單索面矮塔斜拉橋若干設(shè)計(jì)問題研究

張震

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

1 工程背景

矮塔斜拉橋從結(jié)構(gòu)受力上講，是介于斜拉橋和連續(xù)梁之間的一種橋梁形式。矮塔斜拉橋恒載是由主梁和斜拉索來共同承擔(dān)的。斜拉索的索力是人為確定的，其索力大小取決于主梁和斜拉索分擔(dān)恒載的比例大小。由于拉索錨固點(diǎn)靠近中腹板，且橋?qū)捿^寬，腹板剪力的分布存在不均勻性。通過空間實(shí)體有限元分析，總結(jié)同一斷面上腹板剪力分布規(guī)律，根據(jù)計(jì)算結(jié)論優(yōu)化腹板厚度和主梁配筋。

2 總體布置

現(xiàn)以廣東省江門市禮樂河大橋?yàn)楣こ瘫尘啊Ｔ摌蚩鐝讲贾脼椋?5+110+65）m，塔梁固結(jié)，墩頂設(shè)置支座。跨中梁高2.5m，支點(diǎn)梁高4.2 m，梁高按1.7次拋物線變化。主橋立面圖和橫斷面圖見圖1、圖2所示。

圖1 主橋立面圖（單位：cm）

圖2 主體橫斷面圖（單位：cm）

主梁設(shè)計(jì)：主梁采用C55預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，采用大挑臂單箱三室斜腹板斷面。箱梁結(jié)構(gòu)全寬33.2 m，支點(diǎn)梁高4.2 m，高跨比為1/26.2，跨中梁高2.5 m，高跨比為1/44，梁高按1.7次拋物線變化；外腹板傾斜角度為60°，箱梁挑臂寬5.6m，箱梁頂板厚0.32 m，底板厚0.3~0.6 m；邊腹板厚0.6~0.9 m，中腹板厚0.6 m。

主塔設(shè)計(jì)：主塔采用雙肢V形橋塔，布置在箱梁中央，采用C55混凝土。主塔采用實(shí)心截面，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，單肢為矩形斷面，尺寸為2.4 m×2.0 m，雙塔柱分絲管索鞍區(qū)，雙塔柱間用帶凹槽倒梯形實(shí)體連成整體。主塔全高19.0 m，有效高度為16 m，高跨比1/6.9。

斜拉索和索鞍設(shè)計(jì)：該橋拉索呈扇形布置，采用PE包裹防護(hù)環(huán)氧噴涂鋼絞線斜拉索，拉索可單根更換，單根鋼絞線規(guī)格直徑為15.2 mm，鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 860 MPa。塔上索距0.9 m，梁上索距6.0 m，每塔設(shè)6組斜拉索，橫向單排設(shè)置，全橋共12根斜拉索，拉索水平傾角19.24°~37.02°，單根拉索張拉力約為10 000 kN~12 000 kN，安全系數(shù)K≥1.8。鋼束外側(cè)設(shè)PE護(hù)套，PE管顏色可根據(jù)景觀要求選用。錨具采用15-91可更換式夾片群錨。

該橋主塔采用分絲管索鞍，索鞍由多根平行導(dǎo)向鋼管組焊而成，分絲管的半徑為4.0~6.0 m。

3 模型建立

用Midas FEA建立空間實(shí)體有限元模型，取1/2橋建立模型，邊界條件按實(shí)際模擬。混凝土部分采用四面體單元生成實(shí)體網(wǎng)格，斜拉索采用桁架單元，預(yù)應(yīng)力鋼束采用植入式鋼筋模擬，全橋共計(jì)10萬個(gè)節(jié)點(diǎn)、16萬個(gè)單元。結(jié)構(gòu)離散圖見圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)離散圖（半橋模型）

4 成橋狀態(tài)下腹板剪力分布（見圖4、圖5）

圖4 邊跨剪力分擔(dān)比例曲線圖

圖5 中跨剪力分擔(dān)比例曲線圖

從以上分析可以得出：

（1）邊跨拉索區(qū)中腹板承擔(dān)剪力比率為67.2%，邊腹板承擔(dān)剪力比率為32.8%。局部位置由于拉索的張拉有突變，靠近塔無索區(qū)，中腹板承擔(dān)剪力逐漸減小，邊腹板承擔(dān)剪力逐漸增大，承擔(dān)比率較接近。

（2）中跨拉索區(qū)中腹板承擔(dān)剪力比率為63.0%，邊腹板承擔(dān)剪力比率為37.0%。局部位置由于拉索的張拉有突變，靠近塔無索區(qū)，中腹板承擔(dān)剪力逐漸減小，邊腹板承擔(dān)剪力逐漸增大，承擔(dān)比率較接近。

5 成橋狀態(tài)下支座反力分布

主塔位置內(nèi)側(cè)支座反力是外側(cè)支座反力的1.87倍左右，與線框架模型分析相比，實(shí)體單元分析反映出更具真實(shí)的情況（見圖6）。如果只進(jìn)行線框架分析，可能會(huì)導(dǎo)致無法正確選擇合適的支座。

圖6 恒載作用下支座反力分布柱狀圖

6 結(jié)語

通過Midas FEA空間有限元分析，矮塔斜拉橋在成橋狀態(tài)自重作用下寬幅箱梁腹板剪力和主塔支座的空間分布特征，可得出以下結(jié)論：

（1）該橋40%的荷載由斜拉索來承擔(dān)，因此部分剪力通過斜拉索傳遞到塔柱，然后通過塔柱傳遞到支座，其余部分剪力通過主梁腹板縱向傳遞。在有拉索的區(qū)域，斜拉索錨固在內(nèi)側(cè)腹板上，拉索錨固位置相當(dāng)于一個(gè)彈性支撐，外側(cè)腹板剪力通過橫梁傳遞到內(nèi)側(cè)腹板，外側(cè)腹板剪力減小較快，因此在拉索區(qū)域內(nèi)側(cè)腹板剪力要大于外側(cè)腹板剪力。

（2）在無索區(qū)，由于沒有拉索的約束，且無橫隔板，內(nèi)外側(cè)腹板剪力不會(huì)橫向傳遞，由于外側(cè)腹板承擔(dān)的恒載較大，外側(cè)腹板剪力增加較快，因此內(nèi)外側(cè)腹板在無索區(qū)承擔(dān)的腹板剪力的比值相差不大。

（3）矮塔斜拉橋40%荷載通過斜拉索傳遞到主塔，然后主要傳遞到主塔內(nèi)側(cè)支座，加上通過腹板傳遞的內(nèi)力，因此內(nèi)側(cè)支座承擔(dān)的反力較大。

（4）矮塔斜拉橋腹板剪力分布會(huì)影響箱梁的橫梁計(jì)算配束，支座反力分布會(huì)影響支座選擇的合理性。

因此，其成果可為矮塔斜拉橋設(shè)計(jì)橫梁計(jì)算和支座選擇提供一定的參考。