矮塔斜拉橋斜拉索結(jié)構(gòu)體系研究分析

黃春亮

(中交通力建設(shè)股份有限公司 湖南分公司， 湖南 長沙 410009)

矮塔斜拉橋斜拉索結(jié)構(gòu)體系研究分析

黃春亮

(中交通力建設(shè)股份有限公司 湖南分公司， 湖南 長沙 410009)

以湖南省永州市在建的城南大橋?yàn)槔U述矮塔斜拉橋在斜拉索體系設(shè)計(jì)上的要點(diǎn)，并對其結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行力學(xué)性能分析，研究矮塔斜拉橋斜拉索體系在施工階段及運(yùn)營階段的應(yīng)力變化，為類似工程項(xiàng)目提供借鑒及參考。

橋梁設(shè)計(jì)； 斜拉橋； 矮塔； 斜拉索體系

0 引言

矮塔斜拉橋以其結(jié)構(gòu)自身“剛?cè)嵯酀?jì)”的力學(xué)性能，將整體剛度較大的預(yù)應(yīng)力混凝土主梁用來承擔(dān)大部分的豎向荷載，并用外部斜拉索改善梁體結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的一種橋型。斜拉索在這個(gè)結(jié)構(gòu)受力體系中，只起到一定的幫輔作用，主梁與斜拉索承受豎向荷載之比約為7∶3，致使其斜拉索的應(yīng)力幅往往不到常規(guī)斜拉橋的50%。故按照《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》的相關(guān)規(guī)定(4.3.3條)，矮塔斜拉橋的斜拉索一般只需按體外索進(jìn)行考慮設(shè)計(jì)，并將斜拉索設(shè)計(jì)容許應(yīng)力上限值提高到了0.6fpk。斜拉索體系總體設(shè)計(jì)計(jì)算仍是圍繞靜力強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度兩方面來研究分析。

1 斜拉索體系

矮塔斜拉橋的斜拉索體系由索塔錨固結(jié)構(gòu)、斜拉索索體結(jié)構(gòu)以及索梁錨固結(jié)構(gòu)三部分共同組成。見圖1。

圖1 矮塔斜拉橋斜拉索體系構(gòu)造圖

1.1 索塔錨固結(jié)構(gòu)

矮塔斜拉橋的斜拉索與橋塔最為常用的兩種錨固方式為：交叉錨固、貫通式索鞍錨固。由于交叉錨固方式是在橋塔兩側(cè)，將斜拉索交叉錯(cuò)開錨固于其上，致使橋塔會(huì)產(chǎn)生扭矩，目前國內(nèi)外的實(shí)例應(yīng)用相對較少，僅日本對少部分橋型進(jìn)行了研究試驗(yàn)設(shè)計(jì)。而采用貫通式索鞍錨固方式，可以增大斜拉索水平傾角、盡可能利用橋塔高度發(fā)揮斜拉索的作用，此種錨固方式最為常見。

常用的貫通式索鞍體系又分為兩種結(jié)構(gòu)：即雙套管(內(nèi)外管)結(jié)構(gòu)與分絲管結(jié)構(gòu)(圖2)。雙套管鞍座結(jié)構(gòu)在橋塔內(nèi)設(shè)置雙層弧形鋼管，由于內(nèi)、外管壁緊貼在一起，當(dāng)斜拉索鋼束從內(nèi)管穿過時(shí)，容易出現(xiàn)相互擠壓的現(xiàn)象，難以保證鋼絞線相互平行。且內(nèi)管注漿效果不佳，致使在內(nèi)外管鞍下應(yīng)力過大且受力不均勻，給橋塔接觸部位混凝土造成較大的負(fù)擔(dān)，容易產(chǎn)生局部開裂的問題。分絲管鞍座結(jié)構(gòu)能很好地規(guī)避掉雙套管鞍座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺點(diǎn)，將鋼絞線逐孔穿束、互不干涉，使得荷載平均分散，大幅縮減鞍座下接觸面的局部應(yīng)力出現(xiàn)相對匯集現(xiàn)象，改善混凝土橋塔錨固位置的受力狀態(tài)。且由于鋼絞線在分絲管穿束的過程中，保留了外包PE管，使得分絲管結(jié)構(gòu)在斜拉索防腐和未來施工換索都有明顯的實(shí)用價(jià)值。

圖2 鞍座結(jié)構(gòu)示意圖

分絲管一般采用20號鋼管作為主要材料，根據(jù)斜拉索在塔內(nèi)的曲率半徑放樣進(jìn)行單根熱彎成型制作。定位安裝需按橋梁設(shè)計(jì)圖上索鞍的標(biāo)高及位置參數(shù)來控制，保證索鞍兩端出口處中心線與拉索中心線重合，并且斜拉索在張拉施工后和索鞍中心線角度應(yīng)小于1°。

1.2 斜拉索

矮塔斜拉橋的斜拉索索體目前一般采用環(huán)氧噴涂鋼絞線作為主要材料。組成斜拉索索體的環(huán)氧樹脂全涂裝預(yù)應(yīng)力鋼絞線各鋼絲在使用時(shí)的懸鏈線擺動(dòng)條件下可相對滑動(dòng)，制作環(huán)氧涂層無粘結(jié)鋼絞線的外層護(hù)套材料常采用高密度聚乙烯(俗稱HDPE)。見圖3。

圖3 斜拉索結(jié)構(gòu)示意圖

斜拉索整索索力張拉精度要求控制在不超過設(shè)計(jì)索力的2%。斜拉索的軸向拉應(yīng)力會(huì)隨活載的變化而改變，為保證斜拉索的安全系數(shù)，目前斜拉索的應(yīng)力幅疲勞強(qiáng)度應(yīng)控制在250 MPa以內(nèi)。

1.3 索梁錨固

斜拉索通過橋塔上部的鞍座，采用兩端張拉同時(shí)錨固于主梁的頂板、橫隔板或者梁底等位置上，張拉位置的設(shè)置必須同時(shí)考慮斜拉索張拉施工的操作空間。

2 工程設(shè)計(jì)實(shí)例

城南大橋位于永州市冷水灘城區(qū)，上跨湘江，主橋?yàn)槿醒雴嗡髅姘崩瓨?，跨徑布置見圖4。主梁采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁，箱梁頂板寬34 m，底板寬26 m，兩側(cè)懸臂寬4 m。

圖4 主橋布置圖(單位： m)

主橋塔高21 m(不包括避雷針及防空燈高度)，斜拉索采用43φs15.2斜拉索。索體參數(shù)見表1，并對斜拉索采用四重防腐(環(huán)氧涂層、PE管、管內(nèi)油脂、HDPE外套管)。

城南大橋斜拉索仰角相對較小，在17.416°～24.406°之間。在橋塔上部設(shè)置分絲管錨固體系并采用單根可換式抗滑錨固裝置與之相配合，在主梁頂板處設(shè)置錨具型號為15-43的可換式拉索群錨錨固體系。

表1 斜拉索材料參數(shù)表

斜拉索梁上縱橋向布置間距為4 m、橫橋向布置間距為1 m，塔上縱、橫向布置間距均為1 m。主梁根部(橋塔支點(diǎn))兩側(cè)無索區(qū)、跨中無索區(qū)、邊跨無索區(qū)長度分別為：44.0、12.0、15.88 m。斜拉索預(yù)埋段鋼管高出梁面0.5 m，并采用不銹鋼管外包梁面斜拉索下端。斜拉索張拉施工后期均不作索力調(diào)整，全部采用一次張拉的方法。斜拉索編號均為從靠近塔根開始編號，即靠近塔根的斜拉索編號為1號索、2號索……，以此類推直到尾索，如圖5所示(W為西側(cè)、E為東側(cè))。

圖5 斜拉索編號布置圖

3 斜拉索結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

城南大橋主橋部分按實(shí)際施工工序劃分為22個(gè)施工階段，用橋梁結(jié)構(gòu)通用分析軟件Midas Civil將梁單元(橋塔、主梁、橋墩)和桁架單位(斜拉索)組合起來，對主橋進(jìn)行空間建模(如圖6所示)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算。主橋設(shè)計(jì)汽車荷載等級采用城市-A級，雙向六車道標(biāo)準(zhǔn)。全橋54對斜拉索初始張拉索力均取4 350 kN。考慮到主橋塔、梁與斜拉索索體采用不同的材料，需按±10 ℃考慮不均勻溫差在兩種材料上的作用。大橋工期相對較長，沉降在大橋合龍前基本完成，本次計(jì)算考慮主墩不均勻沉降2 cm，邊墩不均勻沉降1 cm。通過有限元軟件模擬主橋正裝施工，研究分析斜拉索在施工階段、成橋階段、運(yùn)營階段的應(yīng)力變化。

圖6 空間有限模型圖

3.1 斜拉索在施工階段的應(yīng)力計(jì)算分析

主要施工階段的斜拉索應(yīng)力值驗(yàn)算數(shù)據(jù)如下：

在邊跨合攏前(上合攏吊架)，斜拉索應(yīng)力值在616.3～783.8 MPa(圖7所示)，安全系數(shù)大于2.37。

圖7 邊跨合攏前斜拉索應(yīng)力圖

在邊跨合攏后，斜拉索應(yīng)力值在615.2～755.2 MPa(圖8所示)，安全系數(shù)大于2.46。

圖8 邊跨合攏后斜拉索應(yīng)力圖

在中跨合攏前(上合攏吊架)，斜拉索應(yīng)力值在625.7～795.8 MPa(圖9所示)，安全系數(shù)大于2.34。

圖9 中跨合攏前斜拉索應(yīng)力圖

在中跨合攏后，斜拉索應(yīng)力值在590.7～743 MPa(圖10所示)。安全系數(shù)大于2.50。

圖10 中跨合攏后斜拉索應(yīng)力圖

各個(gè)主要施工階段下，斜拉索的最大應(yīng)力值全部小于設(shè)計(jì)容許應(yīng)力值930 MPa(0.5fpk)，且安全系數(shù)均大于2(《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》 3.4.2條規(guī)定)，表明斜拉索結(jié)構(gòu)在施工過程中是安全可靠的。

3.2 斜拉索在成橋運(yùn)營階段應(yīng)力計(jì)算分析

按主橋施工工序正裝施工至成橋運(yùn)營階段后，在標(biāo)準(zhǔn)組合荷載作用下斜拉索的設(shè)計(jì)應(yīng)力見圖11。

圖11 標(biāo)準(zhǔn)組合下斜拉索應(yīng)力圖

由圖11顯示的數(shù)據(jù)得出，斜拉索設(shè)計(jì)應(yīng)力從1號索至9號索，均勻增大， 最大設(shè)計(jì)應(yīng)力出現(xiàn)在9號、11號橋塔邊跨尾索(9號索)，應(yīng)力值為820.9 MPa，安全系數(shù)為2.26，大于設(shè)計(jì)安全系數(shù)1.67，滿足《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》的要求。

3.3 斜拉索在成橋運(yùn)營階段活載應(yīng)力幅

活載應(yīng)力幅是橋梁在正常狀態(tài)運(yùn)營階段下，由活載實(shí)際(汽車荷載、人群荷載)隨機(jī)產(chǎn)生的循環(huán)應(yīng)力，直接對斜拉索結(jié)構(gòu)的影響。城南大橋活載應(yīng)力幅見圖12。

圖12 活載應(yīng)力幅圖

由圖12可知，城南大橋的斜拉索活載應(yīng)力幅變化均勻，長索應(yīng)力幅較大，短索應(yīng)力幅較小。其中應(yīng)力幅最大值出現(xiàn)在9、11號橋塔邊跨尾索上，應(yīng)力幅值57.9 MPa，最小值為18.3 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于250 MPa的設(shè)計(jì)應(yīng)力幅值，滿足規(guī)范對疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)的要求。

4 結(jié)語

斜拉索體系作為矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)重要的組成部分之一，常用的貫通式鞍座類似于設(shè)置斜拉索的轉(zhuǎn)向點(diǎn)，將斜拉索的水平分力和豎向分力傳遞到主梁上來共同承擔(dān)荷載作用。由于矮塔斜拉橋主梁的剛度一般較大，斜拉索累積的疲勞問題和活載應(yīng)力幅的影響相對常規(guī)斜拉橋較小。因此可以采用提高斜拉索的應(yīng)力上限的設(shè)計(jì)理念，將斜拉索的疲勞強(qiáng)度適當(dāng)降低，可以更好地發(fā)揮斜拉索材料的力學(xué)性能。

通過對城南大橋斜拉索體系的研究分析，可知其橋型整體結(jié)構(gòu)受力上對于斜拉索體系的依靠程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)斜拉橋，未來施工換索、維護(hù)相對較容易，將連續(xù)梁橋和斜拉橋的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢相互取長補(bǔ)短。隨著對矮塔斜拉橋斜拉索體系的研究和實(shí)例應(yīng)用不斷增多，這種橋型將在梁橋和斜拉橋跨度范圍之間占有一席之地。

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2016-10-08

黃春亮(1985-),男,工程師,主要從事橋梁勘察設(shè)計(jì)。

1008-844X(2017)02-0151-03

U 443.38

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