩與作用在1號橫梁處大致相當(dāng)。由于本身索塔結(jié)構(gòu)整體往右側(cè)傾斜，索塔結(jié)構(gòu)自重、斜拉索拉力等荷載作用導(dǎo)致彎矩疊加。水平力作用于1號或3號橫梁都對索塔產(chǎn)生非常不利的影響。

當(dāng)在1號橫梁或3號橫梁上設(shè)置牛腿將水平力傳至索塔處時(shí)，為消除該水平力對索塔產(chǎn)生的不利影響，需增大索塔截面，考慮橋梁結(jié)構(gòu)造型的需求，索塔結(jié)構(gòu)尺寸不宜過大，因此擬通過2號橫梁將水平力通過下拱塔傳遞至基礎(chǔ)。

3 局部分析

擬在主梁邊腹板下方布置鋼結(jié)構(gòu)牛腿，通過豎直擺放的支座與下拱塔橫梁(2號橫梁 )連接，將此水平分力傳遞至基礎(chǔ)。對下拱塔等局部位置進(jìn)行分析。初步擬定下拱塔結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，計(jì)算下拱塔混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)。

3.1 頻遇組合作用下混凝土截面應(yīng)力分析結(jié)果

正截面混凝土壓應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果表明：下拱塔上混凝土的最大法向壓應(yīng)力σcc(14.45MPa)，滿足規(guī)范σcc≤0.7fck的要求，在下拱塔處與2號橫梁左側(cè)出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，達(dá)到3.557MPa，混凝土抗拉強(qiáng)度無法通過驗(yàn)算(圖3)。

圖3 主塔下拱塔混凝土截面最大正應(yīng)力分布(單位：MPa)

3.2 準(zhǔn)永久組合作用下混凝土截面應(yīng)力分析結(jié)果

正截面混凝土壓應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果表明：下拱塔上混凝土的最大法向壓應(yīng)力σcc(14.307MPa)，滿足規(guī)范σcc≤0.5fck的要求，在下拱塔處與2號橫梁左側(cè)出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，達(dá)到3.526MPa?；炷量估瓘?qiáng)度無法通過驗(yàn)算。

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，在將縱向水平力傳遞至下拱塔后，對下拱塔產(chǎn)生的不利影響為：橫梁左側(cè)下拱塔截面出現(xiàn)很大的拉應(yīng)力，且在適當(dāng)增加截面尺寸后無法避免此拉應(yīng)力的影響。根據(jù)結(jié)構(gòu)造型要求，保證結(jié)構(gòu)造型滿足預(yù)期效果，此處截面不宜增加太大。在保證結(jié)構(gòu)受力與結(jié)構(gòu)造型的雙重要求下，需對此截面材質(zhì)進(jìn)行調(diào)整。

4 構(gòu)造、優(yōu)化措施

根據(jù)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，下拱塔受較大拉應(yīng)力，擬在下拱塔一定范圍內(nèi)采用鋼結(jié)構(gòu)(圖4)，通過增減鋼結(jié)構(gòu)的長度，對比鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的受力情況,最終擬定鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)劃分長度。

圖4 下拱塔鋼混結(jié)合設(shè)置圖

下拱塔與上拱塔結(jié)合部采用混凝土，中部采用鋼箱結(jié)構(gòu)抵抗不平衡推力所產(chǎn)生的較大拉應(yīng)力，分析結(jié)果如下：

4.1 混凝土截面應(yīng)力分析

(1)頻遇組合作用下混凝土截面應(yīng)力分析結(jié)果(圖5):

圖5 主塔下拱塔混凝土截面最大正應(yīng)力分布(單位：MPa)

正截面混凝土壓應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果表明：下拱塔上混凝土的最大法向壓應(yīng)力σcc(14.28)，滿足規(guī)范σcc≤0.7fck的要求。

(2)準(zhǔn)永久組合作用下混凝土截面應(yīng)力分析結(jié)果，正截面混凝土壓應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果表明：下拱塔上混凝土的最大法向壓應(yīng)力σcc(13.97MPa)，滿足規(guī)范≤0.7fck的要求，未出現(xiàn)拉應(yīng)力。

4.2 鋼結(jié)構(gòu)部分應(yīng)力分析結(jié)果

主塔下拱塔鋼結(jié)構(gòu)部分應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果(圖6、圖7)表明：主塔下拱塔鋼結(jié)構(gòu)部分最大組合應(yīng)力138.8 MPa,小于規(guī)范要求295 MPa;最大剪應(yīng)力31.9 MPa，小于規(guī)范要求170 MPa，滿足要求。

圖6 主塔下拱塔鋼結(jié)構(gòu)部分組合應(yīng)力(單位：MPa)

圖7 主塔下拱圈鋼結(jié)構(gòu)部分剪應(yīng)力(單位：MPa)

5 結(jié)束語

“心型索塔”四柱獨(dú)塔鋼箱梁斜拉橋由于結(jié)構(gòu)本身的構(gòu)造要求，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力不平衡，在滿足結(jié)構(gòu)線型要求的情況下，水平力通過下拱塔拱形結(jié)構(gòu)傳遞至基礎(chǔ)，可減少水平力產(chǎn)生的彎矩對索塔結(jié)構(gòu)的影響。

此橋下拱塔結(jié)構(gòu)由于承載較大的水平力。局部節(jié)段應(yīng)力較大，采用鋼結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，能夠較好的解決局部應(yīng)力超限的問題。

在特殊橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)橋梁自身特點(diǎn)，造型與力的有效的結(jié)合，能夠有效解決結(jié)構(gòu)特殊性產(chǎn)生的力的影響。此方法可為類似橋梁提供參考。