矮塔斜拉橋設計參數(shù)對主梁受力及變形的影響

王汪陽

（新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830002）

引言

近年來，矮塔斜拉橋因具有外型美觀、經(jīng)濟合理、施工簡便及跨徑布置靈活等特點，逐漸在我國橋梁事業(yè)中得到廣泛應用［1］。但在早期完工的矮塔斜拉橋工程中，由于設計者對橋梁部分參數(shù)的分析不足，導致橋梁出現(xiàn)主梁大幅度變形、受力不均等嚴重病害［2-3］。因此，為保障矮塔斜拉橋運營的安全性，深入研究其參數(shù)設計具有重要意義［4］。

目前，國內外學者關于斜拉橋的參數(shù)設計問題展開了大量研究，張欣欣［5］針對矮塔斜拉橋結構體系、合理結構參數(shù)、斜拉索張拉方案等關鍵技術進行分析研究，發(fā)現(xiàn)采用剛構連續(xù)梁體系，輔以外伸跨，可以有效地減小下部結構受力，同時滿足剛度要求，結構經(jīng)濟合理。鮑英基等［6］對PC 矮塔斜拉橋運營階段主梁的應力和位移進行敏感性分析，得出主梁應力和位移隨各參數(shù)的變化規(guī)律。上述學者主要是針對傳統(tǒng)斜拉橋進行的參數(shù)設計研究，而關于矮塔斜拉橋的參數(shù)設計研究還有待進一步完善。

1 工程概況

某大跨度雙塔混凝土矮塔斜拉橋+先簡支后連續(xù)預應力T 梁組合體系橋梁全長475 m，主橋跨徑布置為80 m+145 m+80 m，引橋跨徑布置分別為2×40 m和3×30 m，橋面總寬25 m，包含2×0.5 m 防撞護欄+2×11 m 行車道+2 m 中央隔離帶。道路設計為雙向四車道，設計速度為80 km/h，設計荷載為公路-Ⅰ級，地震動峰值加速度為0.2 g。矮塔斜拉橋主梁采用單箱三室斜腹板變截面箱梁，頂板寬12 m，底板寬6.8 m，支點處梁高5.8 m，跨中梁高2.8 m，呈二次拋物線形式變化，斜拉索張拉位置的箱梁內每隔6 m 設置一橫隔板，厚度為40 cm。主梁與主塔采用塔梁固結體系，主塔采用矩形斷面，截面尺寸為5 m×2.4 m，橋面以上塔高為24 m，主塔對稱設置斜拉索17 對，呈單索面扇形布置。梁上間距為7 m，塔上間距為1 m，邊跨無索區(qū)長度為18 m，中跨無索區(qū)長度為21 m，斜拉索通過塔身分絲管鞍座，對稱錨固于梁體上，間隔1 m。矮塔斜拉橋總體布置見圖1。

圖1 矮塔斜拉橋總體布置/m

2 建立模型

運用軟件Midas/Civil 建立矮塔斜拉橋有限元模型，其中主梁、主塔及橋墩均采用梁單元模擬，采用桁架單元模擬斜拉索，全橋共包含58 個桁架單元、182 個梁單元和276 個節(jié)點，有限元模型見圖2。

圖2 矮塔斜拉橋有限元模型

計算過程中考慮初始張拉力的影響，斜拉索的初始張拉力均為5 600 kN，斜拉索的彈性模量取值按鋼絞線實際彈性模量，但考慮到防腐材料的重量，斜拉索的容重增加10%。主梁與主塔節(jié)點之間采用固結連接形式，主梁與橋墩節(jié)點采用剛接連接形式，不考慮主梁、主塔及橋墩的幾何非線性變形對結構的影響，模型基礎邊界條件采用相應剛度矩陣方法模擬。計算荷載主要考慮恒載、活載、掛籃與濕重荷載，混凝土的收縮徐變作用及溫度荷載的影響。鋼絞線及預應力鋼筋計算參數(shù)見表1。

表1 鋼絞線及預應力鋼筋計算參數(shù)

3 結果分析

在矮塔斜拉橋的設計中，邊中跨比與主塔高度的參數(shù)選取是一個非常重要的結構參數(shù)設計步驟，合理的參數(shù)選取可有效提升矮塔斜拉橋的經(jīng)濟性和力學性能。為了研究參數(shù)對矮塔斜拉橋的影響，通過建立模型對橋梁受力及變形情況展開對比分析。

3.1 邊中跨比

建立邊中跨比分別為0.52、0.54、0.56、0.58 及0.6 的矮塔斜拉橋模型。針對不同邊中跨比的主梁邊、中跨撓度及彎矩進行計算，得到最大撓度及彎矩變化曲線見圖3。

圖3 最大撓度及彎矩變化曲線

根據(jù)圖3 可知：（1）隨著矮塔斜拉橋邊中跨比不斷增大，主梁邊跨的最大撓度呈增大的趨勢，而中跨最大撓度呈減小的趨勢變化，說明邊中跨比對矮塔斜拉橋變形的影響較大。當邊中跨比由0.52 增至0.6 時，主梁邊跨最大撓度由81 mm 增至117 mm，增幅為41.3%，而中跨最大撓度由124 mm 減小至105 mm，減幅為15.3%，說明增大邊中跨比雖然可以一定程度降低主梁中跨變形量，但會大幅度增大邊跨變形量。（2）隨著矮塔斜拉橋邊中跨比的增大，主梁邊跨最大彎矩均呈不斷增大的趨勢，中跨的最大彎矩呈緩慢減小的趨勢，說明邊中跨比對矮塔斜拉橋受力存在影響。當邊中跨比由0.52 增至0.6時，主梁邊跨最大彎矩由16 846 kN·m 增至108 886 kN·m，增幅為546%。而主梁中跨最大彎矩由87 525 kN·m 減至84 002 kN·m，減幅為4%，說明增大邊中跨比會大幅度增加矮塔斜拉橋主梁邊跨受力，不利于結構的安全性。

3.2 主塔高度

建立塔高分別為18 m、22 m、26 m、30 m 及34 m的矮塔斜拉橋模型，針對不同塔高的橋梁邊、中跨撓度及彎矩進行計算，得到最大撓度及彎矩變化曲線見圖4。

圖4 最大撓度及彎矩變化曲線

根據(jù)圖4 可知：（1）矮塔斜拉橋邊、中跨最大撓度均隨著主塔高度的增大而不斷減小，說明邊中跨比對矮塔斜拉橋變形的影響較大。當主塔高度由18 m 增至34 m 時，主梁邊跨最大撓度由121 mm減至108 mm，減幅為10.7%，而中跨最大撓度由286 mm 減小至91 mm，減幅為68.1%，說明增大主塔高度可以大幅度降低主梁中跨的變形量。（2）隨著矮塔斜拉橋主塔高度的增大，主梁邊、中跨最大彎矩均呈不斷減小趨勢，說明邊中跨比對矮塔斜拉橋受力存在影響。當主塔高度由18 m 增至34 m 時，主梁邊跨最大彎矩由42 003 kN·m 減至36 984 kN·m，減幅為11.9%，而主梁中跨最大彎矩由100 386 kN·m 減至84 071 kN·m，減幅為16.3%，說明增大主塔高度可以有效降低矮塔斜拉橋整體結構受力。

4 結語

（1）斜拉橋主梁中跨最大撓度隨著邊中跨比的增大逐漸減小，而主梁邊跨的最大撓度隨之逐漸增大；主梁中跨的最大彎矩隨著邊中跨比的增大呈略微減小，主梁邊跨最大彎矩則隨之逐漸增大；邊中跨比過大對主梁邊跨的撓度、彎矩影響明顯。（2）隨著主塔高度的增大，主梁邊、中跨的最大撓度均逐漸減小，且邊跨減幅更明顯；主梁邊、中跨的最大彎矩均隨主塔高度的增大逐漸減小。