艾 義,麻永生

（中交第一公路勘察設(shè)計(jì)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(duì)新穎的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)研究是橋梁設(shè)計(jì)階段的主要工作，主要分析橋梁構(gòu)件銜接方式、結(jié)構(gòu)尺寸、跨徑布置、邊界支承方式等條件產(chǎn)生變化時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)受力發(fā)展規(guī)律。斜拉橋結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)參數(shù)分析有助于全面了解其受力特點(diǎn)，為后續(xù)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化創(chuàng)新及施工提供參考。

1 斜拉橋結(jié)構(gòu)體系研究

斜拉橋主要由橋塔、橋墩、斜拉索、主梁幾個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)傳力方式較為簡(jiǎn)潔，如圖1所示。不同結(jié)構(gòu)連接方式具備不同受力響應(yīng)，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(jié)構(gòu)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(jié)、塔梁固結(jié)、塔梁墩固結(jié)。塔墩固結(jié)體系簡(jiǎn)稱為TP體系，如圖2（a）所示，該結(jié)構(gòu)固結(jié)形式主要是將橋墩、橋塔固結(jié)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(diǎn)支撐的連續(xù)梁。TP結(jié)構(gòu)固結(jié)體系中的主梁結(jié)構(gòu)在橋墩墩頂位置容易出現(xiàn)負(fù)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(jié)簡(jiǎn)稱為TG體系，如圖2（b）所示，將主梁、橋塔固結(jié)處理，主梁結(jié)構(gòu)安置于橋墩上方支座上，使主梁形成拉索強(qiáng)化的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)體系需要在橋墩處設(shè)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(jié)簡(jiǎn)稱為TGP體系，如圖2（c）所示，主要將橋墩、橋塔、主梁進(jìn)行固結(jié)，整體表現(xiàn)為多點(diǎn)支承連續(xù)剛構(gòu)，較大的剛度能夠充分弱化結(jié)構(gòu)變形，簡(jiǎn)化橋墩支座設(shè)計(jì)，有助于后續(xù)養(yǎng)護(hù)維修成本的控制。但是該結(jié)構(gòu)形式往往在固結(jié)點(diǎn)位置處存在負(fù)彎矩，內(nèi)力容易受溫度影響，抗震效果不佳。結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力極容易受到較大剛度影響，TGP體系需要在跨中設(shè)置掛梁結(jié)構(gòu)，為此，實(shí)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(jié)構(gòu)連接方式

1.4 索、梁、塔連接

斜拉橋拉索是結(jié)構(gòu)傳力主要構(gòu)件，主梁結(jié)構(gòu)承擔(dān)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(jié)構(gòu)。索梁塔之間的連接主要分為以下兩個(gè)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(shè)計(jì)全長310 m，邊、中跨對(duì)稱，雙向四車道，設(shè)計(jì)車速80 km/h。橋面設(shè)計(jì)寬度20 m，主梁采取單箱三室設(shè)計(jì)，C50混凝土。橋塔設(shè)計(jì)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(shè)有裝飾物，橋塔結(jié)構(gòu)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(qiáng)鍍鋅平行鋼絞線，直徑60 mm，索力設(shè)計(jì)為5 500~7 500 kN，單索面設(shè)計(jì)，中央分隔帶位置處主梁、橋塔采取拉索連接，單座橋塔設(shè)計(jì)有5對(duì)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(dá)到了1.5 m[4]。橋型布置如圖3所示。擬對(duì)該項(xiàng)目開展不同結(jié)構(gòu)固結(jié)類型及邊中跨比的整體力學(xué)響應(yīng)分析，以便確定受力性能良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

圖3 橋型布置示意圖

3 有限元分析

3.1 模型構(gòu)建

文章采取Midas/Civil有限元軟件構(gòu)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?jiǎn)卧x散化模擬，橋墩墩底固結(jié)、邊墩支座采取控制一般支承自由度進(jìn)行模擬，橋塔、主梁、橋墩互相之間的固結(jié)則通過彈性/剛性連接控制自由度進(jìn)行模擬。其中固定支座約束6個(gè)自由度，固定鉸支座則只放松y向（繞橫橋向）轉(zhuǎn)動(dòng)，活動(dòng)鉸支座則放松x向（順橋向）位移、y向（繞橫橋向）轉(zhuǎn)動(dòng)。斜拉橋塔梁墩固結(jié)需要采取共同節(jié)點(diǎn)，對(duì)所有自由度進(jìn)行剛性連接約束處理[5]，效果如圖4（a）所示。塔梁固結(jié)則需要將塔梁結(jié)構(gòu)置于橋墩支座上方，塔梁采取共同節(jié)點(diǎn)剛性固結(jié)，塔墩固結(jié)連接則采取模型中彈性連接里的剛性連接約束自由度進(jìn)行模擬，如圖4（b）所示。

圖4 結(jié)構(gòu)體系連接示意圖

項(xiàng)目依據(jù)相關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)行車荷載為公路I級(jí)，四車道汽車荷載施加，設(shè)計(jì)選取車道均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為-10.2 kN/m，集中荷載標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(jié)果分析

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

表1 塔梁墩固結(jié)力學(xué)指標(biāo)

結(jié)果表明，不同結(jié)構(gòu)固結(jié)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(shì)，這主要?dú)w因于邊中跨比增大會(huì)促使主梁降低其剛度。邊中跨比在0.3~0.15之間變化時(shí)，塔梁墩固結(jié)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(jié)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(huì)促使主梁中跨、邊跨跨中撓度增大，其中不同固結(jié)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(jié)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(jié)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(shí)主梁存在破壞風(fēng)險(xiǎn)。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(jié)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(jié)構(gòu)連接類型也具備最小的斜拉索應(yīng)力變化，主梁剛度較大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性明顯要好于其余結(jié)構(gòu)體系[7]。綜上所述，項(xiàng)目擬采取塔梁墩固結(jié)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比選，選取邊中跨比0.4。

表2 塔梁固結(jié)力學(xué)指標(biāo)

表3 塔墩固結(jié)力學(xué)指標(biāo)

4 結(jié)語

斜拉橋是我國橋梁工程建設(shè)中常見類型，這得益于其良好的造型及穿越能力。斜拉橋應(yīng)用數(shù)量不斷增多，其規(guī)模也越來越大。斜拉橋結(jié)構(gòu)體系不同會(huì)造成其內(nèi)力變化差異性明顯，針對(duì)斜拉橋不同結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)參數(shù)開展設(shè)計(jì)分析，能夠?yàn)楹罄m(xù)項(xiàng)目運(yùn)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(jìn)行力學(xué)響應(yīng)評(píng)價(jià)，獲取穩(wěn)定可靠的成果，希望能為類似工程建設(shè)提供理論參考。