索輔矮塔斜拉體系橋梁施工階段空間穩(wěn)定分析

（中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院，山東濟(jì)南 250000）

0.引言

傳統(tǒng)的大跨斜拉橋結(jié)構(gòu)體系在我國(guó)橋梁工程中的應(yīng)用越來(lái)越多，目前斜拉體系已經(jīng)成為大跨度橋梁最有競(jìng)爭(zhēng)力的一種橋梁形式[1]。而對(duì)于我國(guó)中小城市地區(qū)，形式各樣的異形矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)形式，因其更加突出的景觀效應(yīng)，在城市市政橋梁工程中被廣泛應(yīng)用。從結(jié)構(gòu)受力體系上看，部分斜拉橋可以看做是一種介于梁式橋與傳統(tǒng)大跨斜拉橋之間的新型結(jié)構(gòu)形式，梁式橋梁是屬于剛性結(jié)構(gòu)體系，傳統(tǒng)的斜拉橋則是屬于柔性結(jié)構(gòu)體系，部分矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)就是一種剛?cè)岵?jì)的新橋型[2]。作為一種新的橋梁結(jié)構(gòu)形式，造型獨(dú)特的傾斜索塔以及斜拉橋的施工往往是該類橋型設(shè)計(jì)過(guò)程中的難點(diǎn)，其中，如何確保該類結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的各個(gè)關(guān)鍵階段的施工穩(wěn)定性非常重要。

本文以斜拉索面呈空間扇形布置的某索輔體系矮塔斜拉橋工程為分析背景，通過(guò)建立其精細(xì)的MIDAS CIVIL[3]有限元分析模型，對(duì)其關(guān)鍵施工階段的結(jié)構(gòu)空間穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，深入探討了該類橋梁在設(shè)計(jì)和施工上的可行性，可為同類相似橋梁的設(shè)計(jì)計(jì)算及施工提供借鑒。

1.工況概況

算例橋梁為瀘溪縣武溪鎮(zhèn)連接濱南路，濱江北路的重要通道，是整個(gè)城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和社會(huì)活動(dòng)的紐帶。工程北起濱江北路，南至濱江南路，跨越峒河（武水），直通廉政路，城市次干路。全長(zhǎng)約333.11m，包含兩側(cè)交叉口。其中橋梁全長(zhǎng)248m。橋梁采用鋼拱斜塔橋，雙索面半漂浮體系，跨徑布置為34+90+90+34m，全橋設(shè)18對(duì)斜拉索和18對(duì)水平索。主塔外觀橫立面看呈斜伸的雙網(wǎng)球拍型，與豎直方向立面呈1:2.5的傾斜角度，塔高（投影高度）約54.5m，采用鋼箱截面，截面高度3.2m，寬度2.5m，拱肋采用Q345D鋼材。全橋設(shè)置2個(gè)獨(dú)立邊墩，2個(gè)橋臺(tái)。邊墩墩身為六邊形截面墩，單個(gè)邊墩設(shè)整體式承臺(tái)，每個(gè)承臺(tái)下設(shè)8根φ1.0m鉆孔灌注樁；橋梁上部結(jié)構(gòu)采用等截面現(xiàn)澆箱梁，箱梁采用單箱四室混凝土箱梁結(jié)構(gòu)。斜拉索面呈空間扇形布置，雙索面。橋梁結(jié)構(gòu)的總體布置及塔梁斷面圖見(jiàn)圖1所示。

圖1 大橋整體布置圖（單位cm）

算例橋梁的結(jié)構(gòu)形式在受力特點(diǎn)上常規(guī)跨斜拉橋和矮塔拉橋橋都不同，常規(guī)斜拉橋位于最上面的拉索通常是受力最大的一對(duì)拉索，而算例橋梁的大橋拱形塔頂部是彎曲的，這里的拉索會(huì)導(dǎo)致很大的垂直彎矩，為了體現(xiàn)橋塔的窈窕之美，本橋在設(shè)計(jì)中采用了索輔梁橋的概念，即對(duì)斜拉索的索力進(jìn)行調(diào)整，使拉索只承擔(dān)主梁的部分荷載，因此，最上面斜拉索的作用并不明顯，反而是中間部分的拉索最有效。該橋在受力上的關(guān)鍵點(diǎn)是“戒指”造型橋塔配合空間索，局部受力較為復(fù)雜，因此，在設(shè)計(jì)中應(yīng)進(jìn)行各階段的空間穩(wěn)定性分析，明確各施工及運(yùn)營(yíng)階段結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性是否滿足要求十分重要。

2.橋梁有限元建模

在實(shí)際應(yīng)用中，如果采用的模型過(guò)于復(fù)雜，會(huì)明顯折減有限元計(jì)算的分析效率，對(duì)于整體穩(wěn)定性分析是完全沒(méi)有必要。因此，鑒于本文算例橋梁所采用閉口箱梁截面主梁的抗扭轉(zhuǎn)剛度較大，對(duì)主梁的采用更計(jì)算效率更高的單主梁脊骨模型進(jìn)行模型[4]。斜拉橋在施加荷載以后，主要承力構(gòu)件的自身的形狀及軸線會(huì)有不可忽略的改變，鑒于此，結(jié)構(gòu)的作用力與結(jié)構(gòu)變形將不再成線性比例關(guān)系[5]。其中，以斜拉索的非線性變形對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的影響最顯著，本文將采用Ernst提出的等效彈性模量來(lái)考慮[5]斜拉索的非線性的影響：

式中，Eeq為索的等效彈性模量; Ee為斜拉索有效彈性模型；γ為索的容量，l為索的水平投影長(zhǎng)度，σ為索的初應(yīng)力。本文采用桁架單元模擬斜拉索和水平拉索，通過(guò)以上的Ernst公式對(duì)拉索材料的彈模型進(jìn)行修正，從而可以同時(shí)考慮初始恒載軸力的幾何剛度影響。

斜拉橋的索塔、橋墩、基礎(chǔ)等剛性構(gòu)件一般采用彈性梁?jiǎn)卧苯舆M(jìn)行模型，由于算例橋梁地質(zhì)條件較好，不考慮樁土相互作用的模擬，墩底和塔底采用完全固結(jié)的結(jié)構(gòu)形式。全橋采用Midas-Civil有限元程序進(jìn)行建模分析，基于提高計(jì)算效率及保證準(zhǔn)確性的原則，合理劃分梁、斜拉索、橋塔的單元節(jié)段長(zhǎng)度，全橋模型共385個(gè)節(jié)點(diǎn)，370個(gè)單元，其中梁?jiǎn)卧?16個(gè)，桁架單元54個(gè)。

3.施工過(guò)程空間穩(wěn)定性分析

斜拉橋?yàn)楦叽纬o定結(jié)構(gòu)，安裝過(guò)程中結(jié)構(gòu)體系將不斷變化，對(duì)于這種索輔助體系斜拉橋，本文考慮3種工況對(duì)進(jìn)行的穩(wěn)定性進(jìn)行分析：（1）CS1裸塔階段，即鋼拱塔的節(jié)段拼裝施工完成以后，2個(gè)拱塔是完成獨(dú)立的構(gòu)件；（2）CS2張拉水平拉索階段，即在支架上完成了2個(gè)拱塔之間水平拉索的施工，2個(gè)拱塔通過(guò)水平索形成整體；（3）CS3成橋階段，完成了斜拉索的施工，拱塔與主梁也形成整體。

在CS1裸塔施工階段，索塔為大角度傾斜的懸臂結(jié)構(gòu)，其彈性空間穩(wěn)定性較差，最容易發(fā)生屈曲失穩(wěn)，但由于設(shè)計(jì)中采用了鋼索塔結(jié)構(gòu)，同時(shí)在塔底部位采用了鋼混組合結(jié)構(gòu)形式，大大減輕了結(jié)構(gòu)自重，其理論臨界荷載系數(shù)為6.5>4，安全儲(chǔ)備充分，滿足規(guī)范要求。在CS2施工階段，在兩個(gè)傾斜索塔中間張拉了水平拉索，此時(shí)結(jié)構(gòu)的臨界荷載系數(shù)達(dá)到了7.8，由此可見(jiàn)水平拉索對(duì)于維持結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性有很好的作用。在CS3施工階段，張拉兩側(cè)的斜拉索以后，2個(gè)傾斜的斜塔能過(guò)三組拉索與主梁形成整體，結(jié)構(gòu)的臨界荷載系數(shù)達(dá)到了11.3，整體的穩(wěn)定更好了。

4.結(jié)論

本文針對(duì)“戒指”造型橋塔配合空間索的索輔結(jié)構(gòu)體系，對(duì)各施工階段的空間穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：

（1）對(duì)于大角度傾斜構(gòu)造的索塔結(jié)構(gòu)，采用鋼塔并在塔底部位采用鋼混組合結(jié)構(gòu)，能大大減輕了結(jié)構(gòu)自重，保持其裸塔狀態(tài)下的空間穩(wěn)定性。

（2）無(wú)論是水平拉索還是傾斜拉索，都對(duì)該橋橋梁結(jié)構(gòu)的施工中的整體穩(wěn)定性有較大的提高作用，建議在傾斜索塔的施工過(guò)程中分階段分批張拉拉索，特別是水平拉索，能進(jìn)一步保證該類橋梁施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。