公路兩用混合-組合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)體系分析

付 強，遲東彪

(中南勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430070)

1 工程概述

混合-組合梁斜拉橋是近年來發(fā)展起來的一種新的結(jié)構(gòu)形式，其主跨采用雙邊鋼主梁[1]和預(yù)制橋面板相結(jié)合的組合梁形式，邊跨部分梁段采用混凝土梁段[2],混凝土梁段可提高全橋剛度并有效消除邊墩及輔助墩位置處產(chǎn)生的負反力。文中以某山區(qū)高速主跨480 m混合-組合梁斜拉橋為工程背景，其跨徑布置為56 m+156 m+480 m+156 m+56 m=904 m。在主橋中跨及近塔區(qū)邊跨的主梁采用組合梁，邊跨壓重區(qū)的主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土“π形”梁。主塔采用H形橋塔，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。全橋共設(shè)置72對斜拉索，平行索面、扇形布置[3]。混凝土梁段橋梁全寬39.3 m，組合梁段橋梁全寬38.9 m，其橫斷面布置同時滿足高速公路與地方道路兩種交通功能的使用需求。橋梁橫斷面布置如圖1所示。

圖1 主梁橫斷面布置(cm)

2 結(jié)構(gòu)體系對比

支承體系[4]的選擇與橋梁跨徑、結(jié)構(gòu)形式及環(huán)境因素密不可分。常見的大跨徑斜拉橋多采用全漂浮體系或半漂浮體系方案[5-6]。半漂浮體系為塔墩固結(jié)，主梁在塔墩上設(shè)置豎向支座，縱向不約束或者彈性約束的結(jié)構(gòu)體系[7-8]。在已建成的大跨徑斜拉橋中，以半漂浮結(jié)構(gòu)體系居多，如沌口長江公路大橋[9]、嘉魚長江公路大橋、江津觀音巖長江大橋[10]、赤壁長江公路大橋[11]等。此處提出(56+156+480+156+56)m全漂浮混合梁斜拉橋?qū)Ρ确桨?，探究兩種結(jié)構(gòu)體系在力學(xué)性能上的差異。相對于半漂浮體系，該方案主梁不設(shè)置縱向約束，在塔梁處不設(shè)置豎向約束，只設(shè)置橫向約束[12]，并設(shè)置0號索為橋塔處主梁提供豎向支撐，全漂浮體系斜拉橋的代表有青山長江大橋、銅陵公鐵兩用長江大橋等。為探究兩種結(jié)構(gòu)體系在基本力學(xué)性能上的差異，橋跨的布設(shè)、主梁形式及輔助墩位置保持相同。

2.1 結(jié)構(gòu)在恒載下的力學(xué)性能

1)主梁內(nèi)力。 在成橋恒載狀態(tài)下，兩種體系軸力基本相同，但在鋼混結(jié)合面處產(chǎn)生最大軸力；兩種體系下最大正負彎矩均出現(xiàn)在混凝土梁段，在輔助墩位置出現(xiàn)負彎矩峰值，在鋼混結(jié)合面處出現(xiàn)正彎矩峰值。由于全橋主梁內(nèi)力狀態(tài)基本成對稱分布，圖2、圖3僅顯示半橋主梁內(nèi)力狀態(tài)。

圖2 主梁恒載軸力

圖3 主梁恒載彎矩

2)橋塔內(nèi)力。 在成橋狀態(tài)下，兩種體系恒載軸力、彎矩最大值均出現(xiàn)在橋塔根部；在計入徐變效應(yīng)后，對下塔柱的彎矩有明顯的改善，彎矩呈反向增大的趨勢，徐變完成后橋塔處于軸壓狀態(tài)，如圖4、圖5所示。

圖4 橋塔恒載軸力

圖5 橋塔恒載彎矩

3)斜拉索成橋索力。 斜拉橋的恒載內(nèi)力狀態(tài)與索力密切相關(guān)，兩種結(jié)構(gòu)體系均可通過調(diào)整索力達到合理成橋狀態(tài)。

斜拉橋合理的成橋狀態(tài)需滿足：索力分布均勻、主塔彎矩較小、主梁應(yīng)力在可控范圍內(nèi)[13]。常用的調(diào)整索力方法有：剛性支承連續(xù)梁法、最小彎曲能量法、影響矩陣法等。文中以最小彎曲能量法為基礎(chǔ)，結(jié)合目標狀態(tài)優(yōu)化索力，得出合理成橋狀態(tài)索力。如圖6所示，在成橋恒載狀態(tài)下，兩種體系斜拉索索力基本一致，全漂浮體系比半漂浮體系索力略大。在全漂浮體系中，由于橋塔處主梁節(jié)段較重，造成0號索索力較大，索力較相鄰索增加38%。

圖6 斜拉索恒載索力

4)恒載變形。 此處對比兩種體系下徐變對主梁變形的影響。由于混凝土的徐變效應(yīng)一般會使主梁下?lián)?，而下?lián)献畲笾党霈F(xiàn)在主梁跨中位置，使得橋塔塔頂向跨中偏移。對比表明，兩種體系主梁豎向位移及橋塔水平位移基本相同，如圖7所示。

圖7 成橋狀態(tài)徐變變形

2.2 結(jié)構(gòu)在活載下的力學(xué)性能

1)主梁內(nèi)力。 在運營狀態(tài)下，兩種體系活載工況下產(chǎn)生的軸力分布較為接近，最大軸力均出現(xiàn)在跨中位置。由于全漂浮體系在橋塔處不設(shè)置豎向支座，軸力顯示連續(xù)狀態(tài)；半漂浮體系軸力包絡(luò)線在橋塔支座處不連續(xù)。至于活載彎矩 ，兩種結(jié)構(gòu)體系分布規(guī)律基本一致，最大最小彎矩均出現(xiàn)在混凝土梁段輔助墩位置。圖8、圖9僅顯示半橋主梁內(nèi)力狀態(tài)。

圖8 主梁活載軸力

圖9 主梁活載彎矩

2)橋塔內(nèi)力。 在兩種體系中，橋塔活載工況下軸力分布較為接近，最大軸力均出現(xiàn)在塔底，全漂浮體系下中塔柱的軸力略大。由對比可知，結(jié)構(gòu)體系對活載工況下橋塔彎矩影響較小，如圖10、圖11所示。

圖10 橋塔活載軸力

圖11 橋塔活載彎矩

3)斜拉索活載應(yīng)力幅。 斜拉索活載應(yīng)力幅如圖12所示。由圖12可知，兩種結(jié)構(gòu)體系的主要差異在于橋塔附近的斜拉索。相對于半漂浮體系，全漂浮體系橋塔附近斜拉索應(yīng)力幅呈增大趨勢。總體上看，兩種體系的活載應(yīng)力幅均較小且分布均勻。

圖12 斜拉索活載應(yīng)力幅

4)活載變形。 由圖13可知，兩種結(jié)構(gòu)體系均能提供結(jié)構(gòu)整體剛度，可較好地控制橋塔的側(cè)向位移及主梁的豎向撓曲變形。

圖13 運營狀態(tài)活載變形

2.3 結(jié)構(gòu)在溫度作用下的力學(xué)性能

在溫度荷載作用下，主梁最大軸力及彎矩均出現(xiàn)在橋塔附近，且兩種體系下主梁軸力、梁端位移及主塔底部彎矩均較為接近，這也說明兩種結(jié)構(gòu)體系均可有效地釋放溫度變形，更好地控制塔底彎矩，都對結(jié)構(gòu)受力性能有利。

2.4 結(jié)構(gòu)動力特性

選取兩種結(jié)構(gòu)體系下前五階固有模態(tài)進行比較，如圖14、表1所示，半漂浮體系結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)均比全漂浮體系高，這也反映出半漂浮體系的結(jié)構(gòu)整體剛度大于全漂浮體系。

圖14 結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率(前五階)

表1 不同結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)模態(tài)對比

3 混合段結(jié)合面位置對比

為平衡由于最不利狀態(tài)下邊墩及輔助墩位置處產(chǎn)生的負反力，將邊跨部分組合梁段改為混凝土梁段，由傳統(tǒng)的鐵砂壓重改為混凝土梁段自重提供壓重方案，該方案相比鐵砂壓重方案略具經(jīng)濟優(yōu)勢?；旌狭悍桨感鑼炷亮憾闻c組合梁梁段的接頭位置做進一步研究。接頭位置宜選在豎向位移較小且受力性能合理、便于施工處。

在保持斜拉索、橋塔、輔助墩位置等參數(shù)不變的情況下，接頭位置分別選擇在向橋塔方向距離輔助墩6 m、8 m、10 m、12 m、16 m處，通過調(diào)整結(jié)合面位置，分別研究主梁變形、應(yīng)力、輔助墩處的反力及主塔的內(nèi)力狀態(tài)。具體對比詳見圖15～19。

圖15 主梁跨中撓度對比

圖16 橋塔彎矩對比

圖17 結(jié)合面位置混凝土梁應(yīng)力對比

圖19 結(jié)合面位置位移對比

在以上幾種比較方案中，由于結(jié)合面與輔助墩距離相對較小，調(diào)整結(jié)合面位置對主梁的跨中撓度及橋塔的彎矩影響較小；對結(jié)合面處鋼梁的應(yīng)力幅及主梁位移有一定的影響。

多年來國內(nèi)外大量的試驗研究和理論分析證實：對于焊接鋼結(jié)構(gòu)疲勞強度起控制作用的是應(yīng)力幅△σ，在鋼結(jié)構(gòu)開裂階段，裂紋的擴展速度主要取決于該位置的應(yīng)力幅，應(yīng)力幅△σ=σmax—σmin。文中通過對比分析得出，隨著結(jié)合面離主塔距離的增大，鋼梁的應(yīng)力幅呈現(xiàn)出下降的趨勢，疲勞性能較優(yōu)，但主梁的撓度也顯示出線性增大的趨勢。綜合比較分析，結(jié)合面位置選擇在向橋塔方向距離輔助墩10 m處時，結(jié)構(gòu)相對較優(yōu)。

4 邊跨混凝土主梁剛度對比

4.1 混凝土主梁剛度調(diào)整

通過調(diào)整邊跨混凝土主梁的剛度，研究其對混合-組合梁斜拉橋受力性能的影響規(guī)律，以便優(yōu)化混凝土主梁的截面設(shè)計。

此處的對比方案只調(diào)整邊跨混凝土主梁的縱向抗彎剛度，保證截面面積不變，結(jié)構(gòu)形式也不發(fā)生改變，調(diào)整后的工況如表2所示，其中，工況2為基本方案，其余工況為比較方案。

表2 混凝土主梁剛度工況

4.2 結(jié)構(gòu)在恒載下的力學(xué)性能變化

通過對比可知，混凝土主梁的剛度對其本身徐變[14]次彎矩有一定影響，徐變次彎矩隨著剛度的增大而增大，而對塔身的徐變次彎矩影響較小，如圖20、圖21所示。

圖20 混凝土梁徐變次彎矩對比

圖21 橋塔徐變次彎矩對比

4.3 結(jié)構(gòu)在活載下的力學(xué)性能變化

1)主梁。 混凝土主梁的活載彎矩及應(yīng)力變化如圖22及圖23所示，可知混凝土主梁的最大正負彎矩均隨其剛度的增大而增大，最大活載拉壓應(yīng)力隨剛度增大而減小后逐漸趨于緩和。

圖22 混凝土主梁活載彎矩對比

圖23 混凝土主梁活載應(yīng)力對比

2)橋塔。 混凝土主梁剛度的調(diào)整對橋塔的活載彎矩及應(yīng)力影響相對較小，由圖24及圖25可知，隨著混凝土主梁剛度的增大，橋塔的活載彎矩及應(yīng)力逐漸減小。

圖24 橋塔活載彎矩對比

圖25 橋塔活載應(yīng)力對比

3)斜拉索。 此處對混凝土主梁段及鋼梁段斜拉索的活載應(yīng)力幅進行對比分析，研究表明：隨著混凝土主梁的剛度增大，斜拉索的活載應(yīng)力幅逐漸下降，且下降曲線較為緩和，如圖26所示。

圖26 斜拉索活載應(yīng)力幅對比

4)結(jié)構(gòu)在活載下的變形。 結(jié)構(gòu)活載變形如圖27所示，圖中表明隨著混凝土主梁剛度的增大，主梁的最大跨中撓度、橋塔的最大水平位移呈現(xiàn)下降趨勢。這是由于混凝土梁段剛度的提高對全橋結(jié)構(gòu)剛度有一定貢獻，但由于混凝土梁段較短，對全橋結(jié)構(gòu)整體剛度的提高有限。

圖27 活載變形對比

5 結(jié)束語

采用有限元分析方法[15]對主跨480 m公路兩用混合-組合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)體系進行基本力學(xué)性能分析，主要得出以下結(jié)論：

1)在結(jié)構(gòu)體系對比方面，全漂浮體系與半漂浮體系結(jié)構(gòu)力學(xué)性能相差較小。在活載工況下，半漂浮體系可較好地控制主梁及主塔位移；兩種體系下斜拉索的活載應(yīng)力幅均在可控范圍內(nèi)，在近塔區(qū)半漂浮體系具有明顯的優(yōu)勢；兩種結(jié)構(gòu)體系均能提供較好的結(jié)構(gòu)剛度，半漂浮體系結(jié)構(gòu)整體剛度略大于全漂浮體系。對比分析可知，兩種結(jié)構(gòu)體系均可滿足混合-組合梁斜拉橋受力性能，但由于近塔區(qū)梁段較重，造成全漂浮體系中0號索索力偏大，需選用較高規(guī)格型號的平行鋼絲拉索，其經(jīng)濟性能較差，文中推薦采用半漂浮體系方案。

2)鋼混結(jié)合面位置的研究表明，隨著不斷加大結(jié)合面距輔助墩的距離，鋼梁的抗疲勞性能逐漸增強，但結(jié)合面處主梁的下?lián)弦搽S之加大，且距離輔助墩較遠也會增加施工難度。綜合比選后，推薦橋塔方向距輔助墩10 m處設(shè)置鋼混結(jié)合面較為適宜。

3)通過對邊跨混凝土主梁剛度的對比分析，結(jié)果表明：隨著混凝土主梁剛度的增大，結(jié)構(gòu)整體剛度有一定的提高，主梁跨中撓度、塔頂水平位移均呈現(xiàn)下降的趨勢，結(jié)構(gòu)剛度的提高對結(jié)構(gòu)受力性能是有利的，選取合適的主梁剛度應(yīng)根據(jù)經(jīng)濟性及提升的效率性綜合考慮，文中建議選擇基本方案的主梁剛度是可行的。