單塔預應力混凝土斜拉橋空間受力特性分析

景廣濤 張 婷

1 工程概況

以白山市向江大橋為研究對象，主橋跨度為2×81 m，單塔雙索面，塔、梁、墩固結體系。主梁為等高2.8 m的斜腹板預應力混凝土箱形梁，單箱雙室大挑臂結構形式，混凝土標號為C50，梁頂全寬32.0 m，設雙向1.5%的橫坡。索塔塔墩和上塔柱分別在縱橋向、橫橋向分開，整個造型呈腰細股豐狀，配合索塔橫梁上的裝飾，整個塔柱藝術上立意為“腰鼓天池”。斜拉索采用φ7環氧涂層平行鋼絲索，共布置20道40根拉索，每側布置10道，塔端索距1.8 m，梁端索距6.0 m。

2 建立全橋空間有限元模型

本文以橋梁有限元分析理論為基礎，運用大型有限元軟件MIDAS/CIVIL建立全橋空間有限元模型對斜拉橋進行計算分析。斜拉橋主梁的施工順序應按照設計施工流程進行，在施工過程分析有限元模型中，全橋共劃分29個施工階段。斜拉索采用只受拉桁架單元模擬，主塔和主梁采用三維空間梁單元模擬。邊界條件均采用MIDAS/CIVIL中一般支撐、彈性連接和剛性連接來模擬。

具體施工過程為:主塔塔墩底部節點采用一般支撐約束全部自由度，來模擬墩與樁基礎的連接;主梁約束采用一般支撐模擬，約束豎直和橫向自由度;斜拉索和主梁及斜拉索和主塔的連接都采用彈性連接的剛性連接來模擬，主梁與塔墩共用節點，主塔與主梁采用剛性連接模擬，主梁節點為主節點。計算模型的施工階段劃分如表1所示。

3 施工過程斜拉橋的計算分析

施工過程中考慮的因素主要有恒載、預應力張拉、索力張拉、混凝土收縮徐變、二次內力等，此外還包括滿堂支架、橋面鋪裝護欄等影響。本文重點討論施工過程中的幾個關鍵階段的應力和變形，主要包括一次張拉索力、橋面鋪裝、二次張拉索力和十年收縮徐變等施工狀態。

幾個關鍵施工階段的主梁變形比較如圖1所示，由圖1可以看出:在一次張拉索力狀態下，主梁的變形很小，最大位移在跨中位置附近，最大位移值為21.88 mm;在橋面系鋪裝狀態下，產生向下的位移，最大位移在跨中位置附近，其值為－0.07 mm;在二次張拉索力狀態下，最大位移在跨中位置附近，最大位移值為35.70 mm;經過十年徐變后，跨中產生了向下的變形，最大位移值為31.30 mm。

施工過程中恒載、預應力張拉、索力張拉、混凝土收縮徐變等對主梁的變形都會產生影響，圖2中顯示了恒荷載(包括索的張拉力)、混凝土收縮徐變、預應力等對成橋變形的影響。從圖2中可以看出，恒載作用下，主梁產生的最大向上位移在主梁邊跨跨中附近，位移值為14.01 mm，最大向下位移在塔墩梁固結處，位移值為－2.30 mm;混凝土的收縮徐變作用均使主梁產生向下的豎向變形，混凝土收縮作用產生的豎向變形較徐變的大，在跨中附近收縮產生的位移值為－3.97 mm，徐變產生的位移值為－2.00 mm。分析可知，成橋三年后主梁產生了向下的變形主要是因為混凝土收縮徐變的作用。主梁預應力作用下跨中位置產生了較大的向上的豎向變形，最大值為24.25 mm。恒荷載和預應力對主梁產生變形的作用較大，且都產生向上的撓度，而混凝土收縮也對主梁變形有較大的影響，混凝土徐變對主梁變形的影響相對較小。

在施工過程中，斜拉索的張拉力也隨施工過程而變化，對斜拉索一次張拉到施工初始索力后，索力在后續施工階段的影響下不斷變化，表1列出了本橋在各關鍵施工階段的部分索力值。從表1中可以看出，由于主梁自重(CS17)和二期恒載(CS19)的作用索力增加以及收縮徐變的原因，在最后一個施工階段(成橋三年CS29)索力大小趨于穩定。

表1 施工過程斜拉索索力變化表 kN

4 成橋運營階段計算分析

成橋恒載和車輛活載對主梁的受力變形起控制作用，在車道荷載作用下，主梁的最大向上位移為3.40 mm，最大壓應力為1.82 MPa，最大拉應力為 2.29 MPa，主塔的最大位移為 5.92 mm，最大壓應力為1.41 MPa，最大拉應力為1.95 MPa。車道荷載作用下橋梁變形見圖3。

在車輛活載作用下，成橋運營階段的斜拉橋索力都有增加，表2列出了成橋恒載和活荷載的索力值，從表2中可以看出，在活載作用下產生了較大的豎向變形，從而增加了斜拉索的索力。活載作用增加的索力，也隨著斜拉索的索長的增加而增大，但與成橋恒載索力相比，車道活載索力還是比較小，因此可知，斜拉索的索力主要還是由結構恒載起控制作用。

表2 成橋車道荷載對斜拉索索力的影響表 kN

5 結語

1)通過對向江大橋施工階段的模擬計算分析表明，主梁恒載和預應力作用(包括索的張拉力)對主梁的應力變形影響最大，在施工過程中，混凝土徐變各荷載的二次內力對主梁的影響較小。

2)通過對成橋之后收縮、徐變對結構的影響計算表明，成橋之后混凝土收縮對結構的受力變形的影響不大，成橋十年后混凝土徐變作用使主塔向中跨的變形減小，能夠在一定程度上減小主梁下撓，并能夠在一定程度上改善結構的受力。

3)通過對斜拉橋的施工階段進行詳盡的分析、驗算，得到了主梁撓度、橋塔位移等施工控制參數的理論計算值，施工過程中結構的受力和變形始終處于安全的范圍內，成橋后主梁的線形符合預先的期望。

[1]王伯惠.斜拉橋結構發展和中國經驗(上冊)(索橋類)[M].北京:人民交通出版社，2003.

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