獨塔單索面混凝土斜拉橋受力分析

【摘要】本文通過有限元分析軟件Midas Civil 2015對一座獨塔單索面預應力混凝土斜拉橋進行計算，對其主要受力特點進行分析，為此類斜拉橋的設計提供參考。

【關鍵詞】獨塔單索面斜拉橋；調索

引言

斜拉橋按其橋塔的數目一般分為獨塔式、雙塔式和多塔式。獨塔斜拉橋具有跨越性強的優點，可以跨越中小河流，使用最為廣泛。

本文通過有限元分析軟件Midas Civil 2015對一座獨塔單索面預應力混凝土斜拉橋進行計算，對其主要受力特點進行分析，為此類斜拉橋的設計提供參考。

1 工程概況

主橋采用獨塔單索面預應力混凝土斜拉橋，總長160m，橋面以上塔高53.0m，塔柱縱向中距3.3m。斜拉索在主梁上標準索距6.5m，主塔上1.8m，橋面寬25.4米。斜拉橋邊墩墩頂處支座采用縱向無約束支座形式，梁塔采用固結形式聯結。

主梁單箱三室斜腹板截面，箱梁頂寬25.16m，底板寬15.0m，懸臂長4.0m，箱梁對稱中心線處梁高2.8m。標準箱梁頂板厚0.28m，底板厚0.25m，外腹板厚0.3m，中腹板為直腹板，厚0.40m。斜拉索為單索面體系，主梁上索距6.5m，主塔上索距1.8m，全橋斜拉索共有9對，18根。索塔為鋼管混凝土結構；索塔總高自橋面起為53m。主塔墩采用圓臺形結構，頂面半徑2.75m，底面半徑3.5m。轉體施工用設備均布在承臺上，承臺下布置7根φ1.8m的鉆孔灌注樁，呈梅花形布置，樁長40m。待轉體完成后，將主墩與承臺固結，形成塔墩梁固結形式。

2 技術標準

荷載：城—A級；地震烈度：7度；風速： 31.7m/s；橋面路幅寬度：0.6m（護欄）+3.0m（人行道）+8.0m（車行道）+2.2m（索錨區）+ 8.0m（車行道）+ 3.0m（人行道）+ 0.6m（護欄）=25.4m；橋面縱坡：±2.5%；橋面橫坡：行車道±1.5%；

3 整體結構分析

對橋梁主體結構，利用Midas civil進行結構建模計算，模型中采用桁架單元模擬斜拉索，采用實體梁單元模擬主梁結構。梁與索，索與塔之間采用剛性連接進行邊界模擬。全橋模型共有160個單元，170個節點。本模型主要分析在考慮施工階段的情況下，主橋在正常使用極限狀態下以及承載能力極限狀態下的受力特性。模型主要計算的荷載形式包括橋梁的自重以及二期荷載，移動荷載，溫度荷載，風荷載等可變荷載。所建立的模型如圖1所示。

圖1 主橋模型圖

3.1 荷載組合

參考城市橋梁設計規范以及橋梁通用設計規范，利用承載能力極限狀態組合計算成橋荷載。分別考慮長期組合、短期組合以及標準組合三種荷載組合工況。考慮荷載包括恒載、二期、預應力、系統溫度、溫度梯度以及混凝土收縮徐變。短期組合溫度梯度取0.8，風載取0.75；長期組合人群取0.4，溫度梯度取0.8；標準組合及其余系數均為1.

3.2 正常使用極限狀態裂縫驗算

查閱規范，主橋在正常使用情況下的抗裂性能應按照部分預應力A類進行計算，經過計算得到正應力在短期組合下為-0.12，容許應力1.76；主應力1.836，容許應力1.840。正應力在長期組合下-0.134，容許應力0。主梁主拉應力在短期組合下略超過規范允許值。查看應力圖發現，超標位置發生在靠近索塔處未設置斜拉索的區域，獨塔斜拉橋存在一定扭轉效應，考慮該處超限主要是扭轉引起的。

計算結果表明，采用平面桿系進行結構分析時，主梁最大主拉應力在只考慮剪切單獨作用的情況下數值為0.33Mpa，在規范允許范圍內。當共同考慮剪切和扭轉作用并計入剪扭的情況下，主拉應力會略微超過規范的允許范圍。主梁最大正彎矩發生在靠近主塔最近的拉所處，此處支座負彎矩相對較大，設計時應予以足夠的重視。

3.3 第一次調索

第一次張拉調索的目標是使大懸臂狀態位移小于0.001m。初次估索可以按CS2中的臨時支撐反力除以索的sin值來反求索力，最后在施工階段分析控制中把最終施工設置為CS4。

調整后，發現1～3號索，1t的索力會引起該索錨固點1mm的位移變化，同時對附近節點位移影響也很大，而6，7號索的節點位移對其他索的索力變化不敏感，類似虛鉸，而8，9號索，則要10t的索力變化才能產生1mm的位移變化，而且對其他節點影響不大。按這個規律就可以很快把位移調整好。

3.4 第二次調索

第二次調索的主要目的是配合預應力剛束的作用，使全橋能通過運營階段和承載能力的檢算，而其中抗裂性又是控制因素。預應力剛束的主要作用是承受運營活載，可以以此為目標先初步配束，然后，第二次張拉索力設為第一次張拉的1/4，根據短期組合的應力狀態，重新調整預應力剛束，預應力剛束調整后，根據位移狀態再調整第二次張拉索力，整個過程比較煩瑣。

4 結論

（1）本橋為一次性支架現澆，分批張拉，脫架再轉體的方法，支架只在索梁連接點與主梁接觸，只能手工調索。

（2）對主梁受力分析，主梁抗裂在規范允許范圍內。

（3）主拉應力在考慮剪扭共同作用下，會超過規范允許范圍，此時可以利用增大截面尺寸的方法增加抗扭剛度來改變受力。

（4）第一次調索以零位移為目的，第二次調索需要同時調整應力、位移，難點在于預應力鋼束的設計。

參考文獻

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