斜拉橋結構體系研究及參數(shù)分析

艾 義,麻永生

（中交第一公路勘察設計研究院有限公司,陜西 西安 710075）

0 引言

斜拉橋是我國橋梁工程中相對新穎的結構形式，因其造型優(yōu)美、受力路徑明確，在一些溝壑、河流等區(qū)域得到了大規(guī)模使用。斜拉橋結構研究是橋梁設計階段的主要工作，主要分析橋梁構件銜接方式、結構尺寸、跨徑布置、邊界支承方式等條件產(chǎn)生變化時，橋梁結構受力發(fā)展規(guī)律。斜拉橋結構體系及結構參數(shù)分析有助于全面了解其受力特點，為后續(xù)橋梁結構設計優(yōu)化創(chuàng)新及施工提供參考。

1 斜拉橋結構體系研究

斜拉橋主要由橋塔、橋墩、斜拉索、主梁幾個結構構成，結構傳力方式較為簡潔，如圖1所示。不同結構連接方式具備不同受力響應，斜拉橋橋塔、橋墩、主梁之間及拉索、主梁、主塔之間的連接方式是橋梁結構受力合理性的重要因素。

圖1 傳力模式

1.1 塔墩連接

為了滿足一定剛度需求，斜拉橋往往需要具備較大自重，幾乎很少采取傳統(tǒng)的漂浮體系，通常依據(jù)橋墩、主梁、橋塔的連接方式不同，可分為以下幾種類型：塔墩固結、塔梁固結、塔梁墩固結。塔墩固結體系簡稱為TP體系，如圖2（a）所示，該結構固結形式主要是將橋墩、橋塔固結連接，主梁支承于橋墩上方安置的支座上，主梁則可視為多點支撐的連續(xù)梁。TP結構固結體系中的主梁結構在橋墩墩頂位置容易出現(xiàn)負彎矩，且受到溫度、變形引發(fā)的內(nèi)力變化較大[1]。

1.2 塔梁連接

塔梁固結簡稱為TG體系，如圖2（b）所示，將主梁、橋塔固結處理，主梁結構安置于橋墩上方支座上，使主梁形成拉索強化的連續(xù)梁結構。該結構體系需要在橋墩處設置承重較大的支座，以便支撐上覆荷載，弱化梁段軸向拉力及外界環(huán)境的影響。

1.3 塔梁墩連接

塔梁墩固結簡稱為TGP體系，如圖2（c）所示，主要將橋墩、橋塔、主梁進行固結，整體表現(xiàn)為多點支承連續(xù)剛構，較大的剛度能夠充分弱化結構變形，簡化橋墩支座設計，有助于后續(xù)養(yǎng)護維修成本的控制。但是該結構形式往往在固結點位置處存在負彎矩，內(nèi)力容易受溫度影響，抗震效果不佳。結構附加應力極容易受到較大剛度影響，TGP體系需要在跨中設置掛梁結構，為此，實際施工中多采取柔性較大的橋墩類型，以便控制混凝土收縮徐變、荷載及溫度作用下的變形[2]。

圖2 斜拉橋結構連接方式

1.4 索、梁、塔連接

斜拉橋拉索是結構傳力主要構件，主梁結構承擔外界荷載、自重，之后通過錨固裝置傳遞至拉索，由拉索將荷載傳遞給橋塔，形成一體化三角受力結構。索梁塔之間的連接主要分為以下兩個方面：主梁上拉索的錨固、主塔上拉索的錨固[3]。橋塔上索的錨固主要分為分離式錨固、貫穿式錨固。梁上拉索錨固則主要分為梁體兩側(cè)

2 工程概況

陜西省某雙塔三跨曲線斜拉橋，設計全長310 m，邊、中跨對稱，雙向四車道，設計車速80 km/h。橋面設計寬度20 m，主梁采取單箱三室設計，C50混凝土。橋塔設計采取單柱矩形形式，橋塔橫橋向、順橋向?qū)挾确謩e為2.5 m、5.5 m，橋塔高度35 m，C50混凝土，塔壁兩端設有裝飾物，橋塔結構整體美觀挺拔。橋墩采取雙肢薄壁墩類型，具備良好的順橫橋向抗扭能力，橋墩雙肢間距為5.5 m，橋墩高度25 m，單肢寬度9 m，厚度1.5 m，C40混凝土。斜拉索則采取高強鍍鋅平行鋼絞線，直徑60 mm，索力設計為5 500~7 500 kN，單索面設計，中央分隔帶位置處主梁、橋塔采取拉索連接，單座橋塔設計有5對拉索，斜拉索在主梁上布置間距為8 m，橋塔上斜拉索布置間距達到了1.5 m[4]。橋型布置如圖3所示。擬對該項目開展不同結構固結類型及邊中跨比的整體力學響應分析，以便確定受力性能良好的結構設計方案。

圖3 橋型布置示意圖

3 有限元分析

3.1 模型構建

文章采取Midas/Civil有限元軟件構建不同斜拉橋模型，其中斜拉索采取桁架單元模擬，橋墩、橋塔、主梁選取梁單元離散化模擬，橋墩墩底固結、邊墩支座采取控制一般支承自由度進行模擬，橋塔、主梁、橋墩互相之間的固結則通過彈性/剛性連接控制自由度進行模擬。其中固定支座約束6個自由度，固定鉸支座則只放松y向（繞橫橋向）轉(zhuǎn)動，活動鉸支座則放松x向（順橋向）位移、y向（繞橫橋向）轉(zhuǎn)動。斜拉橋塔梁墩固結需要采取共同節(jié)點，對所有自由度進行剛性連接約束處理[5]，效果如圖4（a）所示。塔梁固結則需要將塔梁結構置于橋墩支座上方，塔梁采取共同節(jié)點剛性固結，塔墩固結連接則采取模型中彈性連接里的剛性連接約束自由度進行模擬，如圖4（b）所示。

圖4 結構體系連接示意圖

項目依據(jù)相關規(guī)范設計行車荷載為公路I級，四車道汽車荷載施加，設計選取車道均布荷載標準值為-10.2 kN/m，集中荷載標準值則為-350 kN；荷載施加控制主梁剛度、主塔高度、布置孔徑等保持不變，改變不同邊中跨比，該文設定邊中跨比分比為0.35、0.4、0.45[6]。斜拉橋有限元模型如圖5所示。

圖5 有限元模型示意圖

3.2 結果分析

不同邊中跨比下，塔梁墩固結、塔梁固結、塔墩固結體系在行車荷載作用下的結構內(nèi)力響應分別如表1~3所示。

表1 塔梁墩固結力學指標

結果表明，不同結構固結體系下，邊跨、中跨跨中彎矩隨著邊中跨比的增大而不斷增大，其中，中跨彎矩近似呈線性比例增大趨勢，這主要歸因于邊中跨比增大會促使主梁降低其剛度。邊中跨比在0.3~0.15之間變化時，塔梁墩固結體系中的中跨、邊跨跨中彎矩變化幅度明顯小于其余類型，且彎矩偏小，塔墩固結連接內(nèi)力隨邊中跨比變化更為劇烈，主梁穩(wěn)定性較差；邊中跨比造成的中跨彎矩變化要小于邊跨。邊中跨比增大也會促使主梁中跨、邊跨跨中撓度增大，其中不同固結連接體系中，中跨撓度明顯要大于邊跨撓度，且邊中跨跨中撓度隨著邊中跨比增大而不斷增大；塔梁墩固結體系的邊中跨撓度變化明顯要小于其余類型，其撓度變化也更為穩(wěn)定；塔梁固結則具備更為劇烈的邊中跨撓度變化，且撓度變化值最大，此時主梁存在破壞風險。塔頂位移及斜拉索索力變化均隨著邊中跨比的增大而增大，塔梁墩固結具備最小的塔頂水平位移，控制在0.01~0.015 m范圍之內(nèi)，該結構連接類型也具備最小的斜拉索應力變化，主梁剛度較大，結構穩(wěn)定性明顯要好于其余結構體系[7]。綜上所述，項目擬采取塔梁墩固結結構體系進行方案設計，經(jīng)技術經(jīng)濟指標比選，選取邊中跨比0.4。

表2 塔梁固結力學指標

表3 塔墩固結力學指標

4 結語

斜拉橋是我國橋梁工程建設中常見類型，這得益于其良好的造型及穿越能力。斜拉橋應用數(shù)量不斷增多，其規(guī)模也越來越大。斜拉橋結構體系不同會造成其內(nèi)力變化差異性明顯，針對斜拉橋不同結構體系及結構參數(shù)開展設計分析，能夠為后續(xù)項目運營提供良好的理論支撐。文章依托具體工程開展不同邊中跨比及橋墩、主梁、主塔相互之間的連接方式進行力學響應評價，獲取穩(wěn)定可靠的成果，希望能為類似工程建設提供理論參考。