某大跨鋼-混組合梁斜拉橋靜動(dòng)力特性探究

張星宇 裴輝騰 劉語涵

（1.江西高速石化有限責(zé)任公司，江西 南昌 330013；2.江西省交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江西 南昌 330022；3.同濟(jì)大學(xué)，上海 200092）

0 引言

斜拉橋是現(xiàn)代橋梁主要結(jié)構(gòu)形式之一，它以優(yōu)異的跨度能力、良好的經(jīng)濟(jì)性在大跨度橋梁的競爭中脫穎而出[1-3]。斜拉橋誕生之初，主梁多采用鋼材，鋼材強(qiáng)度高、自重輕使其成為主梁的首選材料。

目前，斜拉橋仍以采用鋼梁為主。但是相比于混凝土價(jià)格，鋼材的價(jià)格偏高，此外在大跨度斜拉橋中，因鋼主梁自重輕，抗風(fēng)穩(wěn)定性能有所不足，需要采取各種措施增加其抗風(fēng)穩(wěn)定性。此外，鋼主梁橋面鋪裝的耐久性問題也是困擾工程應(yīng)用的一大難題[4-5]。用混凝土梁代替鋼梁可以解決橋面鋪裝的耐久性問題，但由于混凝土的自重較大且抗拉強(qiáng)度低，用于大跨度斜拉橋時(shí)，會(huì)導(dǎo)致斜拉橋和橋塔基礎(chǔ)的費(fèi)用增加，使整個(gè)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性降低[6]。

近年來，國內(nèi)陸續(xù)建造了很多鋼-混組合梁斜拉橋。許多學(xué)者也展開了對鋼-混組合梁斜拉橋的受力特性分析，包括復(fù)雜受力情況下和持久荷載作用下組合梁的受力特性與設(shè)計(jì)方法研究。此外，亦有學(xué)者針對鋼主梁與混凝土橋面板應(yīng)力分布不均勻效應(yīng)、內(nèi)力分配問題，以及混凝土橋面板徐變和收縮效應(yīng)等展開研究[7-9]。本文以鄱陽湖二橋鋼-混組合梁斜拉橋?yàn)檠芯勘尘?，仿真?jì)算分析該橋型靜、動(dòng)力特性，以期為后續(xù)同類型橋梁的設(shè)計(jì)、施工提供有益參考。

1 工程概況

鄱陽湖二橋?yàn)殇?混組合梁斜拉橋，主跨徑布置為116.4m+420m+116.4m。主孔采用梁、塔分離的半漂浮體系結(jié)構(gòu)形式；主梁為鋼-混組合的結(jié)構(gòu)形式，鋼梁為”工“字形型斷面，包括縱橫梁及壓重縱梁，其中縱梁間距26m。主塔采用橫向剛度大的寶瓶型，該形式具有良好的橫向抗扭性能，塔高均為137.91m。采用midas-civil建立全橋三維空間模型，如圖1所示。

圖1 有限元分析模型

2 計(jì)算模型

為研究鄱陽湖二橋鋼-混組合梁斜拉橋的靜動(dòng)力性能，采用Midas建立該橋型的空間計(jì)算模型，通過結(jié)構(gòu)離散法，共劃分節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1606個(gè)，單元總數(shù)為1825個(gè)。

3 主橋整體結(jié)構(gòu)靜力性能分析

3.1 拉索受力分析

鄱陽湖二橋的拉索布置型式為空間雙索面扇形，大橋共144根拉索，其中最長拉索長度達(dá)223m，型號為253Φ7，鋼絲標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1670MPa，采用環(huán)氧涂層保護(hù)。為了了解拉索的受力性能，本文分析了主橋的斜拉索、主梁和主塔在成橋狀態(tài)、收縮徐變完成后，運(yùn)營階段的受力性能。

3.1.1 成橋狀態(tài)及收縮徐變完成后拉索受力性能分析

成橋狀態(tài)及收縮徐變完成后的拉索索力如圖2所示。由圖2可以看出，成橋狀態(tài)及收縮徐變完成后拉索的最大索力為邊跨編號為AI8的拉索，并且拉索在收縮徐變完成后可以明顯發(fā)現(xiàn)索力有所減小，同時(shí)也可以計(jì)算出，成橋階段拉索最大應(yīng)力值為585MPa，拉索安全系數(shù)為1670／585＝2.85>2.5滿足設(shè)計(jì)保障的安全系數(shù)，表明拉索有足夠的安全儲(chǔ)備。

圖2 成橋階段及收縮徐變完成后斜拉索索力

3.1.2 運(yùn)營階段拉索受力性能分析

標(biāo)準(zhǔn)值組合作用下拉索的索力如圖3所示。由圖3可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)值組合作用下，拉索的索力靠近塔梁結(jié)合處變化幅度較小，往邊跨及中跨方向變化幅度增大，此外邊跨方向的索力變化幅度比中跨方向的變化幅度大，同時(shí)也可以計(jì)算出運(yùn)營階段斜拉索最大應(yīng)力值達(dá)663MPa，為邊跨A18號拉索，計(jì)算值小于斜拉索最大應(yīng)力限值，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)值組合下斜拉索索力

荷載作用下拉索應(yīng)力從塔梁結(jié)合處往邊跨及中跨方向，拉索應(yīng)力呈先增大后減小的趨勢，同時(shí)也可以看出活載引起的最大應(yīng)力幅值為110MPa，斜拉索的選型滿足規(guī)范要求。

3.2 主梁受力分析

3.2.1 成橋狀態(tài)、收縮徐變完成狀態(tài)下主梁受力性能

鄱陽湖二橋的主梁為鋼-混組合形式主梁，由鋼梁和混凝土橋面板組成。成橋狀態(tài)與收縮徐變完成后主梁的最大受壓區(qū)為兩邊邊跨輔助墩位置處，并且隨著收縮徐變的完成，主梁最大受壓區(qū)的軸力有所減小。主梁的剪力與彎矩在塔梁結(jié)合處和邊跨輔助墩處較大，且在收縮徐變完成后主梁在邊跨輔助墩處的剪力及彎矩有所增大。

3.2.2 運(yùn)營階段受力性能分析

升降溫的變化對主梁的結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)有較大的影響，因此，本文通過模擬溫度變化分析主梁的受力性能，結(jié)果顯示升溫與降溫對主梁的軸力和彎矩影響顯著。在運(yùn)營階段升溫、降溫，以及索梁溫差對主梁的軸力與彎矩影響是整體相反的。升溫、降溫和索梁溫差的改變對塔梁結(jié)合處和邊跨輔助墩處主梁局部剪力影響明顯。

3.3 主塔受力分析

主塔需要承受自重引起的恒載，也需要承受拉索水平荷載產(chǎn)生的彎矩作用。本文分析了成橋狀態(tài)、收縮徐變完成后，以及標(biāo)準(zhǔn)值組合作用下主塔受力性能。結(jié)果顯示，主塔的軸力最大處均在塔底根部，并且可以看出在標(biāo)準(zhǔn)值組合作用下，主塔的大部分區(qū)域均受壓。同時(shí)，混凝土的收縮徐變對主塔的縱向剪力及橫向彎矩影響較小，而對主塔的縱向彎矩影響較大。

4 主橋整體結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能分析

橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性與其結(jié)構(gòu)剛度相關(guān)，結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性是對其抗風(fēng)、抗震問題研究的基礎(chǔ)。本文動(dòng)力分析考慮風(fēng)荷載及地震荷載對橋梁主體結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響，采用有限元分析方法分析主橋整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能，在有限元模型中，模型主橋采用空間模型，縱梁、小縱梁、橫梁、塔、墩及樁基礎(chǔ)均采用梁單元模擬。

4.1 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能分析

采用有限元軟件分析風(fēng)荷載作用下橋梁主體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，得到鄱陽湖二橋成橋狀態(tài)的整體動(dòng)力特性如表1所示。從計(jì)算得到的前六階頻率及對應(yīng)的振型情況來看，鋼-混組合梁斜拉橋橋梁具有以下特點(diǎn)：

表1 成橋狀態(tài)動(dòng)力特性

該斜拉橋的自振周期較短。一階振型對應(yīng)的自振周期為8.2861s，這表明該斜拉橋的整體結(jié)構(gòu)剛度大；由表1可以看出，前五階振型中有四階出現(xiàn)對稱和反對稱振型，這表明橋梁邊跨輔助墩及塔梁結(jié)合方式對橋梁的橫向剛度影響較大；三階到六階振型的自振頻率較為集中。從2.0450Hz～2.7242Hz之間分布了4個(gè)振型，頻帶比較窄，這表明多個(gè)振型可能被同時(shí)激發(fā)。因此，在分析該類橋行動(dòng)力時(shí)，需要考慮各相近頻率振型之間的相關(guān)性，采取合適的動(dòng)力分析方法以確保分析精度。

4.2 結(jié)構(gòu)抗震性能分析

為了進(jìn)一步研究該鋼-混組合梁斜拉橋的動(dòng)力特性，本文根據(jù)目前抗震設(shè)計(jì)方法的發(fā)展水平，按設(shè)計(jì)要求采用兩水準(zhǔn)設(shè)防的抗震設(shè)計(jì)方法分析主橋工程抗震性能。主橋結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)采用非線性時(shí)程法計(jì)算分析，非線性分析采用直接積分法，時(shí)程類型為瞬態(tài)；其中分析時(shí)間為50s，分析時(shí)間步長為0.02s，此外非線性分析采用質(zhì)量和剛度因子計(jì)算阻尼（瑞利阻尼），非線性分析時(shí)間積分采用常加速度法。

地震計(jì)算接續(xù)靜力分析結(jié)果，并考慮兩種組合：水平橫向+豎向；水平縱向+豎向。其中，豎向地震系數(shù)取水平向。

通過驗(yàn)算鄱陽湖二橋主橋設(shè)計(jì)方案中的截面配筋可以得出，該鋼-混組合梁斜拉橋在地震荷載下，輔助墩、主塔，梁端及跨中等構(gòu)件的承載力均大于結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，而且處于基本彈性狀態(tài)，滿足規(guī)范要求，亦驗(yàn)證了該體系斜拉橋優(yōu)良的抵抗地震的能力。

5 結(jié)論

對于該鋼-混組合梁斜拉橋，可以得出如下結(jié)論：鋼-混組合梁采用空間雙索面的布置方式，在成橋狀態(tài)及運(yùn)營階段大橋的拉索在各種荷載工況下，均具有足夠的安全儲(chǔ)備，此外收縮徐變對斜拉索的索力有所影響；運(yùn)營階段，升溫與降溫對主梁的受力性能影響顯著，同時(shí)改變升溫、降溫和索梁溫差對塔梁結(jié)合處及邊跨輔助墩主梁局部剪力影響明顯；在動(dòng)力荷載分析中，鋼-混組合斜拉橋自振周期較短且能在3283年重現(xiàn)期的地震荷載中保持基本彈性，這體現(xiàn)了鋼-混組合梁斜拉橋優(yōu)良的抗力性能，表明鋼混組合梁自重較輕的特性，對減小橋梁的動(dòng)力響應(yīng)有明顯優(yōu)越性。