異形獨(dú)塔斜拉橋結(jié)構(gòu)分析

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，橋梁美學(xué)日益得到社會各界的關(guān)注。兼顧外觀造型與受力合理成為橋梁建設(shè)領(lǐng)域的新焦點(diǎn)。文章以某座主跨200 m鋼塔獨(dú)塔斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用有限元分析軟件建立相?yīng)的三維有限元模型，研究異形橋塔空間索面大跨度斜拉橋的受力特性。結(jié)果表明，在使用階段橋塔與主梁的應(yīng)力、變形及彈性穩(wěn)定系數(shù)，均滿足規(guī)范要求。

[作者簡介]黎丁實(shí)（1990—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)闃蛄汗こ碳肮饭こ绦畔⒒夹g(shù)。

近40年來，我國在大跨度橋梁建設(shè)領(lǐng)域取得了舉世矚目的成就。以斜拉橋?yàn)槔?，世界上跨度?0的橋梁，我國占有7座;世界上已建成的公鐵兩用斜拉橋跨徑排名前8位均在我國，其中以滬通長江大橋最為著名，其主跨為1 092 m排名世界第一。這些成就代表著我國橋梁建設(shè)技術(shù)達(dá)到了一個(gè)全新的高度。斜拉橋是大跨度橋梁中一種主要的結(jié)構(gòu)形式，這種橋型造型優(yōu)美，線條流暢，并且結(jié)構(gòu)為自錨式不需要額外的錨碇，在一定跨度范圍內(nèi)，斜拉橋與懸索橋相比剛度大、造價(jià)低，具有明顯優(yōu)勢。

隨著社會發(fā)展水平的不斷提高，社會各界也對橋梁美學(xué)的要求也日漸提高，各種異形結(jié)構(gòu)層出不窮。如何兼顧造型優(yōu)美與結(jié)構(gòu)安全，是擺在每一個(gè)橋梁工程師面前的難題。本文以某獨(dú)塔空間索面鋼箱斜拉橋?yàn)檠芯勘尘?，采用有限元軟件建立該橋的三維有限元模型，研究異形橋塔與空間索面的橋梁結(jié)構(gòu)受力。

1 工程概況

獨(dú)塔空間索面鋼箱斜拉橋，位于城市主干路，設(shè)計(jì)行車速度50 km/h，該橋設(shè)計(jì)荷載為公路Ⅰ級、人群荷載2.5 kN/m2。采用單塔雙索面斜拉橋，孔跨布置為2×200 m，主橋全長400 m。主橋拉索區(qū)設(shè)置橋面兩側(cè)，橋面寬度為38 m。主梁采用栓焊組合鋼箱梁，箱梁全寬38 m，中心高4 m（內(nèi)輪廓）。鋼箱梁頂板厚16 mm，邊箱底板、腹板厚16 mm。

斜拉索采用扇形布置，梁上索距的標(biāo)準(zhǔn)間距為12 m，塔上索間距為3 m。主塔采用鋼混組合結(jié)構(gòu)，主塔為空間曲線扭曲結(jié)構(gòu)。橋面以上高度為77.16 m，橋面以下塔柱高度為28.34 m，塔柱橫橋向?qū)挾葹?.5 m，塔柱順橋向?qū)挾葹?～10.42 m，鋼塔柱高度為100 m。主梁采用搭架吊裝施工（圖1、圖2）。

2 有限元模型

采用有限元軟件建立空間模型進(jìn)行計(jì)算。鋼箱主梁采用單主梁模式，采用空間梁單元模擬，整個(gè)主梁的剛度以及分布質(zhì)量和質(zhì)量慣矩都集中到軸線上，并通過兩邊伸出的剛臂與拉索相連;斜拉索采用彈性懸索單元，以魚骨梁形式實(shí)現(xiàn)主梁節(jié)點(diǎn)與斜拉索節(jié)點(diǎn)之間剛性連接。拉索張拉模擬選體外力，以成橋索力作為目標(biāo)索力，在施工階段對索力進(jìn)行調(diào)整。計(jì)算模型如圖3所示。

3 受力分析

3.1 成橋狀態(tài)受力分析

在主體結(jié)構(gòu)完工后，全橋在成橋狀態(tài)下主梁下緣在塔梁固結(jié)處有較大壓應(yīng)力，為133 MPa。收到主梁水平面內(nèi)彎矩的影響，主梁截面左右兩側(cè)的點(diǎn)受力呈反對稱分布（圖4）。

3.2 使用階段受力分析

考慮使用階段荷載組合作用后，主梁最大軸力為-144 100 kN，而最大水平面內(nèi)彎矩為370 713 kN·m，最大豎直面內(nèi)彎矩為174 614 kN·m，其均位于主梁塔梁固結(jié)處。通過應(yīng)力分析可知，主梁的大部分區(qū)段處于全截面受壓狀態(tài)。與上緣相比，主梁下緣應(yīng)力較高，在塔梁固結(jié)處有最大壓應(yīng)力172.1 MPa（圖5）。

鋼橋面板不僅作為橋面系直接承受車輪荷載的作用，而且還作為主梁一部分參與主梁共同受力，其受力主要由主梁體系、橋面體系以及蓋板體系（即第一、第二、第三體系）組成，蓋板體系在橋面板的靜力計(jì)算中可忽略不計(jì)。為分析主梁橋面體系應(yīng)力，本節(jié)通過有限元軟件建立鋼箱主梁節(jié)段板殼模型，分析橋面體系在車輪荷載作用下的應(yīng)力情況。按照城—A級車輛荷載對橋面板進(jìn)行加載，輪壓作用于相鄰兩橫隔板正中時(shí)，鋼梁頂板出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，約為45 MPa。綜合考慮主梁體系與橋面體系應(yīng)力，鋼梁頂板最大應(yīng)力約為156 MPa（圖6）。

考慮使用階段荷載組合作用后，索塔塔底有最大軸力為99 774 kN，最大縱向橋彎矩36 3951 kN·m;索塔橫橋向最大彎矩為78 117 kN·m，位于塔梁固結(jié)處;主塔截面在塔頂處有最大拉應(yīng)力49.7 MPa，在塔底有最大壓應(yīng)力139.3 MPa。通過變形分析，主塔的縱向最大位移為7.8 cm（圖7）。

斜拉索使用階段標(biāo)準(zhǔn)值組合下，拉索內(nèi)力單位為kN，應(yīng)力單位為MPa，斜拉索最大應(yīng)力為598 MPa（S15拉索），即最小安全系數(shù)為2.79，滿足規(guī)范不小于2.5的要求;移動荷載作用下拉索應(yīng)力變化介于-42.2～78.2 MPa之間（圖8）。

3.3 彈性穩(wěn)定分析

使用狀態(tài)下，以結(jié)構(gòu)自重、二期恒載及活載作為荷載變量，橋梁的第1階彈性穩(wěn)定系數(shù)為45.99，滿足規(guī)范大于4.0的要求。橋梁的彈性穩(wěn)定分析主要結(jié)果如下圖所示。其中第1階失穩(wěn)形式為主塔產(chǎn)生橫向偏移，主梁產(chǎn)生反對稱變形（圖9）。

通過以上分析可知，本橋在竣工與使用階段，主體結(jié)構(gòu)受力均有較高的安全富余。

4 結(jié)束語

本文通過有限元軟件建立橋梁三維有限元模型，對大跨度異形鋼塔空間曲面斜拉橋的進(jìn)行了結(jié)構(gòu)受力分析。計(jì)算結(jié)果表明，本橋的設(shè)計(jì)方案從結(jié)構(gòu)受力及動力特性等方面均滿足規(guī)范的要求。本橋在取得優(yōu)美的外觀造型的同時(shí)，也兼顧了結(jié)構(gòu)受力的安全性，可為以后同類橋梁作借鑒。

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