混合梁斜拉橋邊中跨比布置對受力特性影響探究

李大勇

（中交通力建設股份有限公司，陜西 西安 710075）

邊中跨比是斜拉橋總體布置的重要參數，對結構剛度及各構件受力都有重要影響。斜拉橋索塔在恒載作用下的彎矩接近于零，主梁在恒載作用下的彎矩接近于剛性支承連續梁的彎矩,這是斜拉橋理想的恒載狀態[1]。混合梁斜拉橋要達到這一理想恒載狀態，需要合理的邊中跨比例，使得索塔兩側的主梁處于重量平衡狀態[2]。在混合梁斜拉橋中，邊跨混凝土梁具有錨固及配重的作用，混凝土邊跨和密邊跨提供的穩固支撐還能減小拉索的疲勞效應[3]。因此，斜拉橋合理的邊中跨比例是使索塔和主梁處于較理想恒載狀態的關鍵因素[3]。

本文以某大跨度混合梁斜拉橋為研究背景，參考規范選取不同的邊中跨比。從理想恒載狀態出發，基于空間有限元方法，分析橋梁結構的主梁應力、主塔受力、斜拉索索力及動力特性等力學性能，由此得出混合梁斜拉橋的最優邊中跨比。

一、工程背景及有限元分析模型

（一）工程背景

某大橋為雙塔雙索面混合梁斜拉橋結構，跨徑布置為150m+400m+150m，雙向四車道建設。主塔采用H形橋塔，主塔塔身設置上中下三道等截面橫梁；輔助墩及過渡墩采用雙柱式墩。中跨采用雙邊“上”字形鋼主梁結合橋面板的整體斷面，邊跨主梁采用混凝土邊主梁形式。

圖1 某斜拉橋布置圖

（二）有限元分析模型

全橋靜動力分析采用邁達斯（Midas）有限元程序，共有908個節點、1386個單元，全橋有限元模型如圖2所示。其中主塔和主梁采用梁單元，斜拉索采用桁架單元，塔墩底約束采用一般支撐約束模擬。該橋屬于對稱結構，分析時僅建立一半橋梁模型。定義荷載組合為“自重+二期恒載+車輛荷載+整體升溫5度”。

圖2 空間桿系有限元模型

二、邊中跨比例選取

《公路斜拉橋設計規范》（JTG/T 3365-01—2020）中規定部分設計參數為區間形式，例如雙塔斜拉橋的邊中跨比宜為0.3～0.5，雙塔及多塔斜拉橋橋面以上塔高與主跨的跨徑比宜為1/3～1/6[4]。

結合背景工程特點，不改變原橋跨度，改變橋墩位置以改變邊中跨比，選取了邊中跨比為0.35、0.375、0.4三種體系。基于有限元分析方法，分析研究三種不同邊中跨比橋梁的力學性能。

圖3 邊中跨比0.35橋梁

圖4 邊中跨比0.375橋梁

圖5 邊中跨比0.4橋梁

三、邊中跨比例對受力特性影響

（一）主梁應力

三種不同邊中跨比的混合梁斜拉橋對主梁應力的影響，如圖6所示，邊中跨比為0.35的混合梁斜拉橋，主梁應力最大值為13.7MPa；邊中跨比為0.375的混合梁斜拉橋，主梁應力最大值為12.8MPa；邊中跨比為0.4的混合梁斜拉橋，主梁應力最大值為13.3MPa。在橋塔處主梁應力會增大，且主梁下緣應力大于上緣應力，所以選取主塔處主梁下緣應力作為研究對象。如圖7所示，邊中跨比0.375時主梁應力最大值最小，反之，邊中跨比0.35時主梁應力最大。

圖6 不同邊中跨比主梁上下緣應力對比

（二）塔頂位移

三種不同邊中跨比的混合梁斜拉橋對塔頂位移的影響如圖8所示，邊中跨比0.35時塔頂位移最大，比邊中跨比0.375時大36.8%；邊中跨比0.4時塔頂位移最小，比邊中跨比0.375時小5.3%。

圖7 不同邊中跨比橋塔處主梁下緣應力對比

圖8 不同邊中跨比塔頂位移對比

（三）塔底彎矩

三種不同邊中跨比的混合梁斜拉橋對塔底彎矩的影響，如圖9所示，邊中跨比0.35時塔底彎矩為939006.1kN·m，邊中跨比0.375時塔底彎矩為700292.9kN·m，邊中跨比0.4時塔底彎矩為678763.1kN·m。邊中跨比0.35時塔底彎矩最大，比邊中跨比0.375時大34.1%；邊中跨比0.4時塔底彎矩最小，比邊中跨比0.375時小3.1%。

圖9 不同邊中跨比塔底彎矩對比

（四）斜拉索索力

三種不同邊中跨比的混合梁斜拉橋對拉索索力的影響如圖10所示，邊中跨比0.35時拉索索力最大值為8002.4kN，邊中跨比0.375時拉索索力為7836.5kN，邊中跨比0.4時拉索索力為8225.4kN。邊中跨比0.375時拉索索力總體最小且較為平穩，邊中跨比0.4時拉索索力最大且總體變化較大，邊中跨比0.35時拉索索力也較大且處于不太合理的狀態，可得拉索索力在中跨第一根拉索處于結構的最大索力。如圖11所示，邊中跨比0.375時中跨第一根索處索力最小，邊中跨比0.4時最大，邊中跨比0.375時拉索索力最為合理。

圖10 不同邊中跨比中跨拉索索力對比

圖11 不同邊中跨比中跨1號拉索索力對比

（五）動力特性

動力荷載作用下橋梁結構振動增大，可能引起結構局部疲勞損傷，會形成影響橋上行車舒適和安全的振動變形和加速度，甚至使橋梁完全破壞[5]。除車輛荷載外，橋梁結構主要承受的動力荷載包括風荷載及地震荷載[5]。本文采用子空間法計算分析混合梁斜拉橋模型的自振特性，三種結構體系前3階自振頻率和振型對比如表1所示。

表1 不同邊中跨比的自振模態對比

如表1所示，3種不同邊中跨比橋梁前3階振型均為豎彎與橫彎；3種不同邊中跨比模型前3階振型特性基本一致，邊中跨比0.375的各階橫彎和豎彎頻率與其它兩個位置相比均有所增加，邊中跨比0.375的自振頻率明顯高于另外兩處位置，整體基頻增加4%左右。3種不同邊中跨比的動力特性都符合規范要求。

四、邊中跨比例對比分析

不同邊中跨比結構的靜動力有較大不同。對于主梁應力，邊中跨比0.35比邊中跨比0.375大7.0%，邊中跨比0.4比邊中跨比0.375大3.9%。對于塔頂位移，邊中跨比0.35時塔頂位移最大，邊中跨比0.4時塔頂位移最小，但邊中跨比0.375時塔頂位移只比邊中跨比0.4大33mm。邊中跨比0.4時塔底彎矩最小，邊中跨比0.35時塔底彎矩最大，邊中跨比0.375時塔底彎矩遠小于邊中跨比0.35，比邊中跨比0.4稍大。邊中跨比0.375時中跨第一根索處索力最小，邊中跨比0.4最大，邊中跨比0.375時拉索索力最為合理，故對于拉索索力邊中跨比0.375為最佳比例。對于動力特性，邊中跨比0.375的前7階特征值比邊中跨比0.35高，邊中跨比0.35比邊中跨比0.4高，同時邊中跨比0.375時振型變化最小，為最合理的邊中跨比。綜合不同邊中跨比對橋梁的靜動力影響分析，得出邊中跨比0.375具有較大優勢。

表2 不同邊中跨比對比

五、結語

本文從混合梁斜拉橋3種不同邊中跨比出發，主要介紹了3種不同邊中跨比的選擇依據，并結合有限元分析方法，模擬不同邊中跨比并對比不同邊中跨比的靜動力影響。綜合不同邊中跨比對于主梁彎矩、應力、塔頂位移、塔底彎矩及成橋自振特性的影響，得出邊中跨比0.375最為合理。