混凝土獨(dú)塔斜拉橋結(jié)構(gòu)參數(shù)對比分析

祁朝相， 張春明， 劉少天

(長安大學(xué) 公路學(xué)院， 陜西 西安 710064)

混凝土獨(dú)塔斜拉橋結(jié)構(gòu)參數(shù)對比分析

祁朝相， 張春明， 劉少天

(長安大學(xué) 公路學(xué)院， 陜西 西安 710064)

斜拉橋的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)以及混凝土收縮徐變均對斜拉橋的力學(xué)特性產(chǎn)生一定影響。以某已建獨(dú)塔斜拉橋?yàn)檠芯勘尘?，采用有限元程序Midas/Civil建立有限元對比分析計(jì)算模型，對獨(dú)塔斜拉橋結(jié)構(gòu)參數(shù)、收縮徐變進(jìn)行單因素敏感性分析，分析得出獨(dú)塔斜拉橋設(shè)計(jì)中的合理理論，為正確分析獨(dú)塔斜拉橋的正常運(yùn)營狀態(tài)下力學(xué)特性提供參考。

混凝土斜拉橋； 獨(dú)塔； 結(jié)構(gòu)參數(shù)； 收縮徐變； 力學(xué)特性

0 引言

橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)如主梁混凝土重度、收縮徐變、斜拉索剛度等參數(shù)的變化對混凝土斜拉橋的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。橋梁在實(shí)際施工過程中，由于各種原因，使得混凝土澆筑密度與設(shè)計(jì)有所差別，從而對斜拉橋主塔偏位、主橋撓度，以及其他力學(xué)性能產(chǎn)生影響；運(yùn)營期的混凝土斜拉橋受到收縮徐變效應(yīng)的影響，橋梁結(jié)構(gòu)的位移、力學(xué)特性處于不斷的變化中，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度會隨時間增加而有所下降，對橋梁結(jié)構(gòu)的適用性、安全性均有較大的影響；斜拉索的剛度會涉及到主梁、橋塔的剛度分配問題，從而影響斜拉橋的力學(xué)性能[1，2]。

針對上述三種問題，筆者通過對獨(dú)塔混凝土斜拉橋進(jìn)行分析，為正確分析獨(dú)塔斜拉橋在運(yùn)營狀態(tài)下的力學(xué)性能提供參考。

1 結(jié)構(gòu)模型

1.1 橋梁概況

某在建斜拉橋?yàn)樗汗探Y(jié)的兩跨獨(dú)塔混凝土斜拉橋，跨徑分配為113 m+53 m，主梁采用箱型截面形式，橋塔采用寶石型，全橋共設(shè)18對空間索。橋梁總體布置如圖1所示。

圖1 橋梁概況(單位： m)

1.2 結(jié)構(gòu)模型

對于該橋結(jié)構(gòu)模型，本文采用有限元分析軟件Midas/Civil按照實(shí)際施工過程模擬，其中全橋共建有208個單元，分116個施工階段。主梁、主塔采用梁單元進(jìn)行模擬，斜拉索通過恩斯特公式對拉索非線性進(jìn)行模量修正，采用桁架單元模擬。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析

2.1 主梁混凝土自重分析

由于在實(shí)際施工過程中，混凝土的澆筑密度不易控制，從而引起梁段的自重產(chǎn)生一定的偏差[3]，主梁的設(shè)計(jì)密度為2.6 g/cm3。對主梁的實(shí)際密度分別增減5%、10%時，對主梁施工最大懸臂狀態(tài)下的豎向位移值、索塔無索區(qū)水平位移值、斜拉索索力、主梁懸臂端最大彎矩應(yīng)力的變化量進(jìn)行對比分析，其結(jié)果如圖2～圖5所示。

由圖2～圖5可知，當(dāng)混凝土實(shí)際澆筑密度在±5%、±10%范圍內(nèi)變化時，主梁的撓度最大增大了85 mm；對于主塔的偏位影響較小；對于斜拉索索力的變化相對較大，主要集中在跨中部分。因此，在實(shí)際施工控制中，應(yīng)該將混凝土密度作為重要的控制參數(shù)。

圖2 主梁相對撓曲線

圖3 索塔無索區(qū)偏位差值

圖4 斜拉索索力變化值

2.2 主梁混凝土收縮徐變分析

收縮徐變的持續(xù)作用使混凝土斜拉橋的主梁影響不斷加大，筆者按照斜拉橋?qū)嶋H施工過程建模計(jì)算，均采用設(shè)計(jì)荷載計(jì)算了某大橋施工過程中最大懸臂狀態(tài)和成橋10 a后的狀態(tài)下，考慮收縮徐變和不考慮收縮徐變的效應(yīng)，通過對比2種不同狀態(tài)下的斜拉橋的最大撓度及斜拉索索力，分析收縮徐變對斜拉橋施工過程、成橋運(yùn)營階段的影響。

圖5 主梁懸臂端主應(yīng)力

由圖6、圖7知，混凝土收縮徐變對于施工最大懸臂狀態(tài)下的主梁撓度最大增加40 mm、索力變化最大60 kN，即混凝土收縮徐變對于施工最大懸臂狀態(tài)下的主梁撓度增加45%、索力增加4.3%。

圖6 最大懸臂狀態(tài)主梁撓度

圖7 最大懸臂狀態(tài)斜拉索索力差值

圖8 成橋10 a主梁撓度

圖9 成橋10 a斜拉索索力差值

由圖8、圖9可知，混凝土收縮徐變對于成橋運(yùn)營10 a的主梁撓度最大增加60 mm、索力最大變化為360 kN，即混凝土收縮徐變對成橋運(yùn)營10 a的主梁撓度增加51.2%、索力增加為17.3%。

2.3 主梁斜拉索剛度分析

斜拉索剛度的主要參數(shù)為結(jié)構(gòu)材料彈性模量。將中跨斜拉索鋼絞線的彈性模量增減5%、10%，通過計(jì)算分析得出主梁施工最大懸臂階段時的主梁最大豎向撓度、索塔水平位移值、斜拉索索力值、主梁應(yīng)力值，對比分析計(jì)算結(jié)果如下：

由圖10～圖13可知，斜拉索剛度對于橋梁施工最大懸臂狀態(tài)下的主梁撓度最大增加3 mm；塔端無索區(qū)偏位幾乎無影響；索力最大增大20 kN，相對變化值不到2%；因此，斜拉索剛度在施工過程中作為非敏感性參數(shù)控制。

圖10 主梁相對撓曲線

圖11 索塔無索區(qū)偏位相對值

圖12 斜拉索索力變化值

圖13 主梁懸臂端最大彎矩應(yīng)力

3 結(jié)語

通過混凝土斜拉橋結(jié)構(gòu)參數(shù)對比分析，可得出：

1) 在最大懸臂施工階段，主梁混凝土澆筑密度為施工過程中的敏感性參數(shù)，因此，在監(jiān)控過程中應(yīng)當(dāng)特別關(guān)注該類參數(shù)，以獲得更好的效果；斜拉索剛度作為非敏感性參數(shù)，對主梁結(jié)構(gòu)影響較小。

2) 混凝土收縮徐變不論是在橋梁的施工階段還是在成橋運(yùn)營階段都會引起主梁的持續(xù)下?lián)稀ｋS著橋梁建筑時間的增加，在持續(xù)性荷載作用下，主梁混凝土的彈性模量折減，從而引起主梁有效剛度折減，這額外增大了主梁的下?lián)稀?/p>

[1] 嚴(yán)國敏.現(xiàn)代斜拉橋[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，1996.

[2] 陳德偉，范立礎(chǔ)，張權(quán).獨(dú)塔斜拉橋的總體布置和參數(shù)研究[J].土木工程學(xué)報，1999(3)：34-40.

[3] 劉旭政，黃平明，許漢錚.獨(dú)塔斜拉橋參數(shù)敏感性分析[J].長安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007，27(6)：63-66.

2016-08-02

祁朝相( 1992-) ，男，研究方向: 橋梁工程。

1008-844X(2017)01-0096-03

U 448.27

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