考慮幾何非線性的超大跨度斜拉橋靜力分析

羅曉峰

超大跨度橋梁結構的非線性研究主要涉及材料非線性和幾何非線性兩方面的內容。對于正常使用階段的大跨度橋梁結構,一般不允許出現塑性變形,并且由于超大跨度斜拉橋是高次超靜定的柔性結構,在施工過程和正常使用階段,結構體系均在幾何非線性狀態下工作,因此對蘇通大橋主橋的非線性靜力分析主要從幾何非線性的角度進行研究[1]。為了精確分析蘇通大橋主橋在各種荷載下的靜力響應,本文用MIDAS程序按有限位移理論分析計算,主要考慮的非線性因素有：大位移、P—Δ效應和斜拉索垂度[2],其間采用斜拉橋的“正裝分析法”進行橋梁施工控制的全過程非線性模擬計算,包括結構從施工過程到成橋階段的內力、應力、變形、索力等,綜合研究了幾何非線性因素對結構受力的影響。

1 工程背景

蘇通大橋位于長江下游,臨近長江入海口,是目前世界上最大跨度雙塔雙索面斜拉橋,主橋跨徑為1 088 m。大橋橋位區江面寬約6 km,大橋全長 8 206 m。主橋鋼箱梁共分為17種類型(A～O)、141個梁段,節段標準長度16 m、邊跨尾索區節段標準長度12 m。標準梁段最大起吊重量約450 t;鋼箱梁全寬41 m。塔柱采用倒Y形結構,分為下塔肢、中塔肢、上塔肢和橫梁四部分。其中中、下塔肢為鋼筋混凝土結構,上塔肢為鋼錨箱—混凝土組合結構。鋼錨箱分為A,B,C三種類型,共30節。索塔高300.4 m。斜拉索為φ 7平行鋼絲體系,全橋共34×8=272根斜拉索。

2 全橋空間結構的幾何非線性靜力分析

用大型通用軟件MIDAS對蘇通大橋進行建模[3],采用“正裝分析法”進行施工控制全過程的非線性模擬計算,包括結構從施工過程到成橋階段的內力、應力、變形等。建模時,主橋按施工流程劃分為301個施工階段,其中一些典型的施工工況,包括最大雙懸臂(第95個施工工況)、最大單懸臂(第294個施工工況)狀態下的施工階段(見圖1,圖2),以及二期恒載階段(第300個施工工況)。

2.1 幾何非線性下典型施工階段的受力分析

施工過程(階段1～階段299)內力最大值、應力最大值分別列于表1～表4。

表1 施工過程主塔內力最大值

表2 施工過程主塔應力最大值

表3 施工過程主梁內力最大值

表4 施工過程主梁應力最大值

通過分析以上計算結果可知：在全橋的施工計算過程中(指階段1～階段299),主橋橋塔的應力變化范圍為(正值為壓應力,負值為拉應力)-1.35 MPa～12.89 MPa(因計算中沒有考慮下橫梁上的預應力鋼筋和普通鋼筋,故此處沒考慮下橫梁的應力狀態);主梁(鋼箱梁)的應力變化范圍為(正值為拉應力,負值為壓應力)-133.49 MPa～49.17 MPa;施工過程的結構應力滿足要求。

2.2 幾何非線性下成橋階段的受力分析

成橋階段(階段300)指二期恒載施工結束階段(見圖 3),此階段主塔、主梁及斜拉索的主要計算結果的最大值分析見表5～表9。

表5 成橋恒載狀態索塔內力最大值

表6 成橋恒載狀態索塔應力最大值

表7 成橋恒載狀態主梁內力最大值

表8 成橋恒載狀態主梁應力極值

表9 成橋恒載狀態斜拉索應力最大值

通過分析以上計算結果可知：成橋時,兩主塔塔頂各自向岸側的縱橋向偏位量為10.0 mm;主橋橋塔的應力變化范圍為(正值為壓應力,負值為拉應力)0.17 MPa～11.24 MPa(因計算中沒有考慮下橫梁上的預應力鋼筋和普通鋼筋,故此處沒考慮下橫梁的應力狀態)。主梁(鋼箱梁)的應力變化范圍為(正值為拉應力,負值為壓應力)-100.66 MPa～14.99 MPa;成橋階段計算所得斜拉索的平均應力(指同一根索中所有鋼絲的平均應力)最大值為567 MPa;成橋恒載狀態索塔未出現拉應力。恒載狀態下,主梁彎矩較小,分布均勻,受力狀態比較理想;索塔彎矩較小,斜拉索索力分布相對均勻;結構各構件的截面應力均滿足要求。

3 結語

本文以蘇通大橋為工程背景,應用大型通用軟件MIDAS對其進行了施工過程和正常使用階段的幾何非線性靜力分析,通過對計算結果的分析比較,發現結構在幾何非線性因素的影響下,蘇通大橋受力狀態比較理想,所有結構的內力和應力均滿足規范要求,通過對計算過程中內力、應力、變形等相關數據的分析,可以為此類橋梁的安全運營和管理提供依據和保障。

[1] 西南交通大學.蘇通長江公路大橋主橋施工控制結構計算非線性分析報告[R].2006.

[2] 劉士林,侯金龍.斜拉橋[M].北京：人民交通出版社,2002.

[3] 匡樹鈞.斜拉橋施工監控技術[J].山西建筑,2008,34(8)：333-334.