某高速公路雙塔斜拉橋成橋狀態與斷索工況有限元數值模擬分析

摘 要：大跨度斜拉橋是跨越深溝峽谷的山區橋梁常見的結構型式之一。文章為研究斜拉橋運營狀態下斷索后結構響應變化的情況，以某高速公路大跨度雙塔斜拉橋為工程背景，利用有限元軟件對成橋索力和斷索工況進行了計算分析，結果表明：基于彎曲能最小法得到雙塔斜拉橋成橋索力，索力由近塔處向遠塔處逐漸增大，整體分布較為均勻；根據斷索時索力整體變化情況，建議拉索設計時邊索安全系數應適當提高，雙塔斜拉橋在進行斷索計算時應重點關注中跨長拉索斷裂工況。此外，實橋中應避免斷2根拉索以確保足夠的安全儲備。

關鍵詞：山區橋梁；雙塔斜拉橋；有限元軟件；合理成橋狀態；斷索工況

中圖分類號：U448.27

0 引言

雙塔斜拉橋是大跨度橋梁的重要組成部分。相比于連續剛構、拱橋，雙塔斜拉橋跨越能力更大，結合橋位地形地質能夠應用于200～1 200 m跨度橋梁當中，相比于大跨度懸索橋，雙塔斜拉橋的抗風穩定性更優，并且不需要大尺寸錨碇克服主纜拉力，同時塔梁受力明確、整體景觀性較好、施工工藝成熟等，21世紀以來得到了廣泛的應用。

雙塔斜拉橋發展初期主要由疏索體系組成，主梁以壓彎為主，整體截面較大且造價高，隨著斜拉橋設計方法的不斷成熟，雙塔斜拉橋逐步由疏索體系向密索體系轉變，拉索和主梁受力更為明確，結構更加美觀輕盈。拉索是密索體系斜拉橋的關鍵構件，也是近年來相關學者研究的熱點。戴杰等［1］系統研究了斜拉橋成橋索力分析方法并對索力優化進行了深入探索；劉兆豐等［2］以甬江特大斜拉橋為研究對象，對拉索位置、數量和索力情況進行了室內模型試驗研究；仇發［3］借助ANSYS軟件，從應變能角度對贛江二橋施工過程合理索力控制進行了計算分析；劉精山［4］探討了國內外雙塔斜拉橋施工監控技術的發展過程，結合實際工程建立了一套考慮有限元修正的施工控制系統并對索力進行了監測分析；陳一赫等［5］基于RSM響應面法對安徽六安市某雙塔斜拉橋索力及其參數敏感性進行了分析。目前針對斜拉橋拉索的相關研究主要聚焦于拉索設計、索力優化、索力監測等方面，對于拉索本身的損傷，尤其是斷索前后結構響應的變化研究相對缺少。近年來，惡劣天氣出現的概率明顯增加，對于沿海及山區峽谷大跨度橋梁運營安全性分析研究較為重要。本文基于某山區高速公路320 m大跨度雙塔斜拉橋為工程背景，研究了拉索在斷索工況下的受力變化，以期提高相關設計人員對雙塔斜拉橋結構設計與計算分析的全面認識。

1 工程背景

某高速公路主跨跨越深溝峽谷，橋面至深溝設計水位高210 m，溝谷兩岸地勢起伏較大，經橋型方案比選，根據地形特征，此處不宜設置拱橋，此外兩岸跨度＞300 m，超過連續剛構適宜跨度范圍，因此主橋采取（130+325+130）m雙塔斜拉橋方案，邊主跨比為0.41，距邊支點48 m處設置輔助墩以改善結構受力性能，橋塔整體高度分別為198 m和159 m，橋塔采用花瓶形，邊中跨主梁采用預應力雙主梁形式，橋面總寬為36 m，設計速度為80 km/h，按照雙向六車道設計，設計荷載為公路-Ⅰ級。引橋采用40 m裝配式T梁，簡支橋面連續，主橋橋型布置圖如圖1所示。

主梁中心高度為3.5 m，單側拉索區寬度為1.5 m，主梁和橋塔混凝土強度標號分別為C55和C50，邊支點至輔助墩在箱梁內按照30 t/m灌入鐵砂混凝土壓重，根據拉索錨固位置按照拉索在主梁上的間距設置橫隔板，單側橋面一個橋塔處共設置24對拉索，邊跨拉索根據橋塔至邊支點方向依次按照S1～S24進行編號，中跨拉索按照橋塔至跨中方向依次按照M1-M24進行編號，拉索采用s15.2鍍鋅鋼絞線，雙塔斜拉橋各構件材料力學性能指標按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG3362-2018）進行選取［6］，拉索布置如圖2所示。

2 合理成橋狀態分析

2.1 有限元模型

該橋為半漂浮體系，未設置0號拉索。主要施工過程為：橋塔施工、主梁和拉索施工和中跨合龍成橋。考慮實際施工過程，主梁和橋塔采用梁單元模擬，拉索采用只受拉桁架單元模擬，橋塔底、塔梁相交處、交界墩和輔助墩按照實際約束情況對邊界條件進行模擬，所建立的有限元模型如圖3所示。全橋共653個節點、638個單元，建模時考慮拉索的非線性效應和塔梁混凝土收縮徐變效應。結合相近跨度斜拉橋拉索規格，在成橋索力確定前全橋拉索統一按照s15.2-61型鍍鋅鋼絞線進行考慮，待索力確定后對鋼絞線規格進行調整。活載考慮應急車道，按照八車道進行加載。

2.2 合理成橋狀態

結合相關研究文獻，本次采用彎曲能最小法確定合理成橋狀態。合理成橋狀態下斜拉橋表現為“塔直梁平”狀態，即橋塔和主梁處受壓狀態，橋塔基本無偏位，主梁上下撓度較小。結合文獻［7］，當EI→0或EA→∞時，斜拉橋一次落架的內力狀態與調索目標為彎曲能最小時的內力狀態一致。考慮結構自重和二期恒載，令成橋狀態下拉索截面剛度增大1×104倍，求解得到一組索力，即彎曲能最小法模型對應索力，根據索力分布情況對突變處進行修正，然后將拉索剛度恢復成實際剛度，考慮車道荷載，輸入修正后的索力，經計算分析后得到成橋狀態下的實際索力分布，通過試算塔梁應力及變形滿足要求，此時的成橋狀態可認為是合理的。兩處橋塔拉索索力相差不大，此處取高塔一側邊中跨拉索進行分析，以上計算過程的邊中跨索力分布分別如圖4和圖5所示。

基于彎曲能最小法得到的實際成橋索力在輔助墩處出現波動，這與主梁在輔助墩處豎向剛度大，變形小有關，與端錨索一樣對拉索起到一定的錨固作用。邊跨和中跨拉索索力整體分布較為均勻，遠離橋塔的拉索索力相對較大。

3 斷索工況分析

根據成橋索力計算結果，對拉索規格進行調整，近塔處取37、43和55根鍍鋅鋼絞線規格，遠塔處取61和73根鍍鋅鋼絞線規格。斜拉橋運營過程中，受拉索制造缺陷、疲勞損傷、極端氣候等內外因素影響，實橋拉索可能出現斷裂情況，按照《公路斜拉橋設計規范》（JTGT 3365-01-2020）相關要求［8］，換1根拉索期間，結構應滿足強度要求。考慮邊中跨第1、4、8、12、16、20、24及其相鄰拉索分別斷裂，以此分析斷1根和2根拉索對索力變化的影響，如圖6～9所示。

計算結果表明：（1）在斷裂1根拉索時，相比于中間拉索，邊索斷裂對相鄰索索力影響較大，邊中跨24號拉索斷裂時，23號索力均增加約10%，拉索安全系數由2.5降低至2.27，斷1根拉索對拉索安全性影響較小；（2）在斷裂2根拉索時，拉索索力分布均發生一定范圍的變化，與邊跨拉索相比，中跨拉索變化更為明顯，拉索索力最大增幅約30%，發生在中跨M23-24號拉索斷裂時的M22號拉索處，拉索安全性明顯較低；（3）通過分析發現，斷索發生時，全橋索力按照拉索剛度進行了重分布，斷索附近索力均有所增加，遠離斷索位置的拉索索力有所降低，但索力的整體分布規律不會改變。

4 結語

本文以某高速公路（130+325+130）m雙塔斜拉橋為工程背景，基于有限元軟件對成橋索力和斷索工況進行了計算分析，得出主要結論如下：

（1）基于彎曲能最小法得到了雙塔斜拉橋成橋索力，索力由近塔處向遠塔處逐漸增大，整體分布較為均勻。

（2）根據斷索時索力整體變化情況，建議拉索設計時邊索安全系數應適當提高。雙塔斜拉橋在進行斷索計算時應重點關注中跨長拉索斷裂工況。此外，實橋中應避免斷2根拉索以確保足夠的安全儲備。

參考文獻：

［1］戴 杰，秦鳳江，狄 謹，等.斜拉橋成橋索力優化方法研究綜述［J］.中國公路學報，2019，32（5）：17-37.

［2］劉兆豐，戴顯榮，趙人達，等.雙塔聯體分幅斜拉橋塔結構模型實驗索力測試結果分析［J］.實驗力學，2009，24（6）：573-578.

［3］仇 發.雙塔雙索面斜拉橋施工索力分析與優化［J］.鐵道建筑技術，2017（6）：23-26，71.

［4］劉精山.雙塔雙索面預應力混凝土斜拉橋施工監控技術研究［D］.成都：西南交通大學，2021.

［5］陳一赫，孫亭亭，梁亞蘭，等.有間索的雙塔無背索斜拉橋索力參數敏感性［J］.武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2018，42（6）：1 059-1 062，1 067.

［6］JTG 3362-2018，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.

［7］梁 鵬，肖汝誠，張雪松.斜拉橋索力優化實用方法［J］.同濟大學學報（自然科學版），2003（11）：1 270-1 274.

［8］JTGT 3365-01-2020， 公路斜拉橋設計規范［S］.20240426