南四湖斜拉橋壓重的優(yōu)化研究

李利軍 張國民姚輝瑞徐常澤趙貴輝

(1.山東建筑大學 交通工程學院，山東 濟南250101；2.山東省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司，山東 濟南，250031；3.商河縣建筑工程質(zhì)量檢測有限公司，山東 濟南251600)

0 引言

斜拉橋跨越能力強，適用范圍廣[1-3]，對于主跨＜400 m 的斜拉橋，混凝土梁斜拉橋有著更強的競爭能力。 為了降低混凝土梁斜拉橋的造價，邊中跨比一般控制在0.40～0.45 且不設(shè)置輔助墩。 在無輔助墩斜拉橋中汽車荷載作用下，過渡墩支座處易出現(xiàn)負反力，不利于結(jié)構(gòu)受力，通常在邊跨梁端一定范圍內(nèi)需配置相應的壓重[4-5]。 因此，對邊跨進行壓重處理成為了改善此橋型內(nèi)力狀態(tài)常用的方法，應給予邊跨壓重問題足夠的重視[6]。 此外，在主梁對稱施工過程中，邊跨主梁梁段往往較輕，此時壓重作為平衡重施加在邊跨主梁中。 合理的壓重設(shè)置，不僅是消除或減小施工與成橋時墩臺處支座負反力最直接、最有效的方法，而且能夠改善斜拉橋塔梁施工、成橋及使用階段的力學性能[7-9]。

南四湖斜拉橋為雙塔雙索面混凝土梁斜拉橋，根據(jù)橋梁受力特性優(yōu)化研究了其壓重方案。 一般來說，橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的主要目的是使結(jié)構(gòu)的受力及造價最優(yōu)，而傳統(tǒng)設(shè)計方式未考慮在滿足規(guī)范要求的前提下尋求最優(yōu)的設(shè)計方案[10]。 這種情況下，優(yōu)化設(shè)計就顯得很有現(xiàn)實意義。 由于斜拉橋在邊跨設(shè)置壓重會對主梁及主塔的變形及內(nèi)力產(chǎn)生顯著影響，壓重的設(shè)置情況應綜合比較主梁變形、彎矩的均勻性、主塔最大彎矩及塔頂位移來確定[11-12]。 其原設(shè)計壓重方案中索塔內(nèi)力及塔頂位移較大，考慮如何在不產(chǎn)生邊墩負反力情況下優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力是該壓重方案調(diào)整的基本原則。 該研究能為此橋后續(xù)運營提供理論依據(jù)，亦可為同類型斜拉橋的設(shè)計施工提供可靠參考。

1 工程概況

南四湖特大橋位于濟寧市微山縣和魚臺縣境內(nèi)，是日照(嵐山)至菏澤公路和棗莊至菏澤段跨越南四湖的一座特大橋，起點位于微山縣兩城鎮(zhèn)黃山三村南，終點位于湖西濱湖大道西側(cè)的魚臺縣張黃鎮(zhèn)梁崗村，主線橋全長9 889 m。 南四湖特大橋主航道橋位于京杭運河主航道，其長為(95+210+95)m=400 m 的雙塔雙索面斜拉橋(南四湖斜拉橋)，其結(jié)構(gòu)體系為半漂浮體系，由塔墩固結(jié)，主梁在橋塔及共用墩處設(shè)豎向支承，并在橋塔與主梁之間設(shè)置橫向與縱向限位裝置。 采用雙向四車道高速公路標準建設(shè)，設(shè)計速度為120 km/h，設(shè)計汽車荷載等級為公路Ⅰ級，如圖1、2 所示。

圖1 南四湖斜拉橋橋型布置圖/m

圖2 南四湖斜拉橋橫向圖

南四湖斜拉橋主要構(gòu)件如下:

(1) 主梁 采用雙邊箱斷面砼主梁，中心梁高為2.7 m、橋面板厚度為28 cm，順橋向每間隔3.5、3.0 m設(shè)置一道橫隔板，共57 個梁段。 主梁標準橫斷面、梁段劃分分別如圖3、4 所示。

圖3 主梁標準橫斷面圖/m

(2) 斜拉索 呈平面扇形分布，兩側(cè)雙索面布置，斜拉橋塔上豎向索距分別為2.0、2.2 和2.5 m，梁上水平索距分別為7.0、6.0、3.0 m。

(3) 索塔 橋塔為H 形橋塔，分為上塔柱和下塔柱，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。 截面采用單箱單室空心箱形截面。 橋塔上塔柱高為66.2 m、137＃下塔柱高為13.7 m、138＃下塔柱高為11.5 m。 順橋向上塔柱寬為7.0 m、下塔柱寬為7.0 ～9.0 m，按照圓弧形變化。上塔柱壁厚為80/90 cm、 下塔柱底部壁厚為120 cm，底部設(shè)2 m 高實心段。 橫橋向上塔柱寬為3.5 m、下塔柱寬為3.5 ～6.0 m。 橫梁采用單箱單室截面，預應力混凝土結(jié)構(gòu)。 拉索橋塔采用鋼錨梁和混凝土錨塊構(gòu)造兩種方案錨固。

(4) 約束體系 橋塔處設(shè)置豎向支座、橫向抗風支座，縱向設(shè)置彈性限位索；共用墩設(shè)置豎向支座，墩頂處設(shè)置橫向限位裝置。

(5) 橋塔基礎(chǔ) 采用分離式基礎(chǔ)，承臺厚4.5 m、承臺橫橋向?qū)挒?3.5 m、順橋向長為18.6 m，每個承臺下設(shè)12 根直徑為2.0 m 的鉆孔灌注樁。

施工流程及階段劃分見表1。

圖4 主梁梁段劃分圖/m

表1 施工階段及施工步驟劃分表

2 邊跨壓重優(yōu)化

2.1 設(shè)計邊跨壓重

南四湖斜拉橋設(shè)計邊跨壓重如圖5 所示。 壓重布置在邊跨10′＃、11′＃及邊跨現(xiàn)澆段梁段內(nèi)，距離梁端部4 m，總長度為23 m。 邊跨壓重分兩次施加，第一次壓重集度q1=100 kN/m，壓重隨施工階段進行；全橋合龍以后施加第二次壓重，集度為q2=70 kN/m。 壓重采用高密度鐵砂混凝土，要求堆重30 kN/m3，壓重塊件應均勻放置在壓重槽中，全橋共需260 m3。

圖5 邊跨主梁壓重布置示意圖/m

2.2 優(yōu)化后(成橋)邊跨壓重

成橋邊跨壓重如圖6 所示。 取消表1 中6、7 階段的永久壓重，其他施工階段及施工步驟保持不變。即取消邊跨10′＃、11′＃第一次壓重，壓重布置在邊跨現(xiàn)澆段梁段內(nèi)，距離梁端部4 m，總長度為11 m，第一次壓重集度及施工階段不變；第二次壓重保持不變。 與優(yōu)化前的方案相比共節(jié)約壓重80 m3。

圖6 優(yōu)化后邊跨主梁壓重布置示意圖/m

3 邊跨壓重優(yōu)化分析

3.1 有限元模型

主橋采用前支點掛籃工法懸臂澆筑施工，由索塔朝兩側(cè)對稱施工。 主橋施工順序見表1。 先邊跨合龍，再中跨合龍； 合龍后調(diào)整全橋二次索力； 進行橋面二期鋪裝并安裝橋面附屬設(shè)施。 結(jié)構(gòu)模擬計算采用有限元仿真軟件TDV 建立正裝有限元模型，以原竣工實測線形和主梁重心軸與拉索索點的對應關(guān)系確定主梁節(jié)點和拉索梁端錨固點的坐標。 其中，主梁和索塔為混凝土梁單元，拉索采用索單元模擬。 全橋劃分主梁單元248 個、索塔單元112 個，計算模型如圖7 所示。

圖7 全橋有限元模型圖

3.2 成橋狀態(tài)受力分析

分別對施工圖設(shè)計及優(yōu)化后的壓重進行有限元數(shù)值模擬，對比分析成橋狀態(tài)恒載下，構(gòu)件內(nèi)力、位移、支撐反力計算結(jié)果如圖8 ～10 所示。 優(yōu)化前，主梁的最大彎矩為102 213 kN·m，發(fā)生在主跨四分之一處；索塔的最大彎矩為622 44 kN·m，發(fā)生在下橫梁處；索塔最大順橋向位移為0.09 m，發(fā)生在塔頂，向河岸側(cè)傾斜；梁端支座反力為2 261 kN。 優(yōu)化后，主梁的最大彎矩為102 726 kN·m，發(fā)生在主跨四分之一處；索塔的最大彎矩為23 117 kN·m，發(fā)生在下橫梁處；索塔最大順橋向位移為0.024 m，發(fā)生在塔頂，向河岸側(cè)傾斜；梁端支座反力為2 244 kN。

圖8 成橋狀態(tài)主梁內(nèi)力圖

圖9 成橋狀態(tài)索塔內(nèi)力、位移曲線圖

圖10 優(yōu)化前、后成橋狀態(tài)梁端支座反力圖

3.3 運營狀態(tài)受力分析

對施工圖設(shè)計及優(yōu)化后的壓重分別進行有限元數(shù)值模擬，對比分析運營狀態(tài)下的構(gòu)件內(nèi)力、位移、支撐反力計算結(jié)果如圖11～13 所示。 優(yōu)化前，主梁的最大彎矩為117 167 kN·m，發(fā)生在主跨四分之一處；索塔的最大彎矩為78 158 kN·m，發(fā)生在下橫梁處；索塔最大順橋向位移為0.11 m，發(fā)生在塔頂，向河岸側(cè)傾斜；車輛荷載作用下梁端不利支座反力為-1 912 kN。 優(yōu)化后，主梁的最大彎矩為117 687 kN·m，發(fā)生在主跨四分之一處；索塔的最大彎矩為39 034 kN·m，發(fā)生在下橫梁處；索塔最大順橋向位移為0.045 m，發(fā)生在塔頂，向河岸側(cè)傾斜；車輛荷載作用下梁端不利支座反力為-1 916 kN。

圖11 運營狀態(tài)主梁內(nèi)力圖

圖12 運營狀態(tài)索塔內(nèi)力、位移曲線圖

圖13 優(yōu)化前、后車輛荷載梁端支座反力圖

3.4 優(yōu)化前后計算結(jié)果對比

在保持斜拉索無應力索長不變的情況下[13-14]，優(yōu)化南四湖斜拉橋施工圖設(shè)計的梁端壓重[15-17]，優(yōu)化后構(gòu)件在成橋狀態(tài)及運營狀態(tài)的內(nèi)力、位移、梁端支撐反力計算結(jié)果對比見表2。

表2 構(gòu)件優(yōu)化前后計算結(jié)果對比表

4 結(jié)論

通過上述研究，得到的主要結(jié)論如下:

(1) 對南四湖混凝土斜拉橋梁端壓重的優(yōu)化，極大的改善了成橋及運營狀態(tài)索塔的受力和變形，且對成橋狀態(tài)的改善更加明顯。 優(yōu)化后索塔成橋狀態(tài)的內(nèi)力和位移分別減小了62.9%、73.3%；運營狀態(tài)的內(nèi)力和位移分別減小了50.1%、59.1%。

(2) 優(yōu)化后成橋狀態(tài)最不利梁端支撐反力減小了0.8%，運營狀態(tài)減小了6%，優(yōu)化前后均不會出現(xiàn)負反力。

(3) 壓重的優(yōu)化對斜拉橋主梁內(nèi)力的影響不大，優(yōu)化后成橋狀態(tài)主梁的內(nèi)力增大了0.5%，運營狀態(tài)增大了0.4%。

目前，南四湖斜拉橋已經(jīng)通車，成橋狀態(tài)及運營狀態(tài)監(jiān)控的結(jié)果與優(yōu)化后的理論值吻合，結(jié)構(gòu)運行良好。