混合梁斜拉橋邊中跨比布置對(duì)受力特性影響探究

李大勇

（中交通力建設(shè)股份有限公司，陜西 西安 710075）

邊中跨比是斜拉橋總體布置的重要參數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)剛度及各構(gòu)件受力都有重要影響。斜拉橋索塔在恒載作用下的彎矩接近于零，主梁在恒載作用下的彎矩接近于剛性支承連續(xù)梁的彎矩,這是斜拉橋理想的恒載狀態(tài)[1]?；旌狭盒崩瓨蛞_(dá)到這一理想恒載狀態(tài)，需要合理的邊中跨比例，使得索塔兩側(cè)的主梁處于重量平衡狀態(tài)[2]。在混合梁斜拉橋中，邊跨混凝土梁具有錨固及配重的作用，混凝土邊跨和密邊跨提供的穩(wěn)固支撐還能減小拉索的疲勞效應(yīng)[3]。因此，斜拉橋合理的邊中跨比例是使索塔和主梁處于較理想恒載狀態(tài)的關(guān)鍵因素[3]。

本文以某大跨度混合梁斜拉橋?yàn)檠芯勘尘?，參考?guī)范選取不同的邊中跨比。從理想恒載狀態(tài)出發(fā)，基于空間有限元方法，分析橋梁結(jié)構(gòu)的主梁應(yīng)力、主塔受力、斜拉索索力及動(dòng)力特性等力學(xué)性能，由此得出混合梁斜拉橋的最優(yōu)邊中跨比。

一、工程背景及有限元分析模型

（一）工程背景

某大橋?yàn)殡p塔雙索面混合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)，跨徑布置為150m+400m+150m，雙向四車(chē)道建設(shè)。主塔采用H形橋塔，主塔塔身設(shè)置上中下三道等截面橫梁；輔助墩及過(guò)渡墩采用雙柱式墩。中跨采用雙邊“上”字形鋼主梁結(jié)合橋面板的整體斷面，邊跨主梁采用混凝土邊主梁形式。

圖1 某斜拉橋布置圖

（二）有限元分析模型

全橋靜動(dòng)力分析采用邁達(dá)斯（Midas）有限元程序，共有908個(gè)節(jié)點(diǎn)、1386個(gè)單元，全橋有限元模型如圖2所示。其中主塔和主梁采用梁?jiǎn)卧崩鞑捎描旒軉卧?，塔墩底約束采用一般支撐約束模擬。該橋?qū)儆趯?duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，分析時(shí)僅建立一半橋梁模型。定義荷載組合為“自重+二期恒載+車(chē)輛荷載+整體升溫5度”。

圖2 空間桿系有限元模型

二、邊中跨比例選取

《公路斜拉橋設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3365-01—2020）中規(guī)定部分設(shè)計(jì)參數(shù)為區(qū)間形式，例如雙塔斜拉橋的邊中跨比宜為0.3～0.5，雙塔及多塔斜拉橋橋面以上塔高與主跨的跨徑比宜為1/3～1/6[4]。

結(jié)合背景工程特點(diǎn)，不改變?cè)瓨蚩缍龋淖儤蚨瘴恢靡愿淖冞呏锌绫?，選取了邊中跨比為0.35、0.375、0.4三種體系?；谟邢拊治龇椒ǎ治鲅芯咳N不同邊中跨比橋梁的力學(xué)性能。

圖3 邊中跨比0.35橋梁

圖4 邊中跨比0.375橋梁

圖5 邊中跨比0.4橋梁

三、邊中跨比例對(duì)受力特性影響

（一）主梁應(yīng)力

三種不同邊中跨比的混合梁斜拉橋?qū)χ髁簯?yīng)力的影響，如圖6所示，邊中跨比為0.35的混合梁斜拉橋，主梁應(yīng)力最大值為13.7MPa；邊中跨比為0.375的混合梁斜拉橋，主梁應(yīng)力最大值為12.8MPa；邊中跨比為0.4的混合梁斜拉橋，主梁應(yīng)力最大值為13.3MPa。在橋塔處主梁應(yīng)力會(huì)增大，且主梁下緣應(yīng)力大于上緣應(yīng)力，所以選取主塔處主梁下緣應(yīng)力作為研究對(duì)象。如圖7所示，邊中跨比0.375時(shí)主梁應(yīng)力最大值最小，反之，邊中跨比0.35時(shí)主梁應(yīng)力最大。

圖6 不同邊中跨比主梁上下緣應(yīng)力對(duì)比

（二）塔頂位移

三種不同邊中跨比的混合梁斜拉橋?qū)λ斘灰频挠绊懭鐖D8所示，邊中跨比0.35時(shí)塔頂位移最大，比邊中跨比0.375時(shí)大36.8%；邊中跨比0.4時(shí)塔頂位移最小，比邊中跨比0.375時(shí)小5.3%。

圖7 不同邊中跨比橋塔處主梁下緣應(yīng)力對(duì)比

圖8 不同邊中跨比塔頂位移對(duì)比

（三）塔底彎矩

三種不同邊中跨比的混合梁斜拉橋?qū)λ讖澗氐挠绊懀鐖D9所示，邊中跨比0.35時(shí)塔底彎矩為939006.1kN·m，邊中跨比0.375時(shí)塔底彎矩為700292.9kN·m，邊中跨比0.4時(shí)塔底彎矩為678763.1kN·m。邊中跨比0.35時(shí)塔底彎矩最大，比邊中跨比0.375時(shí)大34.1%；邊中跨比0.4時(shí)塔底彎矩最小，比邊中跨比0.375時(shí)小3.1%。

圖9 不同邊中跨比塔底彎矩對(duì)比

（四）斜拉索索力

三種不同邊中跨比的混合梁斜拉橋?qū)魉髁Φ挠绊懭鐖D10所示，邊中跨比0.35時(shí)拉索索力最大值為8002.4kN，邊中跨比0.375時(shí)拉索索力為7836.5kN，邊中跨比0.4時(shí)拉索索力為8225.4kN。邊中跨比0.375時(shí)拉索索力總體最小且較為平穩(wěn)，邊中跨比0.4時(shí)拉索索力最大且總體變化較大，邊中跨比0.35時(shí)拉索索力也較大且處于不太合理的狀態(tài)，可得拉索索力在中跨第一根拉索處于結(jié)構(gòu)的最大索力。如圖11所示，邊中跨比0.375時(shí)中跨第一根索處索力最小，邊中跨比0.4時(shí)最大，邊中跨比0.375時(shí)拉索索力最為合理。

圖10 不同邊中跨比中跨拉索索力對(duì)比

圖11 不同邊中跨比中跨1號(hào)拉索索力對(duì)比

（五）動(dòng)力特性

動(dòng)力荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)增大，可能引起結(jié)構(gòu)局部疲勞損傷，會(huì)形成影響橋上行車(chē)舒適和安全的振動(dòng)變形和加速度，甚至使橋梁完全破壞[5]。除車(chē)輛荷載外，橋梁結(jié)構(gòu)主要承受的動(dòng)力荷載包括風(fēng)荷載及地震荷載[5]。本文采用子空間法計(jì)算分析混合梁斜拉橋模型的自振特性，三種結(jié)構(gòu)體系前3階自振頻率和振型對(duì)比如表1所示。

表1 不同邊中跨比的自振模態(tài)對(duì)比

如表1所示，3種不同邊中跨比橋梁前3階振型均為豎彎與橫彎；3種不同邊中跨比模型前3階振型特性基本一致，邊中跨比0.375的各階橫彎和豎彎頻率與其它兩個(gè)位置相比均有所增加，邊中跨比0.375的自振頻率明顯高于另外兩處位置，整體基頻增加4%左右。3種不同邊中跨比的動(dòng)力特性都符合規(guī)范要求。

四、邊中跨比例對(duì)比分析

不同邊中跨比結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力有較大不同。對(duì)于主梁應(yīng)力，邊中跨比0.35比邊中跨比0.375大7.0%，邊中跨比0.4比邊中跨比0.375大3.9%。對(duì)于塔頂位移，邊中跨比0.35時(shí)塔頂位移最大，邊中跨比0.4時(shí)塔頂位移最小，但邊中跨比0.375時(shí)塔頂位移只比邊中跨比0.4大33mm。邊中跨比0.4時(shí)塔底彎矩最小，邊中跨比0.35時(shí)塔底彎矩最大，邊中跨比0.375時(shí)塔底彎矩遠(yuǎn)小于邊中跨比0.35，比邊中跨比0.4稍大。邊中跨比0.375時(shí)中跨第一根索處索力最小，邊中跨比0.4最大，邊中跨比0.375時(shí)拉索索力最為合理，故對(duì)于拉索索力邊中跨比0.375為最佳比例。對(duì)于動(dòng)力特性，邊中跨比0.375的前7階特征值比邊中跨比0.35高，邊中跨比0.35比邊中跨比0.4高，同時(shí)邊中跨比0.375時(shí)振型變化最小，為最合理的邊中跨比。綜合不同邊中跨比對(duì)橋梁的靜動(dòng)力影響分析，得出邊中跨比0.375具有較大優(yōu)勢(shì)。

表2 不同邊中跨比對(duì)比

五、結(jié)語(yǔ)

本文從混合梁斜拉橋3種不同邊中跨比出發(fā)，主要介紹了3種不同邊中跨比的選擇依據(jù)，并結(jié)合有限元分析方法，模擬不同邊中跨比并對(duì)比不同邊中跨比的靜動(dòng)力影響。綜合不同邊中跨比對(duì)于主梁彎矩、應(yīng)力、塔頂位移、塔底彎矩及成橋自振特性的影響，得出邊中跨比0.375最為合理。