輔助墩對(duì)PC獨(dú)塔斜拉橋受力影響分析

龐偉

(中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司,甘肅蘭州 730000)

輔助墩對(duì)PC獨(dú)塔斜拉橋受力影響分析

龐偉

(中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司,甘肅蘭州 730000)

獨(dú)塔不對(duì)稱斜拉橋由于邊主跨相差較大,理想的成橋狀態(tài)較難確定。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),邊跨設(shè)置輔助墩對(duì)這類斜拉橋的受力性能有顯著的改善作用［1］。借助大型有限元通用計(jì)算軟件MIDAS CIVIL,結(jié)合某PC獨(dú)塔不對(duì)稱斜拉橋?qū)嵗?計(jì)算分析了輔助墩對(duì)獨(dú)塔不對(duì)稱斜拉橋的受力性能影響,為同類斜拉橋的設(shè)計(jì)提供參考。

PC獨(dú)塔斜拉橋;輔助墩;斜拉索;內(nèi)力;變形

0 引言

近年來(lái),隨著斜拉橋建設(shè)水平的不斷發(fā)展,各種孔跨布置形式的斜拉橋應(yīng)運(yùn)而生。作為現(xiàn)代斜拉橋中最典型孔跨布置形式之一的獨(dú)塔雙跨式斜拉橋因其主孔跨徑較小,特別適用于跨越中小河流、谷地及交通道路。尤其是獨(dú)塔不對(duì)稱雙跨式斜拉橋,因其結(jié)構(gòu)合理、造型美觀,越來(lái)越多地出現(xiàn)在城市橋梁中。從力學(xué)行為上看,獨(dú)塔不對(duì)稱雙跨式斜拉橋因主、邊跨跨徑相差較大,特別是對(duì)于PC斜拉橋,由于邊主跨材料均為混凝土,無(wú)法通過(guò)配重來(lái)改善結(jié)構(gòu)受力,往往需要在邊跨梁端布置相當(dāng)數(shù)量的拉索,且最終受力性能不理想。根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),在獨(dú)塔斜拉橋的邊跨內(nèi)增設(shè)輔助墩后結(jié)構(gòu)的受力可以得到較大幅度的改善［2］。本文結(jié)合某PC獨(dú)塔不對(duì)稱斜拉橋?qū)嵗?分析了輔助墩對(duì)主梁、索塔以及斜拉索的受力影響。

1 工程實(shí)例

某橋梁為跨越季節(jié)性河流的城市橋梁,主橋結(jié)構(gòu)采用獨(dú)塔雙索面斜拉橋形式,引橋采用現(xiàn)澆箱梁形式,橋梁孔跨布置為:15.00 m(引橋)+ 105.00 m+87.00 m=207.00 m,橋型布置見(jiàn)圖1。

該橋結(jié)構(gòu)體系為獨(dú)塔斜拉雙索面飄浮體系,H型塔,塔高68.00 m,兩塔柱之間通過(guò)風(fēng)撐相連。塔身為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)?？v梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu),斜拉索錨固位置采用與橫隔板整體澆筑的錨固形式。橋塔兩側(cè)跨徑分別布置為105.00 m、87.00 m,其中在邊跨66.00 m與21.00 m位置設(shè)置輔助墩以改善結(jié)構(gòu)受力?？v梁與橋塔之間用斜拉索連接。橋塔左右兩側(cè)分別采用11對(duì)斜拉索。梁上索間距主跨8.00 m,邊跨輔助墩段3.00 m,其余段8.00 m。塔上索間距3.00 m。橋梁橋面全寬30.00 m,橫斷面布置為:3.00 m(人行道,包括欄桿)+2.00 m(索槽,包括防撞護(hù)欄)+ 2.50 m(非機(jī)動(dòng)車(chē)道)+15.00 m(機(jī)動(dòng)車(chē)道)+2.50 m (非機(jī)動(dòng)車(chē)道)+2.00 m(索槽,包括防撞護(hù)欄)+ 3.00 m(人行道,包括欄桿)=30.00 m。

主梁及橋塔采用C50現(xiàn)澆混凝土。斜拉索采用單根帶PE護(hù)套的鋼絞線作為索體受力材料,索體有多層介質(zhì)保護(hù),使斜拉索的耐久性和防腐性大大提高,并可以進(jìn)行單根鋼絞線更換。主梁預(yù)應(yīng)力采用φs15.2鋼絞線,包括縱向及橫向兩個(gè)方向。

2 斜拉橋空間有限元模型

斜拉橋是一種高次超靜定結(jié)構(gòu),其靜力和動(dòng)力結(jié)構(gòu)行為與一般橋梁有所不同。目前,斜拉橋最有效的結(jié)構(gòu)分析方法是有限元法。桿系結(jié)構(gòu)有限元法是對(duì)斜拉橋空間效應(yīng)的簡(jiǎn)化和近似,是一種行之有效的計(jì)算方法。它將結(jié)構(gòu)離散化,把索以直桿代替,垂度對(duì)變形的影響采用換算彈性模量的方法使之線性化,按小撓度理論進(jìn)行計(jì)算［3］。對(duì)于斜拉橋,首先是確定其合理的成橋狀態(tài),即合理的線形和內(nèi)力狀態(tài),其中最重要的是斜拉橋的初張力,然后通過(guò)施工階段的結(jié)構(gòu)分析,使結(jié)構(gòu)在施工階段和運(yùn)營(yíng)階段均達(dá)到合理狀態(tài)。一座斜拉橋理想的成橋狀態(tài)為:主塔不受或只受較小的彎矩作用;主梁彎矩均勻分布;主梁的變形最小;最終索力不集中在幾根拉索,而是均勻分布在每根拉索上。

圖1 橋型布置圖(單位:mm)

該橋結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)之初采用無(wú)輔助墩的常規(guī)布置形式,由于橋梁邊主跨相差較大,且邊主跨材料均為混凝土,無(wú)法通過(guò)配重來(lái)改善結(jié)構(gòu)受力,橋梁很難達(dá)到理想的成橋狀態(tài)。后經(jīng)過(guò)分析,改用增設(shè)輔助墩的布置形式,以改善橋梁的受力,力求達(dá)到較理想的成橋狀態(tài)。本文主要研究了輔助墩對(duì)斜拉橋成橋狀態(tài)的受力影響。

使用有限元法對(duì)斜拉橋進(jìn)行空間分析時(shí),需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間靜力離散。主梁通常被簡(jiǎn)化為“魚(yú)刺梁”模型［4］,斜拉索被簡(jiǎn)化為空間桿單元,橋塔通常被簡(jiǎn)化為空間梁?jiǎn)卧?。每根斜拉索采用一個(gè)桿單元模擬,主梁和橋塔采用梁?jiǎn)卧?在斜拉索和主梁之間使用主從節(jié)點(diǎn)。

本文采用大型有限元通用計(jì)算軟件MIDAS CIVIL建立了全橋三維模型,如圖2所示。主梁和主塔采用梁?jiǎn)卧M,由于該橋跨度不大,未考慮斜拉索的垂度效應(yīng),故斜拉索采用桁架單元。拉索和主梁聯(lián)系用剛性連接即主從約束。橫梁用加在主梁上的等效荷載模擬。

圖2 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型圖

針對(duì)輔助墩的設(shè)置,本文分析研究了兩種輔助墩方案［5］:不設(shè)輔助墩及邊跨增設(shè)一個(gè)輔助墩。輔助墩的作用通過(guò)一般支撐來(lái)模擬。

3 輔助墩對(duì)斜拉橋的內(nèi)力影響

由于斜拉橋成橋狀態(tài)下主梁內(nèi)力可通過(guò)調(diào)整斜拉索張拉力來(lái)調(diào)整,故本文主要針對(duì)在主梁內(nèi)力圖形狀相近的情況下輔助墩對(duì)橋塔、主梁和斜拉索的內(nèi)力影響。

3.1 輔助墩對(duì)橋塔、主梁的內(nèi)力影響

由圖3可以看出,通過(guò)增設(shè)輔助墩,在保證斜拉橋主梁內(nèi)力形狀合理的情況下,橋塔和主梁的內(nèi)力均有很大程度的改善。

圖3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖(單位:kN·m)

表1為輔助墩對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響比較表。從表1中可以看出,設(shè)置輔助墩后,橋梁橋塔和主梁的彎矩值大幅度下降,分別為不設(shè)輔助墩情況下相應(yīng)位置內(nèi)力的85.1%和88.1%,尤其是在設(shè)置輔助墩后,橋塔內(nèi)力以軸力為主,彎矩很小,這對(duì)于以受壓為主的橋塔來(lái)說(shuō)是比較有利的。總之,對(duì)于獨(dú)塔不對(duì)稱斜拉橋,尤其是邊主跨相差較大時(shí),設(shè)置輔助墩可以有效減小橋塔和主梁的彎矩。

表1 輔助墩對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響(單位:kN·m)

3.2 輔助墩對(duì)斜拉索的內(nèi)力影響

圖4為斜拉索內(nèi)力圖,圖5為輔助墩影響下斜拉索內(nèi)力對(duì)比圖。可以看出,對(duì)比不設(shè)輔助墩情況,輔助墩的設(shè)置大大減小了索塔尾索區(qū)斜拉索的內(nèi)力值,邊跨輔助墩一側(cè)斜拉索內(nèi)力值明顯減小,甚至最大索力由邊跨背索轉(zhuǎn)移到主跨邊索。同時(shí),在設(shè)置輔助墩之后,斜拉索受力較為均勻,達(dá)到了我們期望的狀態(tài)?？傊?輔助墩的設(shè)置對(duì)減小斜拉索的內(nèi)力值是有利的,這對(duì)均布斜拉索索力,避免出現(xiàn)過(guò)大背索有著極大的幫助作用。

圖4 斜拉索內(nèi)力圖(單位:kN)

圖5 斜拉索內(nèi)力對(duì)比圖(單位:kN)

4 輔助墩對(duì)斜拉橋的變形影響

由圖6可以看出,通過(guò)增設(shè)輔助墩,在保證斜拉橋主梁內(nèi)力形狀合理的情況下,橋塔和主梁的變形均有很大程度的改善。

圖6 結(jié)構(gòu)變形圖(單位:mm)

表2為輔助墩對(duì)結(jié)構(gòu)的變形影響比較表。從表2中可以看出,設(shè)置輔助墩后,橋梁橋塔和主梁的變形大幅度下降,分別為不設(shè)輔助墩情況下相應(yīng)位置內(nèi)力幅的98.2%和97.3%。可以說(shuō),對(duì)于獨(dú)塔不對(duì)稱斜拉橋,尤其是邊主跨相差較大時(shí),輔助墩對(duì)減小橋塔和主梁變形的影響是顯著的。

表2 輔助墩對(duì)結(jié)構(gòu)的變形影響(單位:mm)

5 結(jié)論

通過(guò)以上對(duì)斜拉橋增設(shè)輔助墩的分析,可以看出:(1)對(duì)于獨(dú)塔不對(duì)稱斜拉橋,尤其是邊主跨相差較大的情況,設(shè)置邊跨輔助墩可以降低橋塔和主梁的內(nèi)力,達(dá)到優(yōu)化的目的;(2)設(shè)置輔助墩可以減小斜拉索的內(nèi)力值,尤其對(duì)邊跨設(shè)置輔助墩一側(cè)的斜拉索效果非常明顯;(3)設(shè)置邊跨輔助墩還可以降低橋塔和主梁的變形,這對(duì)提高結(jié)構(gòu)剛度有積極意義。

綜上所述,對(duì)于獨(dú)塔不對(duì)稱斜拉橋,尤其是邊主跨相差較大時(shí),為了確定橋梁的合理成橋狀態(tài),往往通過(guò)設(shè)置強(qiáng)大的背索來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于有條件設(shè)置輔助墩的斜拉橋來(lái)說(shuō),輔助墩的設(shè)置對(duì)改善斜拉橋結(jié)構(gòu)受力不失為一種有效的手段。

［1］ 林元培.斜拉橋［M］.北京:人民交通出版社,2004.

［2］ 劉士林.斜拉橋［M］.北京:人民交通出版社,2002.

［3］ 嚴(yán)國(guó)敏.現(xiàn)代斜拉橋［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社,2000.

［4］ 周孟波.斜拉橋手冊(cè)［M］.北京:人民交通出版社,2004.

［5］ 裴炳志,葉見(jiàn)曙,李學(xué)文,等.輔助墩對(duì)大跨度高低塔PC斜拉橋的受力影響分析［J］.橋梁建設(shè),2005(6):23-26.

U448.27

A

1009-7716(2015)03-0054-03

2014-12-01

龐偉(1982-),男,甘肅武山人,工程師,從事橋梁、隧道工程設(shè)計(jì)研究工作。