塔底鉸接型獨塔斜拉橋施工階段力學(xué)特性分析

周勇軍，田瑞欣，吳領(lǐng)領(lǐng)，趙 煜

(長安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710064)

目前，獨塔斜拉橋以其獨特的受力方式、優(yōu)美多變的造型、良好的工作性能和成熟的施工技術(shù)，逐漸占據(jù)了城市和風(fēng)景區(qū)橋梁的一席之地[1]。

孫遠等[2]以某獨塔雙索面彎斜拉橋為例建立空間梁格模型，考慮了整個結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換施工過程中的多種非線性因素的影響，實測監(jiān)控數(shù)據(jù)與理論模型數(shù)據(jù)吻合較好；尹豪君[3]對無錫中央景觀步行橋施工過程中的力學(xué)行為進行追蹤分析，并考慮了結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)對不同施工階段的受力影響，分析結(jié)果與理論數(shù)據(jù)相符合；吳漢奇[4]對斜拉橋進行仿真分析，并考慮恒載、活載及風(fēng)荷載下的多種荷載組合的力學(xué)性能，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的強度、剛度以及穩(wěn)定性均滿足要求。李士博等[5]對某單塔斜拉橋進行動力試驗，試驗結(jié)果表明橋塔與承臺連接處最為薄弱；賀拴海等[6]對港珠澳工程青州航道斜拉橋進行力學(xué)性能研究，對施工階段進行仿真模擬分析，并考慮了結(jié)構(gòu)非線性的影響；李志剛等[7]研究某異形斜拉橋主梁簡潔有效的模擬方法，并通過環(huán)境振動試驗進行參數(shù)優(yōu)化，結(jié)果表明優(yōu)化后的模型能較真實地反映橋梁的實際狀態(tài)；池春等[8]以斜拉橋索塔塔冠為例進行應(yīng)力分析及優(yōu)化，提出采用自上而下逐漸減少的環(huán)向預(yù)應(yīng)力，索塔應(yīng)力分布更加合理；張明等[9]研究了盾構(gòu)近距離穿越對橋梁施工中樁基的影響，施工中橋梁樁基的應(yīng)力和變形提供預(yù)警值，施工和監(jiān)控提供理論指導(dǎo)；馮曉丹[10]對高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋進行了施工階段變形控制研究，基于有限元分析和實橋驗證，證明了線形控制的可靠性。

與現(xiàn)有的獨塔斜拉橋相比，斜拉橋是世界上少有的一座塔底采用萬向鉸的獨塔人行景觀斜拉橋，其體系輕盈，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為此通過有限元建模分析，探究施工過程中結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，相關(guān)研究結(jié)論可以為后續(xù)類似斜拉橋的設(shè)計和施工提供參考。

1 工程概況

該橋為三亞某空間曲面鋼箱梁斜塔人行景觀斜拉橋，其體系輕盈，造型優(yōu)美，橋梁直線長度約為250 m，橋面主梁寬度為7～21 m，主塔頂部距離地面約75.5 m，是一座獨塔萬向鉸景觀人行斜拉橋。大橋由主橋和引橋兩部分組成，主橋橋垮布置為99.8 m+51 m+25 m，引橋橋垮布置為27.4 m+30.2 m。

主梁平面為“Y”形曲線形變寬造型，主跨為整體式斷面，梁寬為7.2～11.7 m，主梁梁高0.88 m。橋塔為傾斜鋼塔，斷面為梯形，外形呈梭形，向河中(主跨側(cè))傾斜，傾角為60°，豎向高約73 m，總長84.6 m。斜塔通過球形鋼支座連接在基座上，塔身上設(shè)置觀光電梯，在塔柱中上部設(shè)置觀景平臺，觀景平臺直徑為26.7 m，高約3 m，質(zhì)量為75 t。全橋共36根斜拉索，其中8根背索為鋼絞線斜拉索，其余28根斜拉索為平行鋼絲斜拉索，橋塔根部設(shè)置萬向鉸，釋放塔底各向彎矩，而非傳統(tǒng)的底部固結(jié)形式，結(jié)構(gòu)體系新穎。圖1為該橋整體軸測圖。

圖1 整體軸測圖

2 有限元模擬

2.1 模型簡介

對該空間鋼曲梁獨塔斜拉橋采用橋梁專用有限元分析軟件MIDAS Civil，建立圖2所示的有限元模型。主梁采用梁格法建模，縱梁和邊梁采用梁單元模擬，橋面板采用板單元模擬，斜拉索采用索單元模擬，橋塔與觀景平臺均采用梁單元模擬。全橋共1 131個節(jié)點，2 656個單元，計算模型以順橋向為X軸，橫橋向為Y軸，豎向為Z軸。橋塔根部與基座鉸接，近塔處兩側(cè)主梁端部與梯道固結(jié)。

圖2 有限元模型

曲梁、斜塔均采用Q420鋼材，主梁支撐柱采用Q345鋼材，鋼材容重均為78.5 kN/m3。斜拉索采用抗拉強度不低于1 860 MPa鋼絞線和1 670 MPa平行鋼絲。全橋二期恒載參數(shù)如表1所示。

表1 二期恒載參數(shù)

2.2 施工階段模擬

計算模型中為準確模擬橋塔轉(zhuǎn)體、斜拉索張拉以及主梁滿堂支架施工等施工工序，依據(jù)實際施工過程，具體劃分為15個施工階段，具體施工階段劃分如表2所示。

表2 施工階段劃分

其中橋塔架設(shè)采用豎轉(zhuǎn)架設(shè)方案，張拉后地錨索采用南北兩側(cè)對稱一次張拉，主梁拉索采用兩側(cè)對稱依次向跨中掛索，對稱張拉方案。

2.3 索力優(yōu)化與調(diào)整

目前斜拉索的調(diào)索理論主要有剛性支撐連續(xù)梁法、零位移法、倒拆和正裝法、無應(yīng)力狀態(tài)控制法、內(nèi)力平衡法、影響矩陣法[11-12]。該斜拉橋結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，單一的調(diào)索理論無法滿足要求，故采用零位移法和影響矩陣法兩者結(jié)合的方式，以結(jié)構(gòu)內(nèi)力合理和成橋線形平順為基本原則進行調(diào)索。

3 施工階段力學(xué)特性分析

結(jié)構(gòu)形式不同的斜拉橋，施工過程不同，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀態(tài)不同[2]。為此研究該塔底鉸接型獨塔斜拉橋施工階段力學(xué)行為，為施工和監(jiān)控提供參考。

3.1 位移分析

圖3為塔頂三個方向隨著施工階段變化的位移，隨著3～6施工階段的增加，塔頂位移主要向邊跨側(cè)靠攏，同時帶動橋塔整體向上變形，由于后地錨索索力比較大，位移曲線較陡，隨著主梁拉索的張拉小，塔頂縱向位移曲線逐漸平緩向跨中側(cè)回落。在施工過程中，橋塔出現(xiàn)一定的橫向變形是由于：①南北側(cè)后地錨索的不對稱；②主梁拉索為非對稱空間曲面拉索；③橋塔中上部觀景平臺穩(wěn)定前地錨索的不對稱張拉。

圖3 施工過程中塔頂位移變化

主梁位移在整個施工階段變化不大，當主梁拉索張拉時出現(xiàn)約80 mm上撓位移，隨著二期鋪裝的增加，主梁位移回落在設(shè)計高程附近，可通過索力的微調(diào)整來保證成橋線形。無拉索梁段變形較小，有10～30 mm的變形，可通過設(shè)置預(yù)拱度調(diào)節(jié)主梁線形。

3.2 內(nèi)力分析

由于該橋結(jié)構(gòu)體系特點，結(jié)構(gòu)內(nèi)力隨施工階段變化規(guī)律復(fù)雜，故對橋塔彎矩與主梁軸力進行內(nèi)力分析。

3.2.1 橋塔彎矩分析

如圖4所示，橋塔在施工階段，最大彎矩和彎矩位置不斷在發(fā)生變化，第一個施工階段，斜塔僅受結(jié)構(gòu)自重的影響，最大彎矩出現(xiàn)在29.7 m處，橋塔呈現(xiàn)微小豎彎狀態(tài)。隨著后地錨索的張拉，最大彎矩出現(xiàn)在拉索錨固點附近，位于48.7 m處，此時彎矩幅值變化較大是由于背索索力較大。隨著主梁拉索張拉，最大彎矩位置在29.7 m處，且彎矩變化趨于平緩，此時橋塔呈現(xiàn)較明顯的豎彎狀態(tài)。最大彎矩點發(fā)生改變是由于該橋背索主梁拉索錨固點相同以及施工順序引起的，是該結(jié)構(gòu)特有的力學(xué)現(xiàn)象。設(shè)計和監(jiān)控時應(yīng)該特別注意這兩個位置的變形以及受力情況。

圖4 橋塔最大彎矩和對應(yīng)豎向位置

3.2.2 主梁軸力分析

對于空間曲線“Y”形主梁，選取以下8個代表性截面，查看其軸向受力情況，A截面為A′段主梁端部北側(cè)外緣邊梁處，B截面為A′段主梁端部中梁處，C截面為A′段主梁端部南側(cè)外緣邊梁處，D截面為B′段主梁端部中梁處，E截面為B′段主梁端部北側(cè)邊梁處，F(xiàn)截面為B′段主梁端部南側(cè)邊梁處，G截面為支柱上方主梁北側(cè)外緣處，H截面為支柱上方主梁中梁處。其中“Y”形主梁分離梁段北側(cè)為A′段主梁，南側(cè)為B′段主梁，其余為C′段主梁。主梁截面示意圖如圖5所示。

由于曲率的存在，主梁軸力對曲率較為敏感，同時主梁拉索為縱向單側(cè)拉索且橫向不對稱，故對圖5所示的8個代表性截面進行施工階段軸力分析，研究主梁拉索張拉對主梁軸力的影響。軸力影響結(jié)果如圖6所示，結(jié)果表明整體主梁軸力變化較為均勻，主梁曲率越小的截面，受張拉索力的影響越小，變化曲線越平緩。

圖5 主梁示意圖

圖6 施工過程中主梁軸力變化

如圖7所示，施工完二期后的軸力，A、F、G3個截面均位于主梁外邊緣處，軸向受拉，同一斷面，從主梁外邊緣向內(nèi)邊緣，結(jié)構(gòu)逐漸受壓。主梁同一斷面A、B、C3處軸力相差較大，這是由于A′段主梁曲率較大，橫向?qū)挾容^小，導(dǎo)致主梁應(yīng)力分布不均勻，軸力差距較大。

圖7 主梁軸力圖

3.3 應(yīng)力分析

3.3.1 橋塔應(yīng)力分析

橋塔應(yīng)力分析選取了橋塔中下部應(yīng)力最大位置處，橋塔上下緣的應(yīng)力，如圖8所示。橋塔上緣(塔背側(cè))應(yīng)力隨著施工階段的增加，應(yīng)力逐漸增大，橋塔下緣(塔腹側(cè))應(yīng)力在整個施工階段呈現(xiàn)波浪形，在結(jié)構(gòu)自重及張拉背索時出現(xiàn)應(yīng)力增大現(xiàn)象，其余階段應(yīng)力變化較為平緩。

圖8 施工過程中橋塔應(yīng)力變化

橋塔采用Q420鋼材，在整個施工階段，無論上下緣應(yīng)力均在安全合理的范圍內(nèi)，針對橋塔上下緣應(yīng)力差值較大的情況，橋塔壁厚采用不等厚結(jié)構(gòu)形式，上緣鋼板采用加厚設(shè)計。

3.3.2 主梁應(yīng)力分析

主梁應(yīng)力分析中選取圖5中8個截面進行應(yīng)力分析，應(yīng)力結(jié)果如表3所示，整個施工階段主梁應(yīng)力變化平緩，無應(yīng)力突變現(xiàn)象。應(yīng)力均滿足要求。

表3 施工過程中主梁應(yīng)力

3.3.3 斜拉索應(yīng)力分析

斜拉索選取南北兩側(cè)各一根背索N1、S1，應(yīng)力結(jié)果如圖9所示。南北兩側(cè)背索與橋塔并非對稱設(shè)計，而是與橋塔分別成不同的夾角錨固在橋塔上，北側(cè)斜拉索索力較南側(cè)稍大。在張拉南北兩側(cè)4對背索時，隨著其余3對背索的張拉，N1、S1背索應(yīng)力逐漸減少，曲線較陡，在張拉主梁拉索時背索應(yīng)力逐漸增大，曲線平緩。南北兩側(cè)拉索均采用抗拉強度為1 860 MPa鋼絞線，整個施工過程中拉索應(yīng)力均在2.5倍的安全系數(shù)范圍內(nèi)。

圖9 施工過程中斜拉索應(yīng)力變化

4 體系方案

橋梁方案設(shè)計之初，設(shè)有兩種結(jié)構(gòu)體系方案，分別是橋塔根部固結(jié)和鉸接兩種結(jié)構(gòu)形式。現(xiàn)列出兩種方案在二期鋪裝完成階段，即施工成橋后，橋塔在恒載作用下的最大位移、軸力、彎矩和應(yīng)力。表4為不同方案受力結(jié)果對比。

表4 不同方案受力結(jié)果對比

由表4可以看出，兩種體系橋梁成橋后橋塔頂部最大位移均超過55 mm，固結(jié)體系位移量略小于鉸接體系，這是由于固結(jié)體系剛度偏大。兩種體系橋塔最大軸力位于橋塔根部，均達到48 000 kN以上，由于橋塔是傾角為60°的斜塔且橋塔背索索力較大，背索、主梁拉索索力及恒載自重的軸向分力等作用使得橋塔根部產(chǎn)生較大的軸力作用。因此，采用鉸接體系時，橋塔根部基礎(chǔ)和橋塔支座設(shè)計時需要特殊設(shè)計和定制，鉸接體系由于塔根部鉸接釋放了彎矩，所以最大彎矩位于橋塔中下部，最大為15 762 kN·m，這是由于背索和主梁拉索處于同一錨固點，在索力和恒載作用下橋塔出現(xiàn)向下彎曲現(xiàn)象(此處縱向位移最大)，導(dǎo)致橋塔中下部出現(xiàn)最大彎矩，建議此處加強設(shè)計以及布置監(jiān)控測點實時監(jiān)測。鉸接體系橋塔中下部應(yīng)力較大且分布較為均勻，橋塔根部應(yīng)力為-120 MPa，全橋應(yīng)力最大處位于彎矩最大處稍下方，為-140 MPa，這是由于組合應(yīng)力既有彎矩的影響也有軸力的影響，故即不在橋塔根部也不在彎矩最大處位置。該橋在設(shè)計時，橋塔應(yīng)力最大處建議進行鋼壁加厚設(shè)計，監(jiān)控時建議布置應(yīng)力監(jiān)控測點。

固結(jié)體系可以減少橋塔整體約16%位移，軸力接近，差距不大，但是鉸接體系可以釋放背索和主梁拉索索力由于橋塔彎曲產(chǎn)生的巨大彎矩，同時可以減少主塔根部約41%的應(yīng)力。兩種設(shè)計方案對比發(fā)現(xiàn)，固結(jié)體系可以減少整體的位移量，但是鉸接體系可以釋放巨大彎矩，減少應(yīng)力，對結(jié)構(gòu)的整體受力更加有利。

5 結(jié)論

基于該塔底鉸接型獨塔斜拉橋施工階段的力學(xué)行為分析，得到如下結(jié)論。

(1)在張拉背索時，橋塔最大彎矩出現(xiàn)在背索錨固點處，在張拉主梁拉索時，最大彎矩出現(xiàn)在主梁拉索錨固點稍下位置，即29.7 m處，在主梁拉索錨固點下方呈現(xiàn)較為明顯的豎彎現(xiàn)象。

(2)主梁軸力在施工階段變化平緩，曲率對軸力的影響較為顯著，曲率越大，影響越大，出現(xiàn)曲率外側(cè)受拉，內(nèi)側(cè)受壓的力學(xué)狀態(tài)。

(3)橋塔在整個施工階段上緣應(yīng)力逐漸增大，下緣應(yīng)力穩(wěn)定在20～60 MPa，變化平緩；與橋塔應(yīng)力變化相比，主梁應(yīng)力變化更為平緩，多集中在10～40 MPa變化。背索應(yīng)力隨著其余拉索的張拉而逐漸減少，隨著主梁拉索的張拉逐漸增大，變化趨勢與拉力大小相對應(yīng)。

(4)兩種設(shè)計方案對比發(fā)現(xiàn)，固結(jié)體系可以減少整體的位移量，但是底部鉸接可以釋放巨大彎矩，減少應(yīng)力，對結(jié)構(gòu)的整體受力更加有利。