橋塔參數變化對多塔斜拉橋整體剛度的影響

林玉森,信麗華

(石家莊鐵道學院,石家莊 050043)

橋塔參數變化對多塔斜拉橋整體剛度的影響

林玉森,信麗華

(石家莊鐵道學院,石家莊 050043)

橋塔是控制多塔斜拉橋整體剛度的關鍵部分,結合某黃河公路斜拉橋用有限元軟件 SAP2000進行建模,計算分析了橋塔剛度及橋塔高度對多塔斜拉橋整體剛度的影響,得出橋塔剛度在一定范圍內增加時對結構位移影響非常顯著,并且得到橋塔高度變化對多塔斜拉橋影響的變化規律。

斜拉橋 橋塔 剛度 斜拉橋整體剛度

斜拉橋的整體剛度在很大程度上取決于主梁、橋塔及拉索三大構件的布置,對于多塔斜拉橋來說,橋塔構造對整橋變位的影響顯得更加重要。本文主要從橋塔的剛度和橋塔的高度討論橋塔對多塔斜拉橋整體剛度的影響。

1 計算模型、參數及計算方法

1.1 計算模型

以某一黃河公路大橋為背景建立了如圖 1所示的分析模型。

圖1 加勁索的布置方式

基本模型 4-0：125+300+300+300+125(m)的四塔斜拉橋,橋面以上塔高 88.67 m;

模型 4-1：在基本模型 4-0的塔頂加水平加勁索;

模型 4-2：在基本模型 4-0的塔頂和相鄰塔橋面處加傾斜加勁索;

模型 4-3：125+300+230+300+125(m)的四塔斜拉橋,中間塔頂與相鄰中間塔橋面處加傾斜加勁索;

模型 4-4：通過增大基本模型 4-0的橋塔高度在中跨和次邊跨分別設置 5對重疊索,邊跨跨度不變,塔高由原來的 88.67 m曾到到 97.70 m;

模型 4-5：將基本模型 4-0的中跨跨度減小設置 5對交叉重疊索,其跨徑布置為 125+300+230+300+125(m)。

1.2 模型參數

主梁：所有模型的主梁斷面形式及尺寸都相同,如圖 2所示。

圖2 主梁截面形式及尺寸(單位：cm)

斜拉索：以中塔為例,斜拉索由塔根處向一側跨中處分別采用由 109根、127根、151根、163根、187根、199根 φ7 mm鍍鋅低松弛鋼絲組成的各種型號的拉索,抗拉強度不低于1 670 MPa,四塔的拉索選用型號均相同。加勁索均采用由 283根 φ7mm鍍鋅低松弛鋼絲組成的拉索,考慮拉索垂度的非線性影響,采用Ernst's公式修正。斜拉索和加勁索的的初張力經換算后的初應變值均為 -3.294×10-3。

1.3 計算方法

在 SAP2000有限元建模中,采用平面整體模型,主梁、拉索、主塔及橋墩均采用梁單元進行模擬,彈性模量取 1.95×105MPa,考慮拉索垂度的影響采用Ernst's公式修正;塔梁連接處采用節點限制中的對等限制,將該處節點的 Z方向平動自由度處理為按同一個方向移動,其他自由度不受限制,模擬半漂浮體系斜拉橋。主梁兩端均為活動鉸支座,墩底為固結。考慮幾何非線(P-D效應)的影響。

為便于比較,計算時僅取計算模型在活載作用下的塔頂水平位移、塔根彎矩、跨中撓度和彎矩進行分析。荷載采用《公路橋涵設計通用規范》(JTGD60—2004)中規定的公路一級車道荷載。該橋為八車道,考慮 0.5的折減系數,并考慮 1.15的偏載系數,得出施加于結構上的均布荷載值為 48 kN/m,集中荷載值為1 656 kN。荷載工況為中跨布載、次邊跨布載、邊跨布載三種工況,取各種工況計算結果中荷載效應最不利者進行分析。

2 分析計算

2.1 橋塔剛度的影響

為考察橋塔剛度對多塔斜拉橋的影響,將改變全部橋塔的慣性矩,即將圖 1計算模型的全部橋塔的慣性矩從 83.2m4增大到 665.5m4,具體取值如表 1所示。保持梁和索等幾何參數不變,考察各模型在活載作用下的位移及內力隨橋塔慣性矩增加時的變化趨勢。

表1 橋塔慣性矩

橋塔剛度變化對斜拉橋位移與內力的影響見圖3、圖 4。從圖 3與圖 4可以看出,隨著橋塔慣性矩的增加,各計算模型的跨中撓度和塔頂水平位移均逐漸減小,當橋塔的慣性矩在 250 m4以內增加時,各計算模型的跨中撓度和塔頂水平位移減小的幅度均比較明顯;當橋塔的慣性矩大于 400 m4后繼續增加時,各計算模型的跨中撓度和塔頂水平位移減小的幅度越來越小,并且,當橋塔的慣性矩減小到一定程度后,結構的位移將不再減小;而橋塔慣性矩的增大導致了橋塔塔根彎矩的增加,主梁彎矩降低,如圖 4(c)、(d)所示。

圖3 基本模型 4-0及模型 4-1的結構位移與橋塔慣性矩的關系

橋塔剛度在一定范圍內變化引起的位移變化情況見表 2。從表 2的位移減小百分率中可以看出,橋塔的慣性矩對基本模型 4-0的結構位移影響最大,其次是模型 4-5,對其他模型的影響較小。

以上分析可以看出,并不是橋塔剛度越大越好,橋塔剛度增大將會帶來塔根彎矩的增大,所以,靠增大橋塔剛度來提高結構整體剛度時,應注意結構內力特別是塔根彎矩的變化。

2.2 橋塔高度的影響

取基本模型 4-0為分析對象,將計算模型的全部橋塔高度從 70.67 m增大到 110.67 m,考察結構在活載作用下的位移及內力變化趨勢。計算結果如表 3、表 4所示。

從表 3、4可以看出：隨著橋塔高度增加,中跨跨中下撓度逐漸減小,這是由于橋塔高度的增加使得拉索對梁的豎向支承力加大,降低了跨中撓度;由于橋塔水平位移增大使得上撓度并沒有減小,反而有增大的趨勢;中跨跨中正彎矩逐漸減小,而負彎矩逐漸增大,正、負彎矩絕對值之和基本保持不變;塔根彎矩逐漸減小。由此可見,只增加橋塔的高度對結構整體剛度不是很有利。

圖4 計算模型的位移及內力與橋塔慣性矩的關系

3 結論

1)當橋塔的慣性矩在 250 m4以內增大時,各計算模型的位移減小幅度比較明顯;當橋塔的慣性矩大于400m4而繼續增加時,各計算模型的位移減小幅度就很小了。

2)增大橋塔高度可以降低多塔斜拉橋結構的跨中下撓度,但橋塔增高的同時也增大了塔頂的水平位移;故當采用增大橋塔高度的方法降低結構位移時,就要處理好橋塔的剛度,否則會得不償失。塔較矮時,塔頂水平位移較小,尤其是中間塔頂水平位移;然而,對多塔斜拉橋來說,降低結構位移的關鍵是控制中間塔的變位問題,所有的加勁方法都是圍繞這一核心進行的。

表2 橋塔慣性矩由 171.50m 4增大到256.00m 4時各模型的位移減小百分率 %

表4 活載作用下基本模型 4-0的彎矩與橋塔高度的關系

3)通過對矮塔多塔斜拉橋的結構特性分析,可以看出矮塔斜拉橋以其塔矮梁剛的結構特性,在同跨徑的多塔斜拉橋中容易獲得一個結構整體剛度比較好的結構設計,值得進一步研究。

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U448.27;U441

B

1003-1995(2010)03-0018-04

2009-08-05;

2009-12-20

林玉森(1971— ),男,黑龍江慶安人,副教授,博士。

(責任審編 孟慶伶)