斜拉橋輔助墩的合理數量及最優位置研究

彭　鵬，鄧廷權，郝章喜，周　旭

(1.廣西交通科學研究院，廣西　南寧　530007；2.廣西橋梁監測及加固工程技術研究中心，廣西　南寧　530007；3.貴州高速公路集團有限公司，貴州　貴陽　550000)

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斜拉橋輔助墩的合理數量及最優位置研究

彭鵬1，2，鄧廷權1，2，郝章喜1，2，周旭3

(1.廣西交通科學研究院，廣西南寧530007；2.廣西橋梁監測及加固工程技術研究中心，廣西南寧530007；3.貴州高速公路集團有限公司，貴州貴陽550000)

彭鵬(1988—)，助理工程師，主要從事公路與橋梁工程的設計、咨詢方面的工作；

鄧廷權(1965—)，教授級高級工程師，主要從事公路與橋梁工程的科研、設計、咨詢及技術管理工作；

郝章喜(1983—)，工程師，主要從事公路與橋梁工程的設計、咨詢方面的工作；

周旭(1986—)，助理工程師，主要從事橋梁檢測加固設計工作。

摘要：文章以某PC斜拉橋為工程背景，建立了空間有限元模型，根據輔助墩對斜拉橋力學性能的影響，研究輔助墩設置的合理數量以及最優位置。研究結果表明：設置輔助墩能很大程度上改善主梁、索塔、尾索的受力和主梁的豎向變形，其中設置單個輔助墩主梁應力幅最大值可降低50%，索塔下塔柱的彎矩幅最大值可減小60%以上，邊跨尾索應力幅最大值減小超過50%；在兼顧橋梁結構受力、建設成本以及施工周期的情況下，設置單個輔助墩是最合理的；單個輔助墩最優位置為距邊墩0.3倍邊跨跨徑處。其研究成果將為同類型橋梁設計提供參考。

關鍵詞：斜拉橋；輔助墩；數量；位置

0引言

斜拉橋結構體系復雜，影響因素眾多，在邊跨設置輔助墩能減少邊跨施工時懸臂長度、增大結構的整體剛度，從而達到減小大橋在成橋狀態下的主梁內力、塔底彎矩、塔頂偏位、主梁豎向變形以及拉索應力，使結構受力趨于合理狀態[1-2]。但是輔助墩設置的數量以及合理位置都將對大橋的內力和變形產生不同程度的影響。本文以某斜拉橋為工程背景，建立了空間有限元模型，研究了輔助墩對斜拉橋力學性能的影響，得到了輔助墩設置的合理數量以及最優位置，其研究成果將為同類型橋梁設計提供參考。

1工程概況

某斜拉橋是雙塔雙索面半漂浮體系預應力混凝土斜拉橋，其跨徑布置為52 m+105 m+320 m+105 m+48 m。主梁為雙邊主肋斷面形式，主梁頂面設2%橫坡。標準梁長為8 m，主塔兩側梁段頂板加厚到40 cm。主塔采用H型構造。主梁采用C55混凝土，索塔采用C50混凝土。該斜拉橋橋型布置如圖1所示。

圖1　某斜拉橋橋型布置圖(單位：cm)

2有限元模型的建立

采用大型有限元通用計算軟件MIDAS/CIVIL進行全橋模擬，如圖2所示。主梁、索塔、輔助墩采用梁單元模擬，斜拉索用桁架單元模擬，全橋由1 117個節點和1 100個單元組成，邊界條件見表1。

圖2　某斜拉橋有限元模型圖

位置SDxSDySDzSRxSRySRz主塔與主梁110000輔助墩與主梁100000過渡墩與主梁110000主梁與斜拉索111111主塔與斜拉索111111塔、墩與承臺111111

注：SDx表示豎向位移，SDy表示橫橋向水平位移，SDz表示縱向水平位移，SRx表示繞豎向軸轉角，SRy表示繞橫橋向軸轉角，SRz表示繞縱橋向軸轉角，1表示約束，0表示自由。

3輔助墩合理數量的確定

合理的輔助墩數量不僅能使結構的內力、變形更加合理，也能節約建設成本、縮短施工周期。為了確定輔助墩的合理數量，本文考慮了三種方案。方案一：不設置輔助墩；方案二：邊跨設一個輔助墩，按原設計小里程側輔助墩距邊墩52 m，大里程側輔助墩距邊墩48 m；方案三：邊跨設兩個輔助墩，兩個輔助墩分別距邊墩40 m、80 m。方案一、方案二以及方案三的結構布置圖分別見圖3、圖1以及圖4。

如果確定了一座斜拉橋的結構體系，活載應力幅基本保持不變，可見活載作用下的結構受力及變形決定了橋梁設計的合理性，應力幅越大說明活載作用下的結構應力變化范圍越大，對結構受力不利，將危及橋梁的安全、縮短使用年限。以下分別計算成橋狀態下車道荷載作用的主梁應力幅、索塔彎矩幅、主梁豎向變形幅和拉索應力幅，通過比較不同方案中上述指標的合理性，選擇最合理的輔助墩個數。

圖3　方案一橋型結構布置圖

圖4　方案三橋型結構布置圖

3.1　輔助墩對主梁應力的影響

圖5　輔助墩對主梁應力幅的影響示意圖

輔助墩對主梁應力幅的影響如圖5所示。從圖5可以看出：方案一邊跨主梁應力幅最大值為15.7 MPa，位于ZB14截面，中跨主梁應力幅最大值為11 MPa，位于Z16截面；方案二邊跨主梁應力幅最大值為7.8 MPa，位于ZB11截面，中跨主梁應力幅最大值為6.1 MPa，位于Z16截面；方案三邊跨主梁應力幅最大值為5.8 MPa，位于ZB3截面，中跨主梁應力幅最大值為5.7 MPa，位于Z16截面；方案二的邊跨、中跨主梁應力幅最大值分別比方案一減小50%、45%；方案三的邊跨、中跨主梁應力幅最大值分別在方案二的基礎上進一步減小13%、3%。說明設置輔助墩能大幅減小主梁在成橋活載作用下的應力變化幅度，對主梁受力有利；設置兩個輔助墩較一個輔助墩應力幅減小較小。

3.2　輔助墩對索塔彎矩的影響

輔助墩對索塔彎矩幅的影響如圖6所示。從圖6可以看出：方案一~方案三的索塔彎矩幅最大值分別為541 MN·m、202 MN·m、119 MN·m，都位于索塔底部，方案二比方案一塔底彎矩幅最大值減小63%，方案三能在方案二的基礎上再減小15%。說明設置輔助墩能極大地減小下塔柱的彎矩幅值，輔助墩對中塔柱和下塔柱的彎矩幅影響較??；設置兩個輔助墩時，下塔柱的彎矩幅值能在設置一個輔助墩的基礎上進一步減小，但減小幅度不大。

圖6　輔助墩對索塔彎矩幅的影響示意圖

3.3　輔助墩對主梁豎向變形的影響

輔助墩對主梁豎向變形幅的影響如圖7所示。從圖7可以看出：方案一邊跨主梁豎向變形幅最大值為350 mm，位于ZB10截面，中跨主梁豎向變形幅最大值為397 mm，位于合龍段；方案二邊跨主梁豎向變形幅最大值為88 mm，位于ZB5截面，中跨主梁豎向變形幅最大值為182 mm，位于合龍段；方案三邊跨主梁豎向變形幅最大值為43 mm，位于ZB3截面，中跨主梁豎向變形幅最大值為160 mm，位于合龍段；方案二的邊跨、中跨主梁豎向變形幅最大值分別比方案一減小75%、54%，方案三的邊、中跨主梁豎向變形幅最大值分別在方案二的基礎上進一步減小13%、6%。說明設置輔助墩能大幅減小主梁豎向變形幅度，邊跨減小幅度較中跨明顯；設置兩個輔助墩能使邊跨豎向變形幅進一步減小，中跨的減小幅度較小。

圖7　輔助墩對主梁豎向變形幅的影響示意圖

3.4　輔助墩對拉索應力的影響

輔助墩對拉索應力幅的影響如圖8所示。從圖8可以看出：方案一邊、中跨拉索應力幅最大值分別為186 MPa、117 MPa，最大值都出現在尾索；方案二邊跨拉索應力幅最大值為78 MPa，拉索編號為FLB13，中跨拉索應力幅最大值為69 MPa，拉索編號為FLZ4；方案三邊跨拉索應力幅最大值為69 MPa，拉索編號為FLB10，中跨拉索應力幅最大值為68 MPa，拉索編號為FLZ4；方案二的邊跨、中跨拉索應力幅最大值分別比方案一減小58%、41%，方案三的邊跨、中跨主梁應力幅最大值分別在方案二的基礎上進一步減小5%、1%。說明設置輔助墩能大幅減小斜拉索尾索區的應力變化幅度，而對其他區域的應力變化幅度影響較小，設置兩個輔助墩與設置一個輔助墩差別小。

圖8　輔助墩對拉索應力幅的影響示意圖

從上述的分析可以看出，設置輔助墩能大幅較小主梁應力幅、塔底彎矩幅、主梁豎向變形幅以及拉索應力幅，但是設置一個輔助墩與設置兩個輔助墩對橋梁內力和變形的影響差別并不大，設置兩個輔助墩將增加成本的投入并且影響施工周期，因此設置一個輔助墩是最合理的。

4輔助墩最優位置的確定

為了確定輔助墩的最佳位置，本文考慮了四種方案：(1)距邊墩0.2 l處，表示邊跨跨徑；(2)距邊墩0.3 l處；(3)距邊墩0.4 l處；(4)距邊墩0.5 l處。以下分別計算四種方案成橋狀態下車道荷載作用的主梁應力幅、塔底彎矩幅、主梁豎向變形幅以及拉索應力幅，以此確定輔助墩的最合理位置。

圖9　輔助墩位置對主梁應力幅的影響示意圖

圖10　輔助墩位置對索塔彎矩幅的影響示意圖

圖11　輔助墩位置對主梁豎向變形幅的影響示意圖

圖12　輔助墩位置對拉索應力幅的影響示意圖

輔助墩位置對主梁應力幅、索塔彎矩幅、主梁豎向變形幅以及拉索應力幅的影響如圖9~12所示。從圖中可以看出，輔助墩設置在邊跨不同位置時，中跨的主梁應力幅、主梁豎向變形幅、拉索應力幅以及索塔彎矩幅的變化都很小，主要的不同集中在邊跨位置。方案①~方案④邊跨主梁應力幅最大值分別為6.8 MPa、5.7 MPa、6.8 MPa、8.5 MPa，邊跨主梁應力幅分析表明方案②最優；邊跨主梁豎向變形幅最大值分別為74 mm、54 mm、42 mm、70 mm，邊跨主梁豎向變形幅分析表明方案③最優；邊跨拉索應力幅最大值分別為64 MPa、58 MPa、64 MPa、74 MPa，邊跨拉索應力幅分析表明方案②最優。

綜合分析邊跨主梁應力、主梁豎向變形以及拉索應力的變化幅度和分布均勻性可見方案②的橋梁受力、變形最合理?？傊?，單個輔助墩最優位置為距邊墩0.3 l處。

5結語

(1)綜上所述，通過設置輔助墩可以很好地改善主梁的豎向變形以及塔柱、主梁、斜拉索尾索的受力。邊跨的主梁豎向變形幅能減小超過70%，中跨跨中則能減小約50%；設置輔助墩對上部、中部塔柱的彎矩影響比較小，然而，對下塔柱彎矩幅最大值的減小超過50%；設置輔助墩能使主梁的最大應力幅值減小約50%；設置輔助墩能降低中跨斜拉索尾索最大應力幅值將近40%，同時能使邊跨尾索降低超過50%。

(2)設置兩個輔助墩相較于設置一個輔助墩能在一定程度上減小結構的變形和受力，然而其大小已可忽略不計。因此，在兼顧橋梁結構受力、建設成本以及施工周期的情況下，設置單個輔助墩是最合理的。

參考文獻

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[2]高金萍.北盤江大橋輔助墩優化設計分析[D].大連：大連理工大學，2013.

[4]裴炳志，葉見曙，李學文，等.輔助墩對大跨度高低塔PC斜拉橋的受力影響分析[J].橋梁建設，2005(6)：23-26.

Research on Reasonable Number and Optimal Position of Cable-stayed Bridge Auxiliary Pier

PENG Peng1，2，DENG Ting-quan1，2，HAO Zhang-xi1，2，ZHOU Xu3

(1.Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007； 2.Guangxi Bridge Monitoring and Reinforcement Engineering Technology Research Center，Nanning，Guangxi，530007； 3.Guizhou Expressway Group Co.，Ltd.，Guiyang，Guizhou，550000)

Abstract：With a PC cable-stayed bridge as engineering background，this article established the space finite element model，and according to the impact of auxiliary pier on the mechanical properties of cable-stayed bridge，it studied the reasonable number and optimal position of auxiliary piers.The research results showed that：the auxiliary pier can greatly improve the force of main beam，cable tower，and tail cable as well as the vertical deformation of main beam，in which the single auxiliary pier can reduce the maximum stress ampli-tude of main beam by 50%，the maximum bending moment amplitude for lower column of cable tower can be reduced by more than 60%，while the maximum stress amplitude for tail cable at side span is reduced by more than 50%； in the case of considering the force of bridge structure，construction costs and construction period，to set a single auxiliary pier is most reasonable； the optimal position of single auxiliary pier is at 0.3 times of side span diameter from the side pier.The research results will provide the reference for the design of same type of bridges.

Keywords：Cable-stayed bridge； Auxiliary pier； Quantity； Location

收稿日期：2015-05-03

文章編號：1673-4874(2015)05-0037-04

中圖分類號：U448.27

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.05.011

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