靈江大橋矮塔斜拉橋索塔優化分析

徐洪權

0 引言

矮塔斜拉橋是由法國Mathivat教授于1998年提出的一種新的結構體系[1],稱為Extradosed PC bridge,直譯為“超劑量預應力混凝土橋梁”,該橋型是從反拱梁、板拉橋、體外預應力橋發展而來的。日本工程界也采用這個稱呼,在中國有稱為“部分斜拉橋”的,也有稱為“矮塔斜拉橋”的,在中國臺灣則稱為“脊背橋”或“拱背橋”。矮塔斜拉橋由于其剛勁的主梁,被廣泛應用于日本高速公路,同時由于其橋塔較矮,可應用于凈空受限制的橋梁(如蕪湖長江大橋等)。目前國內已成功修建了多座矮塔斜拉橋,并逐步發展為一種重要的橋梁形式。本文以靈江大橋為例,以矮塔斜拉橋的主梁和斜拉索為研究對象,探討了采用剛性支承連續梁法進行矮塔斜拉橋索塔優化的過程和方法。

1 工程概況

靈江大橋位于浙江省椒江河口區進口段的下游,連接西岑和新亭頭,是臺縉高速公路東延段特大跨江大橋。主橋為四塔單索面五跨預應力混凝土矮塔斜拉橋,跨徑布置為(92+3×152+92)m,采用塔梁墩固結與塔梁固結相結合的結構形式,梁體為單箱三室大懸臂橫斷面,梁高3 m～5.5 m,箱梁頂寬27 m,底寬14.27 m～15.8 m,主塔高23.88 m,采用實心矩形截面,斜拉索布置在中央分隔帶上,塔上豎向索距 0.8 m,梁上索距4.0 m,主墩采用八邊形單箱雙室空心截面的花瓶形墩身。設計為雙向四車道公路Ⅰ級高速公路橋。

2 有限元分析模型

本文基于大型結構軟件Midas/Civil,將斜拉橋離散成一系列具有適當剛度和質量的離散單元(見圖1)。主梁、塔和墩采用平面梁單元模擬,斜拉索采用只受拉的索單元,并施以初應變模擬,一端固定在塔上,另一端固定在位于主梁的斜拉索錨固點上,其編號為:A塔中心向外分別為A1～A11,B塔中心向外分別為B1～B11。全橋共劃分為580個梁單元和88個索單元。

混凝土:主梁采用C55,塔采用C50,墩采用C40;斜拉索和縱向預應力鋼筋都采用Φj15.24的高強度低松弛鋼絞線,抗拉強度標準值fpk=1 860 MPa;縱向預應力鋼絞線錨下張拉控制應力為1 395 MPa,不考慮橫向和豎向預應力。

斜拉索具有一定垂度呈曲線狀,是非線性問題,建模中將索視為一直線桿件,按恩斯特公式計算得到每根拉索的換算彈性模量,近似使非線性問題線性化[2]。

3 索塔優化分析

矮塔斜拉橋由于塔矮、梁剛,主梁是結構的主要受力構件,荷載作用下主塔的內力及變形較小,通常不控制設計;而主梁撓度、彎矩和斜拉索索力通常控制設計。為此,這里僅選取主梁撓度、軸力、彎矩以及索力應力幅作為優化目標,將主梁、索梁交接點處設以剛性支承,在不改變主梁的剛度,斜拉索在主梁上的間距的情況下,計算出各支點反力和不同塔高下的斜拉索張拉力。

根據斜拉索優化索力計算得到了各種塔高作用下和原始設計的主梁內力差以及斜拉索應力變幅。限于篇幅,本文給出原始設計的內力圖和各種塔高下與原始設計的內力差值圖(見圖2～圖4)。

由圖3～圖5可知,成橋恒載主梁承受由跨中向塔處逐漸增大的軸壓力,跨中主梁主要承受負彎矩,塔處除了無索區段外,以承受正彎矩為主。塔高變化時,優化索力后,各塔處的主梁內力變化較為明顯,塔高降低越大正彎矩差值增加越大,軸壓力差值增加越大,且兩者都向各塔加速增大,正彎矩差值至塔根處達最大,軸壓力差值至塔根處無索區段達最大,在無索區段變化較小;塔高升高越大負彎矩差值增加越大,軸拉力差值增加越大,且兩者都向各塔加速增大,負彎矩差值至塔根處達最大,軸拉力差值至塔根處無索區段達最大,在無索區段變化較小。混凝土是強壓弱拉的主要承受壓力材料,在強度范圍內,減小主梁混凝土的拉應力,直接影響到混凝土的安全性和耐久性,是設計檢驗的關鍵。比較圖3,圖4可知,相對升高塔高而言,降低塔高更能改善主梁內力分布和成橋線性。這一點在主梁撓度、斜拉索應力變幅及其用量的變化規律中也得到了驗證,但塔高降低太多,斜拉索的用量急劇增加,這大大影響了設計的經濟性。

4 結語

本文描述了靈江大橋索塔優化分析的平面梁單元有限元模型,并利用該模型對比分析了成橋恒載下不同塔高下主梁的內力、位移和斜拉索的應力變幅及其用量。分析結果表明,適當降低原始設計的索塔高度,在應用剛性支承連續梁法對斜拉索的索力進行優化的基礎上,可以改善主梁內力分布和成橋線性,兼顧大橋的安全性、耐久性和經濟性。本文的索塔優化方法和過程對實橋工程的設計和施工都有參考意義。

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