橋塔參數(shù)變化對多塔斜拉橋整體剛度的影響

林玉森,信麗華

(石家莊鐵道學(xué)院,石家莊 050043)

橋塔參數(shù)變化對多塔斜拉橋整體剛度的影響

林玉森,信麗華

(石家莊鐵道學(xué)院,石家莊 050043)

橋塔是控制多塔斜拉橋整體剛度的關(guān)鍵部分,結(jié)合某黃河公路斜拉橋用有限元軟件 SAP2000進(jìn)行建模,計(jì)算分析了橋塔剛度及橋塔高度對多塔斜拉橋整體剛度的影響,得出橋塔剛度在一定范圍內(nèi)增加時對結(jié)構(gòu)位移影響非常顯著,并且得到橋塔高度變化對多塔斜拉橋影響的變化規(guī)律。

斜拉橋 橋塔 剛度 斜拉橋整體剛度

斜拉橋的整體剛度在很大程度上取決于主梁、橋塔及拉索三大構(gòu)件的布置,對于多塔斜拉橋來說,橋塔構(gòu)造對整橋變位的影響顯得更加重要。本文主要從橋塔的剛度和橋塔的高度討論橋塔對多塔斜拉橋整體剛度的影響。

1 計(jì)算模型、參數(shù)及計(jì)算方法

1.1 計(jì)算模型

以某一黃河公路大橋?yàn)楸尘敖⒘巳鐖D 1所示的分析模型。

圖1 加勁索的布置方式

基本模型 4-0：125+300+300+300+125(m)的四塔斜拉橋,橋面以上塔高 88.67 m;

模型 4-1：在基本模型 4-0的塔頂加水平加勁索;

模型 4-2：在基本模型 4-0的塔頂和相鄰塔橋面處加傾斜加勁索;

模型 4-3：125+300+230+300+125(m)的四塔斜拉橋,中間塔頂與相鄰中間塔橋面處加傾斜加勁索;

模型 4-4：通過增大基本模型 4-0的橋塔高度在中跨和次邊跨分別設(shè)置 5對重疊索,邊跨跨度不變,塔高由原來的 88.67 m曾到到 97.70 m;

模型 4-5：將基本模型 4-0的中跨跨度減小設(shè)置 5對交叉重疊索,其跨徑布置為 125+300+230+300+125(m)。

1.2 模型參數(shù)

主梁：所有模型的主梁斷面形式及尺寸都相同,如圖 2所示。

圖2 主梁截面形式及尺寸(單位：cm)

斜拉索：以中塔為例,斜拉索由塔根處向一側(cè)跨中處分別采用由 109根、127根、151根、163根、187根、199根 φ7 mm鍍鋅低松弛鋼絲組成的各種型號的拉索,抗拉強(qiáng)度不低于1 670 MPa,四塔的拉索選用型號均相同。加勁索均采用由 283根 φ7mm鍍鋅低松弛鋼絲組成的拉索,考慮拉索垂度的非線性影響,采用Ernst's公式修正。斜拉索和加勁索的的初張力經(jīng)換算后的初應(yīng)變值均為 -3.294×10-3。

1.3 計(jì)算方法

在 SAP2000有限元建模中,采用平面整體模型,主梁、拉索、主塔及橋墩均采用梁單元進(jìn)行模擬,彈性模量取 1.95×105MPa,考慮拉索垂度的影響采用Ernst's公式修正;塔梁連接處采用節(jié)點(diǎn)限制中的對等限制,將該處節(jié)點(diǎn)的 Z方向平動自由度處理為按同一個方向移動,其他自由度不受限制,模擬半漂浮體系斜拉橋。主梁兩端均為活動鉸支座,墩底為固結(jié)。考慮幾何非線(P-D效應(yīng))的影響。

為便于比較,計(jì)算時僅取計(jì)算模型在活載作用下的塔頂水平位移、塔根彎矩、跨中撓度和彎矩進(jìn)行分析。荷載采用《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTGD60—2004)中規(guī)定的公路一級車道荷載。該橋?yàn)榘塑嚨?考慮 0.5的折減系數(shù),并考慮 1.15的偏載系數(shù),得出施加于結(jié)構(gòu)上的均布荷載值為 48 kN/m,集中荷載值為1 656 kN。荷載工況為中跨布載、次邊跨布載、邊跨布載三種工況,取各種工況計(jì)算結(jié)果中荷載效應(yīng)最不利者進(jìn)行分析。

2 分析計(jì)算

2.1 橋塔剛度的影響

為考察橋塔剛度對多塔斜拉橋的影響,將改變?nèi)繕蛩膽T性矩,即將圖 1計(jì)算模型的全部橋塔的慣性矩從 83.2m4增大到 665.5m4,具體取值如表 1所示。保持梁和索等幾何參數(shù)不變,考察各模型在活載作用下的位移及內(nèi)力隨橋塔慣性矩增加時的變化趨勢。

表1 橋塔慣性矩

橋塔剛度變化對斜拉橋位移與內(nèi)力的影響見圖3、圖 4。從圖 3與圖 4可以看出,隨著橋塔慣性矩的增加,各計(jì)算模型的跨中撓度和塔頂水平位移均逐漸減小,當(dāng)橋塔的慣性矩在 250 m4以內(nèi)增加時,各計(jì)算模型的跨中撓度和塔頂水平位移減小的幅度均比較明顯;當(dāng)橋塔的慣性矩大于 400 m4后繼續(xù)增加時,各計(jì)算模型的跨中撓度和塔頂水平位移減小的幅度越來越小,并且,當(dāng)橋塔的慣性矩減小到一定程度后,結(jié)構(gòu)的位移將不再減小;而橋塔慣性矩的增大導(dǎo)致了橋塔塔根彎矩的增加,主梁彎矩降低,如圖 4(c)、(d)所示。

圖3 基本模型 4-0及模型 4-1的結(jié)構(gòu)位移與橋塔慣性矩的關(guān)系

橋塔剛度在一定范圍內(nèi)變化引起的位移變化情況見表 2。從表 2的位移減小百分率中可以看出,橋塔的慣性矩對基本模型 4-0的結(jié)構(gòu)位移影響最大,其次是模型 4-5,對其他模型的影響較小。

以上分析可以看出,并不是橋塔剛度越大越好,橋塔剛度增大將會帶來塔根彎矩的增大,所以,靠增大橋塔剛度來提高結(jié)構(gòu)整體剛度時,應(yīng)注意結(jié)構(gòu)內(nèi)力特別是塔根彎矩的變化。

2.2 橋塔高度的影響

取基本模型 4-0為分析對象,將計(jì)算模型的全部橋塔高度從 70.67 m增大到 110.67 m,考察結(jié)構(gòu)在活載作用下的位移及內(nèi)力變化趨勢。計(jì)算結(jié)果如表 3、表 4所示。

從表 3、4可以看出：隨著橋塔高度增加,中跨跨中下?lián)隙戎饾u減小,這是由于橋塔高度的增加使得拉索對梁的豎向支承力加大,降低了跨中撓度;由于橋塔水平位移增大使得上撓度并沒有減小,反而有增大的趨勢;中跨跨中正彎矩逐漸減小,而負(fù)彎矩逐漸增大,正、負(fù)彎矩絕對值之和基本保持不變;塔根彎矩逐漸減小。由此可見,只增加橋塔的高度對結(jié)構(gòu)整體剛度不是很有利。

圖4 計(jì)算模型的位移及內(nèi)力與橋塔慣性矩的關(guān)系

3 結(jié)論

1)當(dāng)橋塔的慣性矩在 250 m4以內(nèi)增大時,各計(jì)算模型的位移減小幅度比較明顯;當(dāng)橋塔的慣性矩大于400m4而繼續(xù)增加時,各計(jì)算模型的位移減小幅度就很小了。

2)增大橋塔高度可以降低多塔斜拉橋結(jié)構(gòu)的跨中下?lián)隙?但橋塔增高的同時也增大了塔頂?shù)乃轿灰?故當(dāng)采用增大橋塔高度的方法降低結(jié)構(gòu)位移時,就要處理好橋塔的剛度,否則會得不償失。塔較矮時,塔頂水平位移較小,尤其是中間塔頂水平位移;然而,對多塔斜拉橋來說,降低結(jié)構(gòu)位移的關(guān)鍵是控制中間塔的變位問題,所有的加勁方法都是圍繞這一核心進(jìn)行的。

表2 橋塔慣性矩由 171.50m 4增大到256.00m 4時各模型的位移減小百分率 %

表4 活載作用下基本模型 4-0的彎矩與橋塔高度的關(guān)系

3)通過對矮塔多塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)特性分析,可以看出矮塔斜拉橋以其塔矮梁剛的結(jié)構(gòu)特性,在同跨徑的多塔斜拉橋中容易獲得一個結(jié)構(gòu)整體剛度比較好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),值得進(jìn)一步研究。

[1]俞梅.多塔斜拉橋結(jié)構(gòu)特性分析[D].成都：西南交通大學(xué),2003.

[2]陶能遷,王福敏.提高 PC三塔斜拉橋整體剛度研究[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報,2007(2)：14-31.

[3]鄭春,劉曉東.論多塔斜拉橋的剛度[J].公路,2002(6)：98-100.

[4]高飛,陳淮,陳崢.矮塔斜拉橋的施工控制研究[J].鐵道建筑,2008(4)：1-3.

U448.27;U441

B

1003-1995(2010)03-0018-04

2009-08-05;

2009-12-20

林玉森(1971— ),男,黑龍江慶安人,副教授,博士。

(責(zé)任審編 孟慶伶)