同等跨徑矮塔斜拉橋與連續(xù)剛構(gòu)橋受力性能對(duì)比分析

胡財(cái)金

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114）

0 引言

連續(xù)剛構(gòu)橋采用墩梁固結(jié)體系，墩梁共同參與工作，與同跨徑的連續(xù)梁橋相比，連續(xù)剛構(gòu)橋的跨中彎矩減小，可以進(jìn)一步優(yōu)化跨中梁高，以減輕自重，且連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)伸縮縫少，行車(chē)舒適性好，但跨中下?lián)霞跋淞旱撞咳菀壮霈F(xiàn)開(kāi)裂等問(wèn)題。而矮塔斜拉橋兼具連續(xù)剛構(gòu)橋和斜拉橋的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，行業(yè)內(nèi)對(duì)矮塔斜拉橋的研究也逐步深入。對(duì)矮塔斜拉橋設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。通過(guò)仿真分析和近似分析法對(duì)矮塔斜拉橋的拉索和受力性能進(jìn)行研究，對(duì)大跨連續(xù)剛構(gòu)橋和矮塔斜拉橋的靜動(dòng)力性能進(jìn)行了對(duì)比研究。對(duì)矮塔斜拉橋施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，解決了橋梁在實(shí)際施工中的難題，積累了大量的研究成果。現(xiàn)借助Midas civil 建立有限元模型，研究同跨徑矮塔斜拉橋和連續(xù)剛構(gòu)橋成橋狀態(tài)下兩種工況下的靜力性能比值規(guī)律和豎向變形比值規(guī)律。

1 工程概況

1.1 矮塔斜拉橋概況

主橋采用分幅雙塔三跨矮塔斜拉橋設(shè)計(jì)，主橋長(zhǎng)314m，具體橋跨布置為83m+148m+83m。該橋采用墩、塔、梁固結(jié)體系，主塔為獨(dú)柱式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，斷面為矩形，主塔高度為26m（含索頂以上6.5m 裝飾段）。主橋采用全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用三向預(yù)應(yīng)力體系，縱向、橫向及豎向均采用Φs15.2mm 鋼絞線(xiàn)，根據(jù)各跨受力特點(diǎn)，適當(dāng)調(diào)整布束范圍和張拉噸位，斜拉索在塔上采用分絲管錨固結(jié)構(gòu)，全橋共96 根斜拉索。

1.2 連續(xù)剛構(gòu)橋

該大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋主橋?yàn)?1m+150m+81m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)梁。上部箱梁為變截面單箱單室斷面，箱頂寬12.00m，箱底寬6.5m。箱梁頂面設(shè)單向2%的橫坡（左右幅相反）。主墩縱向由雙肢薄壁墩組成，薄壁墩為矩形實(shí)心截面，橫橋向6.5m，順橋向2.4m，兩片墩間凈距為4.2m，雙肢薄壁墩之間不設(shè)置系梁，墩身上部端與箱梁0 號(hào)梁段固結(jié)，下部端與承臺(tái)固結(jié)。縱向、橫向預(yù)應(yīng)力筋采用公稱(chēng)直徑15.2mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)，抗拉強(qiáng)度為fpk=1860MPa，計(jì)算彈性模量E=1.95×10MPa，松弛等級(jí)為Ⅱ級(jí)，豎向預(yù)應(yīng)力筋在該對(duì)比模型中不予考慮。

2 有限元模型

2.1 矮塔斜拉橋模型

全橋結(jié)構(gòu)模型具體分為411 個(gè)節(jié)點(diǎn)、398 個(gè)單元。主墩的頂部與箱梁固結(jié)，墩底均采用固結(jié)構(gòu)造；兩端的邊跨箱梁采用的是可動(dòng)鉸支承與主墩相連接。在計(jì)算過(guò)程中，考慮了主梁的縱向預(yù)應(yīng)力筋，不考慮橫向和豎向預(yù)應(yīng)力筋。應(yīng)力符號(hào)規(guī)定如下：受拉為正、受壓為負(fù)。

2.2 連續(xù)剛構(gòu)橋模型

連續(xù)剛構(gòu)橋有限元模型共171 個(gè)節(jié)點(diǎn)，160 個(gè)單元，主要的靜力荷載包括自重、預(yù)應(yīng)力鋼束、掛籃自重、二期恒載等。活載主要有車(chē)道荷載、人行荷載等。

3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

通過(guò)建立連續(xù)剛構(gòu)橋與矮塔斜拉橋有限元模型，對(duì)比分析兩橋在不同工況下的力學(xué)性能和變形規(guī)律。荷載組合如表1 所示。

表1 荷載組合表

工況12組合恒載恒載+活載

3.1 內(nèi)力分析

3.1.1 彎矩對(duì)比分析

對(duì)比恒載工況下矮塔斜拉橋和連續(xù)剛構(gòu)橋成橋狀態(tài)下的縱橋向彎矩大小如圖1 所示，可以看出兩種橋型的變化規(guī)律基本一致。矮塔斜拉橋最大負(fù)彎矩M=-8.5×10kN·m，出現(xiàn)在82.88m、228.63m（橋墩附近）；剛構(gòu)橋最大負(fù)彎矩M=-1.18×10kN·m，出現(xiàn)在84.3m、228.9m（橋墩附近）；兩橋的最大正彎矩均出現(xiàn)在跨中附近，分別在156m 處及157m 處。在恒載+活載工況下，兩橋的最大負(fù)彎矩均出現(xiàn)在橋墩附近，最大正彎矩出現(xiàn)在跨中附近，其余位置均由峰值處向兩側(cè)逐步減小，如圖2 所示。在恒載工況下，矮塔斜拉橋的彎矩變化較為明顯，其跨中正彎矩值是連續(xù)剛構(gòu)橋的2.2 倍。

圖1 工況1 下彎矩對(duì)比分析圖

圖2 工況2 下彎矩對(duì)比分析圖

采用比值法，即每種橋型各截面的彎矩值與對(duì)應(yīng)橋型整橋彎矩絕對(duì)值最大值的比值，對(duì)比兩種橋型的彎矩特性。

表達(dá)式為：

式（1）中：M各截面彎矩值；|M |為整橋彎矩絕對(duì)值最大值。

由圖3、圖4 所示，連續(xù)剛構(gòu)橋與矮塔斜拉橋各截面的彎矩值與對(duì)應(yīng)整橋彎矩絕對(duì)值最大值的比值變化趨勢(shì)接近，且跨中及附近位置的比值基本接近，說(shuō)明在同跨徑下雖然兩者橋面寬度不同，但相對(duì)整橋彎矩的變化規(guī)律及變化率較為接近。

圖3 工況1 下彎矩相對(duì)值對(duì)比分析圖

圖4 工況2 下彎矩相對(duì)值對(duì)比分析圖分析

3.1.2 剪力對(duì)比分析

通過(guò)圖5、圖6 可知，恒載工況下兩者的剪力變化規(guī)律相差較大，縱橋向相近坐標(biāo)位置截面的剪力值，矮塔斜拉橋小于連續(xù)剛構(gòu)橋，但均在橋墩附近發(fā)生剪力突變。同時(shí)，通過(guò)恒載和活載組合工況下的對(duì)比圖可以看出，矮塔斜拉橋在橋墩處的剪力突變較連續(xù)剛構(gòu)橋大，連續(xù)剛構(gòu)橋在兩種工況下的剪力變化相對(duì)較小，說(shuō)明活載對(duì)矮塔斜拉橋的剪力影響較大，對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋的影響不大。

圖5 工況1 下剪力對(duì)比分析圖

圖6 工況2 下剪力對(duì)比分析圖

3.2 變形對(duì)比分析

根據(jù)圖7、圖8 可知，矮塔斜拉橋和連續(xù)剛構(gòu)橋在工況1 下，橋梁的豎向變形最大值分別為16.5cm、11.9cm，都位于合龍中跨段；矮塔斜拉橋主梁在工況2的作用下的豎向變形最大值為14cm，撓度與跨度之比為14/15000=1/1071；另外，連續(xù)剛構(gòu)橋主梁在工況2下，橋梁的豎向變形最大值為13.3cm，撓度與寬度之比為13.3/14800≈1.1/1200。上述數(shù)據(jù)均滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)主梁剛度的要求。對(duì)比工況1 下兩種橋型的豎向變形，可明顯發(fā)現(xiàn)矮塔斜拉橋跨中無(wú)索區(qū)的豎向變形比連續(xù)剛構(gòu)橋大得多，增大幅度為37.5%，其余位置的豎向變形與連續(xù)剛構(gòu)橋相差較?。还r2 下兩種橋型在跨中出現(xiàn)的最大豎向變形相差較小，豎向變形規(guī)律較一致，豎向變形大小在相同位置也較接近。說(shuō)明在活載作用下，由于拉索可提供一個(gè)向上的力，可以減小主梁的豎向變形；而連續(xù)剛構(gòu)橋在活載的作用下，豎向變形增大較為明顯，增大幅度達(dá)到11.7%。

圖7 工況1 下變形對(duì)比分析圖

圖8 工況2 下變形對(duì)比分析圖

4 結(jié)論

在兩種工況下，對(duì)同跨徑矮塔斜拉橋跨與連續(xù)剛構(gòu)橋的靜力性能及變形規(guī)律進(jìn)行對(duì)比研究，得出如下結(jié)論：第一，與同跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋相比，矮塔斜拉橋跨中正彎矩值較大；兩種工況下兩種橋型的彎矩比值系數(shù)變化規(guī)律相似性較高。第二，矮塔斜拉橋的剪力變化較為不規(guī)律，而連續(xù)剛構(gòu)橋的剪力變化在邊跨處及跨中處均表現(xiàn)出近似線(xiàn)性的變化規(guī)律。在恒載和活載組合下，連續(xù)剛構(gòu)橋在橋墩處的剪力突變較為明顯，矮塔斜拉橋則變化較小。第三，矮塔斜拉橋的豎向變形在兩種工況下均變化較小，是由于有拉索提供豎向支撐，能夠有效抑制跨中下?lián)?；而連續(xù)剛構(gòu)橋在恒載和活載組合下豎向變形的增幅較大，可達(dá)到11.7%。