斜拉橋方案優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

吳思標(biāo)

（廣東交科檢測(cè)有限公司，廣州 510550）

0 引言

斜拉橋又名斜張橋，是一種經(jīng)典又新型的橋型。斜拉橋主要是由主塔、主梁、斜拉索組成，主梁直接承受自重及汽車荷載等外荷載，然后再通過斜拉索將荷載傳遞給主塔，主梁基本呈現(xiàn)為壓彎受力狀態(tài)[1，2]。主塔除受自重引起的軸力外，還需承受由斜拉索傳遞的軸力及水平分力，因此索塔屬于壓彎構(gòu)件。由于主梁有大量斜拉索支承，就像具有多跨彈性支承的連續(xù)梁一樣，主梁彎矩得以減小，因而可以通過減小主梁尺寸來降低主梁自重，進(jìn)而大幅提升橋梁的跨越能力[3，4]。由于斜拉橋結(jié)構(gòu)體系的不同，對(duì)結(jié)構(gòu)的受力性能影響很大，因此需要針對(duì)不同工程實(shí)際對(duì)斜拉橋結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行比選優(yōu)化分析[5，6]。本文通過研究斜拉橋不同結(jié)構(gòu)體系對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響規(guī)律，以某大跨度斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘埃謩e選取塔梁固結(jié)體系、塔墩梁固結(jié)體系以及半漂浮體系三種結(jié)構(gòu)體系，采用有限元軟件分別建立不同有限元模型，分析在不同結(jié)構(gòu)體系下主梁、塔柱以及橋墩各構(gòu)件的內(nèi)力，同時(shí)針對(duì)主梁剛度進(jìn)行分析。

1 工程概況

某大橋主橋?yàn)?0+150+70m 雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，采用150m 主跨跨越深水區(qū)域，采用70m 邊跨跨越兩岸大堤，總長(zhǎng)290m。塔柱采用雙柱式，柱尺寸順橋向4.5m 長(zhǎng)，橫橋向2.5m 寬，壁厚順橋向1.25m，橫橋向0.65m。橫橋向中距與索面距一致為23.5m。橋面以上塔柱高35m，兩主塔均采用塔、梁固結(jié)體系，主墩頂設(shè)支座。橋型布置圖如圖1 所示。

2 結(jié)構(gòu)體系分類

從斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系，根據(jù)塔、梁、墩之間相互結(jié)合方式可劃分為漂浮體系、半漂浮體系、塔梁固結(jié)體系和剛構(gòu)體系。

2.1 半漂浮體系

半漂浮體系的特點(diǎn)是塔墩固結(jié)，主梁在塔墩上設(shè)置豎向支承，成為具有多點(diǎn)彈性支承的三跨連續(xù)梁。可以是一個(gè)固定支座，三個(gè)活動(dòng)支座；也可以是四個(gè)活動(dòng)支座，但一般均設(shè)活動(dòng)支座，以避免由于不對(duì)稱約束而導(dǎo)致不均衡溫度變位，水平位移將由斜拉索制約。

2.2 塔梁固結(jié)體系

塔梁固結(jié)體系的特點(diǎn)是將塔梁固結(jié)并支承在墩上，主梁的內(nèi)力與撓度直接同主梁與索塔的彎曲剛度比值有關(guān)。這種體系的主梁一般只在一個(gè)塔柱處設(shè)置固定支座，而其余均設(shè)置縱向可以活動(dòng)的支座。這種體系的優(yōu)點(diǎn)是，顯著地減小主梁中央段承受的軸向拉力，并且索塔和主梁中的溫度內(nèi)力極小。缺點(diǎn)是中孔滿載時(shí)，主梁在墩頂處轉(zhuǎn)角位移導(dǎo)致塔柱傾斜，使塔頂產(chǎn)生較大的水平位移，從而顯著地增大主梁跨中撓度和邊跨負(fù)彎矩；另外上部結(jié)構(gòu)重量和活載反力都需要由支座傳給橋墩，這就需要設(shè)置很大噸位的支座。在大跨徑斜拉橋中，這種支座甚至達(dá)到上萬噸級(jí)，這樣給支座的設(shè)計(jì)制造及日后養(yǎng)護(hù)、更換帶來較大的困難。

2.3 塔墩梁固結(jié)體系

塔墩梁固結(jié)體系又稱剛構(gòu)體系，它的特點(diǎn)是塔梁墩相互固結(jié)，形成跨度內(nèi)具有多點(diǎn)彈性支承的剛構(gòu)。這種體系的優(yōu)點(diǎn)是既免除了大型支座又能滿足懸臂施工的穩(wěn)定要求；結(jié)構(gòu)的整體剛度比較好，主梁撓度又小。缺點(diǎn)是主梁固結(jié)處負(fù)彎矩大，使固結(jié)處附近截面需要加大；再則，為消除溫度應(yīng)力，應(yīng)用于雙塔斜拉橋時(shí)要求墩身具有一定的柔性，常用于高墩的場(chǎng)合，以避免出現(xiàn)過大的附加內(nèi)力，另外，這種體系比較適合于獨(dú)塔斜拉橋。

3 有限元模型建立

縱向整體計(jì)算采用midas civil 2021 版，分別建立塔梁固結(jié)、半漂浮、塔墩梁固結(jié)三種不同斜拉橋結(jié)構(gòu)模型，三種模型主梁、橋塔以及橋墩均采用桿系梁?jiǎn)卧M，拉索采用桁架單元模擬，進(jìn)行運(yùn)營(yíng)階段受力分析時(shí)，按成橋索力考慮垂度效應(yīng)對(duì)彈性模量的修正，計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 斜拉橋整體有限元模型圖

4 靜力作用下不同結(jié)構(gòu)體系受力分析

4.1 主梁內(nèi)力分析

針對(duì)三種斜拉橋結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行建模，提取頻遇和準(zhǔn)永久組合下主梁的計(jì)算結(jié)果，如表1～表2 所示，根據(jù)模型數(shù)據(jù)繪制出主梁關(guān)鍵位置彎矩極值柱狀對(duì)比圖，如圖3～圖4所示。

表1 頻遇組合下的主梁彎矩極值表單位：kN·m

表2 準(zhǔn)永久組合下的主梁彎矩極值表單位：kN·m

圖3 頻遇組合下主梁關(guān)鍵位置彎矩極值對(duì)比圖

圖4 準(zhǔn)永久組合下主梁關(guān)鍵位置彎矩極值對(duì)比圖

4.1.1 頻遇組合下主梁內(nèi)力

由圖3 和表1 可知，在基本組合下，三種結(jié)構(gòu)體系的主梁彎矩變化規(guī)律差異不大，但塔梁固結(jié)體系斜拉橋在邊中跨跨中和支點(diǎn)處的彎矩極值均最小，半漂浮體系邊中跨跨中彎矩最大，最大增減幅度達(dá)到了27.17%，塔墩梁固結(jié)體系斜拉橋在支點(diǎn)處的彎矩值最大，最大增減幅度達(dá)到了39.44%。因此可知荷載作用基本組合下，塔梁固結(jié)結(jié)構(gòu)體系的受力最佳。

4.1.2 準(zhǔn)永久組合下主梁內(nèi)力

由圖4 和表2 可知，在準(zhǔn)永久組合下，三種結(jié)構(gòu)體系的主梁彎矩變化規(guī)律差異不大，但塔梁固結(jié)體系斜拉橋在邊中跨跨中和支點(diǎn)處的彎矩極值均最小，半漂浮體系邊跨跨中和支點(diǎn)彎矩最大，其中邊跨跨中和支點(diǎn)最大增減幅度分別達(dá)到了60.40%和65.28%%，塔墩梁固結(jié)體系斜拉橋在中跨跨中處的彎矩值最大，增減幅度為12.89%。

綜上所述，對(duì)于主梁而言，小華山斜拉橋采用塔梁固結(jié)結(jié)構(gòu)體系，其各個(gè)荷載工況下的塔柱的受力都相對(duì)較小，塔柱底部彎矩極值均小于其他兩種體系。因此采用塔梁固結(jié)體系斜拉橋?qū)τ谒氖芰ο鄬?duì)其余兩個(gè)結(jié)構(gòu)體系相對(duì)有利。

4.2 塔柱內(nèi)力分析

針對(duì)三種斜拉橋結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行建模，分別列出頻遇組合和準(zhǔn)永久組合下塔柱的彎矩包絡(luò)圖，提取頻遇和準(zhǔn)永久組合下塔柱的計(jì)算結(jié)果，如表3～表4 所示。

表3 頻遇組合下的塔柱彎矩極值表單位：kN·m

表4 準(zhǔn)永久組合下的塔柱彎矩極值表 單位：kN·m

由表3 可知，在頻遇組合下，三種結(jié)構(gòu)體系塔柱彎矩值均呈現(xiàn)由塔頂向塔底逐漸增大的規(guī)律，其中塔梁固結(jié)體系斜拉橋在塔柱底部位置處的彎矩值最小，僅為23900.95kN·m，半漂浮體系在塔柱底部位置處的彎矩值最大，最大達(dá)到了91541.77kN·m，增大幅度達(dá)到了283.0%。

由表4 可知，在準(zhǔn)永久組合下，三種結(jié)構(gòu)體系塔柱彎矩值均呈現(xiàn)由塔頂向塔底逐漸增大的規(guī)律，其中塔梁固結(jié)體系斜拉橋在塔柱底部位置處的彎矩值最小，僅為17997.72kN·m，半漂浮體系在塔柱底部位置處的彎矩值最大，最大達(dá)到了79342.28kN·m，增大幅度達(dá)到了340.85%。

綜上所述，對(duì)于塔柱來說，小華山斜拉橋采用塔梁固結(jié)結(jié)構(gòu)體系，其各個(gè)荷載工況下的塔柱的受力都相對(duì)較小，塔柱底部彎矩極值均小于其他兩種體系。因此采用塔梁固結(jié)體系斜拉橋?qū)τ谒氖芰ο鄬?duì)其余兩個(gè)結(jié)構(gòu)體系相對(duì)有利。

4.3 主梁剛度分析

針對(duì)三種斜拉橋結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行建模，分別提取邊跨跨中和中跨跨中在汽車荷載和人群荷載作用下產(chǎn)生的最大最小撓度值（撓度向上為正），根據(jù)模型數(shù)據(jù)繪制出主梁關(guān)鍵位置彎矩極值柱狀對(duì)比圖，如表5 和表6 所示。

表5 三種結(jié)構(gòu)體系汽車荷載下?lián)隙冉Y(jié)果匯總表

表6 三種結(jié)構(gòu)體系人群荷載下?lián)隙冉Y(jié)果匯總表

從表中可以看出，在汽車荷載和人群荷載下，由于塔墩梁固結(jié)體系整體剛度比較好，因此其邊跨跨中和中跨跨中撓度值最小，而半漂浮體系由于塔墩固結(jié)，主梁通過“0”號(hào)索連接橋墩，因此其整體剛度同樣比塔梁固結(jié)體系大，因此邊跨跨中和中跨跨中撓度值其次，塔梁固結(jié)體系下邊跨跨中和中跨跨中撓度值最大。

5 結(jié)語(yǔ)

以某大跨度斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘埃謩e選取塔梁固結(jié)體系、塔墩梁固結(jié)體系以及半漂浮體系三種結(jié)構(gòu)體系，采用有限元軟件分別建立不同有限元模型，分析在不同結(jié)構(gòu)體系下主梁、塔柱以及橋墩各構(gòu)件的內(nèi)力，同時(shí)針對(duì)主梁剛度進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

①對(duì)于主梁和塔柱而言，小華山斜拉橋采用塔梁固結(jié)結(jié)構(gòu)體系，其各個(gè)荷載工況下的受力都相對(duì)較小，彎矩極值均小于其他兩種體系，其中主梁彎矩極值最大優(yōu)化幅度達(dá)到了65.28%，塔柱彎矩極值最大優(yōu)化幅度達(dá)到了340.85%。因此采用塔梁固結(jié)體系斜拉橋?qū)τ谥髁汉退氖芰ο鄬?duì)其余兩個(gè)結(jié)構(gòu)體系相對(duì)有利。

②在汽車荷載和人群荷載下，由于塔墩梁固結(jié)體系整體剛度比較好，因此其邊跨跨中和中跨跨中撓度值最小，而半漂浮體系由于塔墩固結(jié)，主梁通過“0”號(hào)索連接橋墩，因此其整體剛度同樣比塔梁固結(jié)體系大，因此邊跨跨中和中跨跨中撓度值其次，塔梁固結(jié)體系下邊跨跨中和中跨跨中撓度值最大，但對(duì)撓度值均遠(yuǎn)小于規(guī)范限值。