荷載作用對(duì)曲線矮塔斜拉橋拉索不平衡力影響分析

龍平江 杜 鑌 唐 志

(1.貴州高速公路集團(tuán)有限公司 貴陽 550025； 2.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽 550081)

矮塔斜拉橋適用跨徑為100～300 m，在國(guó)外得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，我國(guó)在矮塔斜拉橋的建設(shè)方面起步較晚，但發(fā)展快速。當(dāng)曲線矮塔斜拉橋拉索受不平衡力作用時(shí)，索力先由鞍座內(nèi)摩擦力平衡，如無法達(dá)到平衡，矮塔斜拉橋需依靠在索鞍兩端設(shè)置的抗滑鍵克服拉索的不平衡力，防止拉索的微動(dòng)磨損[1-2]。因此，曲線矮塔斜拉橋拉索的不平衡力不僅關(guān)系到錨固區(qū)的抗滑移性能，還關(guān)系到拉索和橋塔的力學(xué)性能。

趙曉晉等[3]通過計(jì)算不同主梁邊界條件、不同拉索對(duì)主梁的彈性支撐剛度及不同拉索位置下不平衡索力提供的扭矩，研究了斜拉橋橫向不平衡索力的計(jì)算方法，但鮮有對(duì)矮塔斜拉橋拉索不平衡力的分析，對(duì)矮塔斜拉橋多集中于梁、塔整體及局部結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的研究[4-6]。

在矮塔斜拉橋施工與運(yùn)營(yíng)階段，同一根斜拉索在主塔兩側(cè)出現(xiàn)不平衡力的情況很多，其不僅與橋梁的邊中跨比及主梁的設(shè)計(jì)有關(guān)，而且與汽車荷載、地震荷載、風(fēng)荷載及施工階段的不平衡施工荷載等相關(guān)。為有效指導(dǎo)矮塔斜拉橋索鞍及抗滑鍵的設(shè)計(jì)，有必要對(duì)荷載作用下曲線矮塔斜拉橋拉索不平衡力展開研究。

1 工程概況

龍井河大橋?yàn)樗?、墩、梁固結(jié)的雙塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土曲線矮塔斜拉橋，橋型布置圖見圖1。

圖1 曲線矮塔斜拉橋橋型布置圖(尺寸單位：cm)

該橋跨徑布置為86 m+160 m+86 m，箱梁中心線處平曲線半徑為852.75 m。主梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系，混凝土采用C55。邊跨與中跨跨徑比為0.54，采用單箱三室橫截面。上塔柱采用獨(dú)柱型塔柱，截面縱向長(zhǎng)4.5 m、橫向?qū)?.2 m、塔高28.5 m，采用實(shí)心矩形混凝土截面。塔柱內(nèi)預(yù)埋轉(zhuǎn)索鞍，斜拉索從中穿過。采用C50鋼筋混凝土。斜拉索為單索面，采用2排布索。斜拉索采用低松弛高強(qiáng)度鋼絞線成品索，平行鋼絞線拉索體系采用現(xiàn)場(chǎng)安裝制索。

2 有限元模型建立

矮塔斜拉橋計(jì)算分析采用midas Civil 2010進(jìn)行全橋施工階段模擬計(jì)算。全橋共劃分為248個(gè)單元，277個(gè)節(jié)點(diǎn)。其中主梁?jiǎn)卧?26個(gè)，主塔單元2×13=26個(gè)，主墩單元2×24=48個(gè)，拉索單元4×12=48個(gè)，共計(jì)248個(gè)單元，計(jì)算模型見圖2。全橋共劃分為82個(gè)施工階段，主梁1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段安裝的順序?yàn)椋阂苿?dòng)掛籃→澆筑節(jié)段→張拉主梁預(yù)應(yīng)力→張拉斜拉索→移動(dòng)掛籃。

圖2 曲線矮塔斜拉橋有限元模型

3 不同荷載作用下拉索不平衡力分析

3.1 恒載作用下拉索不平衡力

文中所指恒載作用包括結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力、二期恒載在內(nèi)的成橋狀態(tài)恒載，成橋狀態(tài)恒載索力分布圖見圖3，恒載引起的拉索不平衡力分布情況見圖4。

圖3 恒載索力分布圖(Z為織金側(cè)拉索；N為納雍側(cè)拉索)

圖4 恒載作用拉索索力差

由圖3可知，在恒載作用下索力分布比較均勻，同一根索邊中跨兩端索力存在一定程度的差值，即所謂的拉索不平衡力。由圖4可知，恒載作用下兩塔的拉索不平衡力變化規(guī)律相同，1、5、6號(hào)拉索不平衡力變化幅度較小，2、3、4號(hào)拉索不平衡力變化幅度較大，拉索不平衡力最大約85 kN?？梢?，恒載作用下對(duì)靠近邊跨邊墩、橋塔和中跨跨中拉索不平衡力影響較小，對(duì)中間拉索不平衡力影響較大。

3.2 車輛荷載作用下拉索不平衡力分析

計(jì)算車輛荷載作用對(duì)拉索不平衡力的影響結(jié)果見圖5，車輛荷載引起的拉索不平衡力分布情況見圖6。矮塔斜拉橋車輛荷載沿橋梁中心線對(duì)稱，上下各施加兩車道，可以認(rèn)為矮塔斜拉橋按照中載加載。值得注意的是，矮塔斜拉橋在車輛荷載作用下，斜拉索將承擔(dān)一部分豎向荷載，并將外荷載傳遞給主塔。

圖5 活載徐變引起索力圖

圖6 車輛荷載作用拉索索力差

由圖5、圖6可知，整體上車輛荷載產(chǎn)生的拉索索力絕對(duì)值較恒載大幅減少，車輛荷載作用引起的索力呈現(xiàn)均勻變化的趨勢(shì)，車輛荷載作用下拉索不平衡力的變化幅度整體較小，2號(hào)拉索的不平衡力最小，拉索不平衡力最大約達(dá)20 kN。車輛荷載作用下，還有可能出現(xiàn)索力小幅減小的情況。由于矮塔斜拉橋的斜拉索能夠起提升作用，承擔(dān)少量的車輛荷載，但相比恒載內(nèi)力要小，為簡(jiǎn)化分析，有時(shí)假設(shè)由斜拉索承擔(dān)車輛荷載，但實(shí)際運(yùn)營(yíng)階段，斜拉索在成橋后有一定的張拉力，整體結(jié)構(gòu)仍是由主梁和斜拉索共同承擔(dān)車輛荷載。一般認(rèn)為，矮塔斜拉橋的索梁活載比值均小于 0.5，而常規(guī)斜拉橋的索梁活載比值均大于 0.5[7-8]。矮塔斜拉橋建成后其主梁和斜拉索分擔(dān)的荷載比例是一定的，即索梁荷載分擔(dān)比例，這個(gè)比例的大小關(guān)系到結(jié)構(gòu)的受力是否更合理、造價(jià)是否更經(jīng)濟(jì)，因此在部分斜拉橋設(shè)計(jì)階段使矮塔斜拉橋的主梁體內(nèi)預(yù)應(yīng)力的設(shè)計(jì)應(yīng)與斜拉索的配置達(dá)到一個(gè)適宜的比例關(guān)系，通過索梁荷載分擔(dān)比例這個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)來控制，使曲線部分斜拉橋在結(jié)構(gòu)性能方面和經(jīng)濟(jì)性方面達(dá)到平衡。

3.3 溫度荷載作用下拉索不平衡力分析

溫度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響一般包括兩部分，均勻溫度作用引起的效應(yīng)與梯度溫度引起的效應(yīng)。由于涉及升、降溫2種情況，限于篇幅，本文只對(duì)溫度梯度的計(jì)算結(jié)果加以分析，升溫梯度及降溫梯度引起的拉索索力圖見圖7。

圖7 溫度梯度荷載引起索力圖

由于溫度荷載能夠引起主梁的變形，使得矮塔斜拉橋的索力也跟著主梁的變形發(fā)生變化。當(dāng)主梁變形向下時(shí)，其對(duì)應(yīng)梁段的斜拉索索力會(huì)增大，當(dāng)主梁變形向上時(shí)其對(duì)應(yīng)梁段的斜拉索索力會(huì)減小，這是因?yàn)樗土荷襄^固點(diǎn)的距離發(fā)生了變化。由于主梁的中跨在溫度荷載下的變形要大于邊跨，而主塔又較柔，所以主塔在升溫梯度作用下會(huì)因?yàn)橹锌缰髁合蛳伦冃味蛑锌鐐?cè)偏，在降溫梯度作用下會(huì)因?yàn)橹锌缰髁合蛏献冃味蜻吙鐐?cè)偏，這使得在升溫梯度作用下主梁邊跨位移向上的梁段對(duì)應(yīng)的斜拉索索力反而會(huì)增大，降溫梯度作用下主梁邊跨位移向下的梁段對(duì)應(yīng)的斜拉索索力反而會(huì)減小。

升、降溫梯度作用下拉索不平衡力的變化規(guī)律基本一致，限于篇幅，本文僅示出升溫梯度索力引起的拉索索力差見圖8。

圖8 升溫梯度作用拉索索力差

由圖8可知，雖然升溫梯度作用和降溫梯度作用引起拉索的絕對(duì)索力不大，最大約35 kN，但產(chǎn)生的拉索不平衡力影響不可忽視，其中對(duì)邊索不平衡力影響最大，最大不平衡力約15 kN。

3.4 收縮徐變引起的拉索不平衡力分析

由于矮塔斜拉橋有斜拉索參與受力，混凝土收縮徐變作用下，矮塔斜拉橋產(chǎn)生的次內(nèi)力較大，對(duì)成橋狀態(tài)影響也較大，故對(duì)成橋索力影響也較大，經(jīng)計(jì)算混凝土收縮徐變會(huì)減小矮塔斜拉橋斜拉索的索力，收縮徐變引起的拉索索力見圖9，其引起的拉索不平衡力見圖10。

圖9 收縮徐變引起索力圖

圖10 收縮徐變引起的拉索索力差

由圖9、圖10可知，矮塔斜拉橋的混凝土收縮徐變對(duì)索力的影響是減小索力值，由于主塔、主墩和主梁均產(chǎn)生收縮徐變，這些構(gòu)件的收縮徐變共同對(duì)索力產(chǎn)生影響，相比較而言，靠近邊跨邊墩，橋塔和跨中拉索索力值影響更大，而對(duì)中間索的索力值影響較小。

3.5 拉索不平衡力對(duì)荷載的敏感性分析

對(duì)恒載(含結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力、二期恒載)車輛荷載、溫度梯度、收縮徐變等4種工況作用下產(chǎn)生的拉索不平衡力占荷載總不平衡力比重進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見圖11。

圖11 4種荷載作用產(chǎn)生的拉索不平衡力占比

由圖11可知，不同位置的拉索不平衡力對(duì)不同荷載表現(xiàn)出不同的敏感程度，如恒載引起2、3、4號(hào)拉索不平衡力占比達(dá)65%以上，收縮徐變對(duì)1、6號(hào)拉索不平衡力影響較大，占比達(dá)到45%以上。車輛荷載及溫度梯度荷載引起的拉索不平衡力較小，產(chǎn)生的不平衡力比重基本均在20%以下?？傮w上看，恒載是拉索不平衡力發(fā)生最主要因素，還需要重視收混凝土縮徐變引起拉索不平衡力，同時(shí)車輛荷載及溫度作用引起的拉索不平衡力也是不可忽略的。

4 結(jié)論

1) 恒載作用下靠近邊跨邊墩、橋塔和中跨跨中的拉索不平衡力影響較小，對(duì)中間拉索不平衡力影響較大，拉索不平衡力占拉索總不平衡力達(dá)65%以上。

2) 車輛荷載作用引起的索力呈現(xiàn)出均勻變化的趨勢(shì)，有可能出現(xiàn)索力減小的情況，但減小量較小，車輛荷載作用下引起的拉索不平衡力占拉索總不平衡力20%以下，梯度溫度引起的不平衡力最小。

3) 混凝土收縮徐變對(duì)索力的影響是減小索力值，由于主塔、主墩和主梁均產(chǎn)生收縮徐變，這些構(gòu)件的收縮徐變共同對(duì)索力產(chǎn)生影響，靠近邊跨邊墩、橋塔和跨中的拉索索力值影響更大，1、6號(hào)拉索不平衡力占拉索總不平衡力達(dá)45%以上，而對(duì)那些中間索的索力值影響較小。

4) 不同位置拉索的不平衡力對(duì)不同荷載表現(xiàn)出不同的敏感程度，恒載、收縮徐變作用引起的拉索不平衡力較大，同時(shí)車輛荷載及溫度作用對(duì)拉索不平衡力影響也是不可忽略的。