考慮偏移量的大跨度斜拉橋輔助墩最佳位置建模分析

■ 中鐵十九局集團(tuán)有限公司 揣宏磊

雖然大跨度斜拉橋邊跨加輔助墩一般能有效地改善結(jié)構(gòu)受力、塔身位移、塔根彎矩、主梁內(nèi)力等因素的影響，但輔助墩的設(shè)置并不總是對(duì)結(jié)構(gòu)有利。在斜拉橋施工過程中，隨意性增加墩臺(tái)的安裝會(huì)降低結(jié)構(gòu)的抗震性能，尤其在橋梁施工階段，隨意增加的輔助墩可能會(huì)使橋梁雙臂端提前達(dá)到雙懸臂狀態(tài)，無法保證施工安全，從而導(dǎo)致斜拉橋在活載作用下的內(nèi)力下降，整體剛度發(fā)生較大變化，抗震抗風(fēng)能力下降。為此，大跨度斜拉橋輔助墩位置的設(shè)置，需要深思熟慮。文獻(xiàn)[1]提出的曲線斜拉橋輔助墩位置影響分析方法，以有限元軟件為基礎(chǔ)，分析斜拉橋輔助墩位的位置，統(tǒng)計(jì)曲線斜拉橋輔助墩位的變化數(shù)據(jù)，探討不同輔墩位置對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響規(guī)律，由此確定大跨度斜拉橋輔助墩位置；文獻(xiàn)[2]提出的港珠澳大橋九洲航道橋輔助墩支點(diǎn)頂升受力分析方法，使用Midas Civil軟件構(gòu)建全橋空間有限元模型，對(duì)整個(gè)頂進(jìn)過程中橋塔、主梁及斜拉索的受力進(jìn)行分析，從而確定輔助墩位。但是，這兩種方法都受到橋偏移的影響，不能確定最佳位置。針對(duì)這一問題，本文提出考慮偏移量的大跨度斜拉橋輔助墩最佳位置建模分析方法，在設(shè)定大跨度斜拉橋偏移量約束條件下，構(gòu)建輔助墩最佳位置有限元模型，由此確定輔助墩最佳位置。

1.工程概況

某公路大橋位于長江中游，屬跨江新河口。大橋橋長4177.6m，屬于一種橫跨通航干流的高、不對(duì)稱的矮塔預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，跨度組成為（160+300+97）m，連續(xù)長度為557m。大跨度斜拉是由兩種主體組合形式構(gòu)成的大橋，其中，第一種結(jié)構(gòu)是雙索浮體系的通航孔主橋斜拉橋結(jié)構(gòu)，第二種結(jié)構(gòu)是預(yù)應(yīng)力混凝土梁組合結(jié)構(gòu)。在縱軸上的橋梁梁高2.465m、梁寬26.5m、下橫梁寬27.0m。針對(duì)橋梁的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)受力要求，將主梁組合成不同截面。主塔樓采用預(yù)應(yīng)力 H型混凝土，42號(hào)主塔墩高124.8m、塔頂高度為150.2m；43號(hào)主塔墩高89.4m、塔頂高度為125.2m。用低松弛鍍鋅高強(qiáng)鋼絲熱擠壓黑色聚乙烯和彩色聚乙烯保護(hù)電纜，主梁索端標(biāo)準(zhǔn)距離8m，最小距離3m。

2.考慮偏移量的大跨度斜拉橋輔助墩最佳位置建模分析

2.1 有限元模型的建立

利用Midas Civil 2013進(jìn)行建模分析，并采用梁單元模擬主梁和主塔單元結(jié)構(gòu)，采用網(wǎng)格單元模擬斜拉索單元結(jié)構(gòu)[3]。三個(gè)單元之間是通過彈性剛體連接的，這是一種固結(jié)關(guān)系，而主梁和矮塔用支座連接。按照所需分析的結(jié)構(gòu)體系，構(gòu)建大跨度斜拉橋輔助墩最佳位置的有限元模型，研究考慮偏移量對(duì)大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響。

結(jié)合現(xiàn)有斜拉橋的經(jīng)驗(yàn)和輔墩位置，考慮大跨斜拉橋輔墩的最佳位置[4]。同時(shí)，還對(duì)邊跨混凝土中的混凝土重量進(jìn)行調(diào)整，保證索力平衡。用最大雙懸臂階段拉索表示輔助墩，確定三個(gè)分析條件，如表1所示。

表1 擬定不同輔助墩位置工況

不同輔助墩位置工況下，輔助墩模型如圖1所示。

圖1 不同輔助墩位置工況下輔助墩模型

由圖1可知，當(dāng)主跨和邊跨的直徑比值大于1時(shí)，設(shè)置輔助墩能夠顯著提高橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度。當(dāng)主跨和邊跨的直徑比值≤1時(shí)，邊跨對(duì)主跨造成了負(fù)反力，此時(shí)輔助墩一般采用主梁跨墩形式，再在主梁上配置連續(xù)梁（帶引橋），以減少邊跨對(duì)主跨造成的負(fù)反力。

考慮偏移量的大跨度斜拉橋輔助墩最佳位置建模分析，需設(shè)定邊界約束條件，以此控制輔助墩最佳位置設(shè)定不會(huì)被大跨度斜拉橋偏移量所影響，如表2所示。

表2 考慮偏移量的邊界約束條件

由表2可知，充分考慮偏移量邊界約束條件，規(guī)范主塔、輔助墩、過渡墩、主梁、主塔、斜拉索和承臺(tái)之間的關(guān)系。當(dāng)確定斜拉橋結(jié)構(gòu)體系后，受到拉索的影響，大跨度斜拉橋恒載內(nèi)力可自由調(diào)整，此時(shí)活載應(yīng)力幅幾乎不隨拉索影響而發(fā)生改變。因此，橋梁設(shè)計(jì)的合理性和質(zhì)量主要取決于活載作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形。

2.2 考慮偏移量的大跨度斜拉橋受力分析

2.2.1 主梁彎矩

充分考慮偏移量，分析不同輔助墩位置下主梁彎矩，如表3所示。

表3 不同輔助墩位置下主梁彎矩/KN.m

由表3可知，主梁彎矩隨輔助墩距的變化而變化，其規(guī)律如下：當(dāng)大跨度斜拉橋雙臂端達(dá)到最大雙懸臂狀態(tài)時(shí)，輔助墩距離主梁的距離越大，主梁整體彎矩也就越大。

2.2.2 主梁扭矩

充分考慮偏移量，分析不同輔助墩位置下主梁扭矩，如表4所示。

表4 不同輔助墩位置下主梁扭矩/KN.m

由表4可知，在最大雙懸臂期間，隨著最大懸臂段與主塔之間距離的增加，主梁扭矩整體增加。

2.2.3 主梁軸力

充分考慮偏移量，分析不同輔助墩位置下主梁軸力，如表5所示。

表5 不同輔助墩位置下主梁軸力/KN

由表5可知，當(dāng)輔助墩與主梁距離越遠(yuǎn)時(shí)，大跨度拉橋的雙懸臂張拉拉索數(shù)量隨之增加，在該種情況下，主梁軸力與距離呈正比例關(guān)系。

2.2.4 主梁豎向剪力

充分考慮偏移量，分析不同輔助墩位置下主梁豎向剪力，如表6所示。

表6 不同輔助墩位置下主梁豎向剪力/KN

由表6可知，隨著主墩距主墩距離的增大，單懸臂子墩處主梁豎向剪力可控制，其他階段主梁豎向剪力變化不大。

2.3 大跨度斜拉橋輔助墩最佳位置確定

針對(duì)斜拉橋不同輔助墩位的設(shè)置，首先應(yīng)保證輔助墩距離邊界在0.25L—0.50L（L表示邊跨直徑）范圍內(nèi)，距離主塔越遠(yuǎn)越好。雙懸臂階段，25#、8#索在3工況下拉索的主梁彎矩整體增大，特別是下拉索彎矩更明顯。在工況3中，主梁曲線段8#拉索整體力矩增大，特別是主梁上的力矩作用更加明顯。結(jié)果表明，主梁軸向力總體增加，但對(duì)主梁剪力影響不大。

分析結(jié)果表明，當(dāng)大跨度斜拉橋接近最大雙懸臂狀態(tài)時(shí)，斜拉橋主梁與輔助墩之間的距離越大，主梁受到來自不同方向的內(nèi)力就越復(fù)雜?；谠撉闆r，大跨度橋梁成橋的狀態(tài)更為合理。當(dāng)大跨度斜拉橋雙懸臂達(dá)到最大雙懸臂狀態(tài)時(shí)，雙懸臂就會(huì)處于危險(xiǎn)狀態(tài)，但與此同時(shí)，成橋階段就十分安全，因此，工況3的8#索設(shè)置輔助墩的位置較為合理。

3.測試分析

為了驗(yàn)證考慮偏移量的大跨度斜拉橋輔助墩最佳位置建模分析方法的合理性，將其與曲線斜拉橋輔助墩位置影響分析、航道橋輔助墩支點(diǎn)頂升受力分析方法的工況3位置在不同偏移量下的受力情況進(jìn)行測試分析。

3.1 輔助墩對(duì)主梁彎矩的影響

對(duì)于確定的工況3位置，分析輔助墩對(duì)主梁彎矩變化量的影響，如圖2所示。

圖2 輔助墩對(duì)主梁彎矩變化量的影響示意圖

由圖2可知，使用曲線斜拉橋輔助墩位置影響分析方法，在不同偏移量下，輔助墩對(duì)主梁彎矩變化的影響范圍為0—2.5KN·m。當(dāng)偏移量分別為2.6mm和3.7mm時(shí)，主梁彎矩變化曲線出現(xiàn)了兩個(gè)峰值，分別為2.1KN·m和2.3KN·m；使用航道橋輔助墩支點(diǎn)頂升受力分析方法，在不同偏移量下，輔助墩對(duì)主梁彎矩變化的影響范圍為0—3.0KN·m。當(dāng)偏移量為0.7mm時(shí)，主梁彎矩變化量達(dá)到最大為2.7KN·m；使用考慮偏移量的建模分析方法，在不同偏移量下，輔助墩對(duì)主梁彎矩變化的影響范圍為0—2.0KN·m。當(dāng)偏移量為4.5mm時(shí)，主梁彎矩變化量達(dá)到最大為1.6KN·m。

通過分析輔助墩對(duì)主梁彎矩的影響結(jié)果可知，使用考慮偏移量的建模分析方法主梁彎矩變化量影響最小。

3.2 輔助墩對(duì)主梁扭矩的影響

對(duì)于確定的工況3位置，分析輔助墩對(duì)主梁扭矩變化量的影響，如圖3所示。

圖3 輔助墩對(duì)主梁扭矩變化量的影響示意圖

由圖3可知，使用曲線斜拉橋輔助墩位置影響分析方法，隨著偏移量的增加，主梁扭矩變化量隨之減小，最小為1.4KN·m。使用航道橋輔助墩支點(diǎn)頂升受力分析方法，在偏移量為0—2.0mm范圍內(nèi)，主梁扭矩變化量較大，由5.5KN·m變?yōu)?.6KN·m。在偏移量為2.0mm—5.0mm范圍內(nèi)，主梁扭矩變化量由3.6KN·m變?yōu)?.9KN·m。使用考慮偏移量的建模分析方法，隨著偏移量的增加，主梁扭矩變化量隨之減小，最小為0.7KN·m。

通過分析輔助墩對(duì)主梁扭矩變化量的影響結(jié)果可知，使用考慮偏移量的建模分析方法，主梁扭矩變化量影響最小。

3.3 輔助墩對(duì)主梁軸力的影響

對(duì)于確定的工況3位置，分析輔助墩對(duì)主梁軸力變化量的影響，如圖4所示。

圖4 輔助墩對(duì)主梁軸力變化量的影響示意圖

由圖4可知，三種方法的主梁軸力變化量曲線均呈正弦波動(dòng)趨勢，使用曲線斜拉橋輔助墩位置影響分析方法，在0—1.0mm、4.0mm—5.0mm偏移量范圍內(nèi)，主梁軸力變化量一致，都為6KN；在1.0mm—2.0mm、3.0mm—4.0mm偏移量范圍內(nèi)，主梁軸力變化量一致，都為8KN；在2.0mm—3.0mm偏移量范圍內(nèi)，主梁軸力變化量達(dá)到最大值為13KN。使用航道橋輔助墩支點(diǎn)頂升受力分析方法，在0—1.0mm、4.0mm—5.0mm偏移量范圍內(nèi)，主梁軸力變化量一致，都為5KN；在1.0mm—4.0mm、3.0mm—4.0mm偏移量范圍內(nèi)，主梁軸力變化量一致，都為7KN。使用考慮偏移量的建模分析方法，在0—1.0mm、4.0mm—5.0mm偏移量范圍內(nèi)，主梁軸力變化量一致，都為2KN；在1.0mm—2.0mm、3.0mm—4.0mm偏移量范圍內(nèi)，主梁軸力變化量一致，都為4KN；在2.0mm—3.0mm偏移量范圍內(nèi)，主梁軸力變化量達(dá)到最大值為7KN。

通過分析輔助墩對(duì)主梁軸力變化量的影響可知，使用考慮偏移量的建模分析方法，主梁軸力變化量影響最小。

3.4 輔助墩對(duì)主梁豎向剪力的影響

對(duì)于確定的工況3位置，如圖5所示，分析輔助墩梁對(duì)主梁豎向剪力變化的影響。

由圖5可知，使用曲線斜拉橋輔助墩位置影響分析方法，在偏移量為3.2mm時(shí)，主梁豎向剪力變化量達(dá)到最大，為39KN；使用航道橋輔助墩支點(diǎn)頂升受力分析方法，在偏移量為0.4mm時(shí)，主梁豎向剪力變化量達(dá)到最大，為50KN；使用考慮偏移量的建模分析方法，在偏移量為0.2mm時(shí)，主梁豎向剪力變化量達(dá)到最大，為30KN。

圖5 輔助墩對(duì)主梁豎向剪力變化量的影響示意圖

通過分析輔助墩對(duì)主梁豎向剪力變化量的影響可知，使用考慮偏移量的建模分析方法，主梁豎向剪力變化量影響最小。

4.結(jié)語

本文提出的考慮偏移量的大跨度斜拉橋輔助墩最佳位置建模分析方法確定輔助墩最佳位置，可提高主梁結(jié)構(gòu)剛度，與此同時(shí)，主梁的豎向變形也受到了影響。另外，輔助墩能有效地提高尾索區(qū)的索力，但對(duì)其他索力影響較小。若無其他因素影響，輔助墩臺(tái)能有效減小索塔受力。通過測試分析可知，對(duì)于確定的工況3位置，主梁彎矩變化量、主梁扭矩變化量、主梁軸力變化量和主梁豎向剪力變化量均影響最小。

在此基礎(chǔ)上，本文研究了輔助墩對(duì)橋梁力學(xué)特性的影響，得出一系列結(jié)論。但是，由于時(shí)間限制，有些問題仍然需要進(jìn)一步研究和討論：

一是研究的高塔斜拉橋跨徑較小，針對(duì)輔助墩對(duì)跨徑較大的高低塔斜拉橋的影響有待進(jìn)一步分析和探討。

二是分析了輔助墩位置對(duì)高低塔斜拉橋應(yīng)力的影響，對(duì)于斜拉橋的其他參數(shù)（高塔高比、主跨跨比等），還需要進(jìn)一步研究。