何錦權(quán)

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 廣州市 510640)

斜拉橋是現(xiàn)代橋梁工程非常常見(jiàn)的橋梁形式之一，由橋塔、主梁和斜拉索組成，其跨越能力強(qiáng)，外形美觀大氣，適用性強(qiáng)，在交通建設(shè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

從橋跨布置上，獨(dú)塔斜拉橋的跨徑相當(dāng)于雙塔斜拉橋的一半，根據(jù)橋塔兩側(cè)的橋跨布置可分為等跨橋和不等跨橋。預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋主梁根據(jù)截面形式分為閉口截面形式和開口截面。閉口截面形式主要為箱形截面，開口截面形式主要有T形、n形、槽形等肋板截面。以實(shí)際工程為例，通過(guò)Midas Civil有限元軟件建模計(jì)算，分析獨(dú)塔雙邊箱梁斜拉橋的靜力計(jì)算結(jié)果和動(dòng)力性能等。

1 工程概況

主橋主跨采用2×120m=240m獨(dú)塔PC 梁對(duì)稱斜拉橋方案，平行雙索面，全橋結(jié)構(gòu)體系采用塔梁墩固結(jié)體系。主橋橋面為雙向六車道，并設(shè)有人行道，橫橋向斜拉索布置間距為28.5 m。主橋主梁采用PC 梁，順橋向錨固標(biāo)準(zhǔn)索距為6m；斜拉索按扇形布置，索塔索面由17 對(duì)高強(qiáng)度平行鋼絲拉索組成，共2×17對(duì)斜拉索。

圖1 主橋立面布置圖

主梁標(biāo)準(zhǔn)梁段采用預(yù)應(yīng)力混凝土雙邊箱斷面結(jié)構(gòu)，主梁中心梁高2.8m，全寬34.8m，箱梁寬7.45m，頂板厚0.3m，直腹板厚0.4m，斜腹板厚0.35m，底板厚0.35m。拉索錨梁寬1.8m，箱梁懸挑2.35m。0#塊主梁中心梁高2.8～3.6m，直腹板厚0.4～0.6m，箱梁挑臂在距離主梁中心線6.52m 處中斷，與橋塔回轉(zhuǎn)挑臂對(duì)齊，設(shè)置2cm 的伸縮縫，橋塔回轉(zhuǎn)挑臂2.8m。

索塔采用H 形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。塔底高程+4.36m，塔頂高程+90.075m，主塔自承臺(tái)頂以上塔高91.715m，主梁路冠頂面以上高75.0m。主梁結(jié)構(gòu)頂面以上5m 處為材料分界線，分界線以下采用C55 混凝土，分界線以上采用C50 混凝土。為了減少塔柱自由長(zhǎng)度，改善塔柱受力性能，增強(qiáng)大橋景觀效果，在距塔頂41m 處設(shè)置一上橫梁。上塔柱高41m，中塔柱高34m，下塔柱高16.715m。塔柱采用單箱單室截面。

拉索錨固區(qū)采用鋸齒塊構(gòu)造，塔壁四周布置“井”形預(yù)應(yīng)力；橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，其它部位均為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)構(gòu)離散

主梁和主塔均按平面桿系理論，采用Midas Civil進(jìn)行有限元建模，全橋共438個(gè)單元。主梁和主塔采用空間梁?jiǎn)卧M(jìn)行離散，拉索采用桁架單元模擬，斜拉索索端節(jié)點(diǎn)與主梁以及橋塔錨點(diǎn)通過(guò)剛臂連接。見(jiàn)圖2。

圖2 主橋三維計(jì)算模型

單元的劃分以及節(jié)點(diǎn)分布按照實(shí)際施工節(jié)段進(jìn)行劃分橋塔和主梁?jiǎn)卧⑶以诮孛孀兓牡胤揭矐?yīng)該進(jìn)行劃分。斜拉索分別錨固在主塔和主梁上，因此在橋塔和主梁上與實(shí)際錨點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置應(yīng)該劃分節(jié)點(diǎn)，并與索端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。在關(guān)心變形、內(nèi)力情況的地方布置節(jié)點(diǎn)，以方便查看結(jié)構(gòu)效應(yīng)結(jié)果。

3 靜力計(jì)算

3.1 整體剛度

表1 主橋結(jié)構(gòu)在汽車荷載的位移

在汽車荷載下，主橋主梁在車道荷載(不計(jì)沖擊力)作用下正負(fù)撓度之和62.5mm，小于豎向撓度容許120/500=240mm，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3.2 主梁強(qiáng)度

圖3 成橋主梁軸力圖(單位：kN)

圖4 成橋主梁彎矩圖(單位：kN·m)

基本組合作用下主梁根部最大軸向力為133830kN，主梁最大正彎矩為302222kN·m，最大負(fù)彎矩位于橋塔下橫梁位置，為102603kN·m；在頻遇組合作用下，主梁上緣最大壓應(yīng)力為13.2MPa，下緣最大壓應(yīng)力為7.3MPa。在標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，主梁上緣最大壓應(yīng)力為13.7MPa，下緣最大壓應(yīng)力為7.5MPa。在標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，主梁主壓應(yīng)力最大值為13.6MPa。

3.3 主塔計(jì)算結(jié)果

圖5 成橋主塔內(nèi)力圖

基本組合作用下主塔根部最大軸向壓力為230505kN，主塔最大彎矩為111878kN·m。在頻遇組合作用下，主塔最大壓應(yīng)力為14.6MPa，位于中塔柱與下塔柱交界處，未出現(xiàn)拉應(yīng)力。百年縱風(fēng)組合作用下主塔根部最大軸向壓力為155215kN，主塔最大彎矩為55719.5kN·m；在百年橫風(fēng)組合作用下，主塔最大壓應(yīng)力為8.88MPa，位于上塔柱與中塔柱交界處。百年橫風(fēng)組合作用下主塔根部最大軸向壓力為159451kN，主塔最大彎矩為71098.6kN·m；在百年橫風(fēng)組合作用下，主塔最大壓應(yīng)力為9.26MPa，位于中塔柱與下塔柱交界處。滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3.4 斜拉索計(jì)算結(jié)果

圖6 成橋斜拉索索力圖(單位：kN)

斜拉索采用高強(qiáng)平行鋼絲成品索，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1670MPa。從計(jì)算結(jié)果可知，拉索最大索力4562.1kN，最大應(yīng)力561.6MPa，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

4 結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析

4.1 邊界條件

表2 結(jié)構(gòu)各部位邊界條件

△x、△y、△z分別表示沿縱橋向、橫橋向、豎橋向的線位移，θx、θy、θz分別表示繞縱橋向、橫橋向、豎橋向的轉(zhuǎn)角位移。1-約束，0-放松，K-基礎(chǔ)的彈簧剛度。

表3 基礎(chǔ)剛度表

kx、ky、kz分別表示沿縱橋向、橫橋向、豎橋向線剛度；kxx、kyy、kzz分別表示沿縱橋向、橫橋向、豎橋向轉(zhuǎn)角剛度。

4.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析是橋梁結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算分析的基礎(chǔ)，成橋狀態(tài)的動(dòng)力特性前六階見(jiàn)表4成橋狀態(tài)動(dòng)力特性，前四階振型圖見(jiàn)圖7主橋成橋狀態(tài)振型圖。

表4 成橋狀態(tài)動(dòng)力特性

圖7 主橋成橋狀態(tài)振型圖

5 結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)

5.1 抗震分析方法

本橋的地震響應(yīng)按反應(yīng)譜法計(jì)算。相應(yīng)的反應(yīng)譜采用《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》中的加速度反應(yīng)譜。

水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜S由下式確定：

Smax=2.25C1CsCdA

式中：Tg—特征周期(s)；

T—結(jié)構(gòu)自振周期(s)；

Smax—水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜最大值；

Ci—抗震重要性系數(shù)；

Cs—場(chǎng)地系數(shù)；

Cd—阻尼調(diào)整系數(shù)；

A—水平向設(shè)計(jì)基本地震加速度峰值。

計(jì)算用的加速度反應(yīng)譜曲線見(jiàn)圖8。

圖8 地震影響系數(shù)曲線

5.2 反應(yīng)譜計(jì)算分析結(jié)果

表5 E1地震作用下結(jié)構(gòu)各主要部位地震響應(yīng)

表6 E2地震作用下結(jié)構(gòu)各主要部位地震響應(yīng)

(1)E1地震作用下，橋墩和橋塔控制截面在縱、橫橋向的地震彎矩均小于結(jié)構(gòu)的初始屈服彎矩，結(jié)構(gòu)保持在彈性范圍，結(jié)構(gòu)的抗震性能滿足規(guī)范要求。

(2)E2地震作用下，橋塔控制截面的地震彎矩均小于等效屈服彎矩，結(jié)構(gòu)只發(fā)生可修復(fù)性損傷，滿足抗震性能目標(biāo)要求。

6 結(jié)論

從主橋的計(jì)算結(jié)果可以得知，該橋主梁和主塔的剛度和強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求，且有一定的安全儲(chǔ)備。斜拉索最大應(yīng)力滿足大于2.5安全系數(shù)的要求，施工時(shí)應(yīng)注意張拉順序和次數(shù)。主塔在地震作用下橋塔控制截面的內(nèi)力小于首屈彎矩，為彈性狀態(tài)。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，主橋結(jié)構(gòu)受力合理，該算例對(duì)于橋梁設(shè)計(jì)人員具有一定的參考價(jià)值。