某獨塔雙索面混合梁斜拉橋的靜力性能分析

廖宇芳 于孟生

摘要：文章以某座獨塔混合梁斜拉橋為研究背景，采用Midas Cival軟件建立有限元分析模型，分析總結了全橋靜力性能。結果表明：（1）荷載組合效應下，橋梁主梁軸力和彎矩響應大于剪力響應，彎矩分布均勻比軸力響應稍小;（2）鋼箱梁側主跨跨中斜拉索的應力變化大于主跨兩端斜拉索應力變化，最大變化量為90 MPa;（3）混凝土側斜拉索索力變化比較均勻，最小、最大變化量分別為15 MPa、34 MPa。

關鍵詞：橋梁工程;獨塔斜拉橋;有限元;靜力性能

0 引言

獨塔混合梁斜拉橋，具有上部結構的基本受力特征，其主梁由鋼箱梁和混凝土梁組成，通過鋼箱梁與混凝土結合段共同受力。就下部結構而言，通常需要設置輔助墩以提升混凝土梁的跨越能力。通過采用鋼箱梁與混凝土組合形式不僅改善了結構受力形式，而且提升了其服役性能，具有廣泛的應用前景。

為了保證橋梁成橋受力安全，給設計者提供合理的結構選擇，本文以某獨塔斜拉橋為研究對象構建了Midas Cival有限元模型，利用此模型考慮在成橋恒載、活載、荷載組合作用下對獨塔斜拉橋結構進行了有限元靜力分析，分析了獨塔混合梁斜拉橋的主梁及一些結合部位區域在不同荷載工況下的受力狀態，總結了該特大橋的靜力性能。

1 工程概況

某特大橋為獨塔雙索面混合梁斜拉橋，主梁由混凝土梁和鋼箱梁組成，采用塔、梁、墩固結體系，橋梁孔跨布置為（36+265+55+68+65）m，橋梁全長為489 m。本橋在邊跨位置設置兩個輔助墩以提升跨越水平，另設置一個輔助跨以解決獨塔斜拉橋主跨梁端轉角超限問題。本橋梁立面布置如圖1所示。

本橋中鋼箱梁為分離式扁平鋼箱梁，混凝土梁為分離式PC箱形梁，箱體之間由密布PC橫梁連接，橫梁間距為3.2 m。在主跨段設置鋼箱梁與混凝土箱梁結合段，鋼箱梁與混凝土箱梁結合面距索塔中心位置19 m。

2 橋梁結構分析計算

2.1 有限元計算模型

本文特大橋中除與橫梁相連接的箱梁外腹板采用Q345qD-Z25外，其余鋼箱梁主體結構、鋼錨箱、拼接板、人行道及風嘴等均采用主橋鋼材即Q345qD，主梁和索塔以及封端均采用C55混凝土，鋼箱梁與混凝土結合區域采用C55鋼纖維增強自密實混凝土。斜拉索鋼絲采用熱鍍鋅鋼絲，主梁、索塔與橫梁中所采用的預應力鋼束均為1 860 MPa低松弛鋼絞線，直徑為15.2 mm。各主要材料力學性能如表1所示。

根據設計材料參數，運用Midas Cival有限元軟件建立全橋模型。在計算中，將主梁、主塔、斜拉索、墩柱等構件按實際尺寸、材料特性、連接方式進行模擬。全橋模型共有577個節點、454個單元，結構模型圖如圖2所示。在Midas Cival模型計算中，構件自重參照《鐵路橋涵設計規范》（TB 1002-2017），預應力混凝土梁上和鋼箱梁上二期恒載分別按180.4 kN/m和134.6 kN/m驗算。基礎不均勻沉降除DP3號墩按20 mm檢算外，其余橋墩均按10 mm檢算。

2.2 荷載組合效應計算分析

為研究橋梁在荷載組合效應下內力及應力特點，選取恒載（自重+預應力鋼束+混凝土收縮與徐變，組合系數均為1）+活載（汽車荷載+列車荷載+人群荷載，組合系數均為1），分析橋梁各部分的受力特點及規律。

2.2.1 對內力的影響計算分析

荷載組合效應下橋梁的軸力、彎矩和剪力包絡如圖3～5所示，計算結果如表2所示。

從圖3～5和表2分析可知，荷載組合效應下，主梁以受壓和受彎為主，剪力比較小。鋼箱梁側的軸力要小于混凝土梁側。鋼箱梁側的最大彎矩和剪力都出現在DP2支點截面處，最大值分別為：-1.53×105 kN·m、1.6×104 kN。整個0#塊區域軸力最大值達到-5.1×105 kN，依然出現在塔梁固結處截面。

主塔上塔柱以軸力受壓為主，最大值為-3.3×105 kN，出現在雙塔柱交匯處截面。下塔柱特別是主塔塔底截面的彎矩和剪力響應較大，最大值分別為：6.01×105 kN·m、5.37×104 kN。鋼混結合面最大彎矩為4.04×104 kN·m，最小彎矩為-1.7×104 kN·m。

綜上總結得出，荷載組合效應下，橋梁主梁軸力和彎矩響應要比剪力響應大，彎矩分布較均勻且相對來說比軸力響應稍小一點，說明斜拉索給予了主梁足夠的彈性支撐。主塔除了塔底截面主要受壓，0#塊范圍內的內力響應較大。

2.2.2 對主梁應力的影響計算分析

荷載組合效應下，主梁包絡如圖6～9所示。

由圖6～9分析結果可知，荷載組合效應下，鋼箱梁上緣應力從DP2支點截面向DP3方向增大，在鋼箱梁與鋼混結合段連結處達到最大值，其值為-78.97 MPa，下緣最大應力為-97.6 MPa，低于《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》（JTJ 025-86）中的規定（210 MPa），說明鋼箱梁縱向應力儲備充足。

混凝土梁全截面受壓，這有利于發揮混凝土的材料性能，最大壓應力出現在鋼混結合段與混凝土梁相結處，其值為12.11 MPa，參照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018）中的規定，說明混凝土梁縱向應力的儲備較大。

2.2.3 對斜拉索應力的影響計算分析

從表3可知，在荷載組合效應下，鋼箱梁側主跨跨中斜拉索的應力變化要大于主跨兩端斜拉索應力變化，應力最大變化量出現在P13，變化量為90 MPa，而最大應力出現在端錨索P23，其值為609 MPa;混凝土側斜拉索索力變化較均勻，最小、最大變化量分別為15 MPa、37 MPa，應力最大值也發生在端錨索C23，其值為579 MPa。

2.3 寬幅箱梁橫向應力

2.3.1 鋼箱梁橫向應力

由于橋面較寬（46.5 m），導致橋面橫向應力較大，需對箱梁橫向應力進行計算。現從鋼箱梁中選取有斜拉索的標準梁段和無斜拉索的支點梁段分別進行計算，以分析整個鋼箱梁橫向應力情況。

對于有斜拉索的標準梁段，采用Midas Civil有限元軟件建立鋼箱梁板殼模型。模型選取了兩個標準梁段，一共劃分了10 364個單元和6 791個節點，在斜拉索錨固部位鉸支。經分析，當汽車荷載以及人群荷載加滿，列車荷載不加時，鋼箱梁橫向最不利，計算結果如圖10所示。其最大橫向應力74.5 MPa，出現在鋼箱梁橫隔板下緣。

同理，對于無斜拉索的支點梁段，模型選取了第一跨鋼箱梁段，一共劃分了26 131個單元和16 752個節點，在支座位置鉸支。經分析，當汽車荷載以及人群荷載、列車荷載全滿布時，鋼箱梁橫向最不利，計算分析如圖11所示。其最大橫向應力為66.7 MPa，出現在鋼箱梁支座位置。

本文選取了具有普遍代表性的有斜拉索支點標準節段及無斜拉索支點的第一跨鋼箱梁作了寬幅鋼箱梁的橫向應力計算分析。從計算結果可以看出，在最不利荷載效應下，鋼箱梁的橫向應力分布較均勻。當荷載引起鋼箱梁橫向變形時，橫隔板和支點限制了鋼箱梁的變形趨勢，因而最大應力往往出現在橫隔板和支點截面附近處，最大橫向應力為74.5 MPa。

2.3.2 混凝土箱梁橫向應力

對于混凝土箱梁的橫向應力計算，選取箱梁跨中截面進行建模，取箱梁跨中截面的縱橋向12 m，一共劃分了11 356個單元和13 025個節點。將邊界條件設置為拉索錨固處鉸支。本模型將箱梁橫向鋼束建模為桁架單元，如圖12所示，將預應力張拉建模為單元溫度下降（556.4 ℃）。由此可計算得到鋼絞線張拉應力為：

σ=EαT=1.95×108×1.2×10-5×556.4=1 302 MPa

本文中預應力損失為初始張拉應力的20%，即在計算建模中將預應力荷載系數取為0.8，當汽車荷載以及人群荷載布滿，列車荷載不加時，混凝土箱梁橫向最不利。計算結果如圖13所示。由圖13可見混凝土箱梁橫向應力分布較為均勻，除錨固段位置周圍存在拉應力9.5 MPa，其他地方均不受拉，最大壓應力為10 MPa，位于橫隔板下緣處。

通過上述分析可知，由于本橋塔墩梁固結，因此在多種荷載作用下，塔梁固結處及主墩下塔柱的彎矩、剪力值較大。這也正是這種體系的獨塔斜拉橋的一個弱點，但在有限的跨度下，其內力值是結構可以承受的。同時，這種體系具有足夠的剛度，全橋在多種荷載作用下位移較小，且承載能力較強。主梁采用鋼混組合梁，其剛度介于鋼箱梁及混凝土梁之間，與混凝土梁相比，大大減小了自重，對下部結構設計及全橋的經濟性都會產生積極影響。

3 結語

獨塔斜拉橋在靜荷載作用下的各項性能一直是橋梁工作者最關心的問題，它從很大程度上反映了橋梁結構的安全性、合理性及經濟性。通過以上靜力結構響應分析，可以得到這種獨塔混合梁斜拉橋的受力特點：

（1）荷載組合效應下，橋梁主梁軸力和彎矩響應大于剪力響應，彎矩分布較均勻且相對來說比軸力響應稍小。

（2）鋼箱梁側主跨跨中斜拉索的應力變化大于主跨兩端斜拉索應力變化，最大變化量為90 MPa;混凝土側斜拉索索力變化比較均勻，最小、最大變化量分別為15 MPa、34 MPa。

（3）由于本橋橋面較寬（46.5 m），鋼箱梁及混凝土梁橫向應力較大，橫向彎曲應力與縱向彎曲應力的大小基本在同一量級，因此在進行受力分析時一定要考慮橫向彎曲應力對結構的不利影響。

參考文獻：

[1]林元培.斜拉橋[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]徐國平，張喜剛，劉明虎，等.混合梁斜拉橋[M].北京：人民交通出版社，2013.

[3]張士鐸.獨塔斜拉橋的理論分析與計算[J].江西科學，1993（3）：177-182.

[4]JTGD 62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[5]文 新.大跨徑獨塔斜拉橋幾何非線性靜力分析[J].湖南交通科技，2020，46（4）：94-98.

[6]魯雄飛.大跨徑獨塔混合梁斜拉橋施工監控仿真分析[J].交通科技，2018（2）：26-29.

[7]陳 林，肖 陽，汪 洋.基于模態測試的寬幅鋼箱梁斜拉橋有限元模型對比與修正[J].新余學院學報，2018，23（4）：5-9.

[8]李 偉.獨塔混合梁斜拉橋的動力響應研究[D].長沙：長沙理工大學，2017.