懸挑環(huán)形廊橋靜力性能及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

劉爭輝，趙 峰，劉士清，劉 召

(1. 武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430065； 2. 湖北省建筑科學(xué)研究設(shè)計院，湖北 武漢 430071)

1 工程概況

某懸挑環(huán)形廊橋為人行景觀橋，位于山地峽谷地區(qū)，建設(shè)場地北側(cè)為坡度25°～30°山坡，東、西側(cè)為觀光道路，南側(cè)為高差約250m的懸崖，現(xiàn)場場地標(biāo)高為765.240～775.810m。該橋主塔為鋼筋混凝土門式橋塔，塔柱斷面尺寸為2m×2.5m，高25m，橋塔基礎(chǔ)由承臺及預(yù)應(yīng)力錨索組成，承臺平面尺寸為6m(橫橋向)×9m(縱橋向)×2.5m。主梁長52.5m，采用鋼桁架+玻璃面板的組合結(jié)構(gòu)體系，懸廊結(jié)構(gòu)采用(8+8+8)mm 3層夾膠鋼化玻璃作為橋面板，設(shè)2道1.5m×44.7m玻璃面主通道，主通道間設(shè)2道1.5m×15m玻璃面連廊，連廊相距12m，主通道端部設(shè)φ15.6圓環(huán)形玻璃觀景平臺。橋梁共布置14根φ80 650MPa 等強合金鋼拉索，主塔與懸廊間設(shè)3排(10根)斜拉索，主塔與錨碇間設(shè)1排(4根)斜拉索，主梁上斜拉索張拉點位于連廊端部及圓環(huán)形通道中心。全橋立面布置如圖1所示。

圖1 全橋立面布置

2 懸挑環(huán)形廊橋靜載試驗

該橋受建造地點險峻、結(jié)構(gòu)形式新穎及橋身選材自重小等因素影響，設(shè)計與建造難度大，為保證橋梁運營安全，有必要進行現(xiàn)場靜載試驗，以檢測施工質(zhì)量。為更準(zhǔn)確了解該橋結(jié)構(gòu)靜力特性，進行現(xiàn)場分級靜力加載，測得橋梁各加載工況下主梁撓度、斜拉索索力值、主塔位移及塔柱底截面應(yīng)力等結(jié)構(gòu)靜力參數(shù)指標(biāo)，并根據(jù)靜載試驗相關(guān)數(shù)據(jù)評估該橋整體受力狀況和結(jié)構(gòu)安全性能[1-4]。

常見的橋梁加載方式包括車輛、重物及反力架加載。由于該橋所處地理位置不便運輸重物，且人行橋無法采用車輛加載，考慮建設(shè)場地周邊取水便捷，采用水袋作為加載重物[5]。按內(nèi)力等效原則確定加載值，在玻璃廊道內(nèi)均布滿載，如圖2所示。根據(jù)加載水袋質(zhì)量分0.9，1.2，1.5kN/m23級加載。各工況下靜載試驗荷載效率均可滿足規(guī)范要求，效率系數(shù)取值為0.95～1.05[6-8]。

圖2 現(xiàn)場水袋加載

3 有限元模型

根據(jù)項目設(shè)計施工圖紙，結(jié)合現(xiàn)場靜載試驗，采用ANSYS有限元軟件對全橋進行三維有限元建模計算[9]，橋塔采用solid65單元，斜拉索采用link180單元，主梁采用beam188單元，玻璃橋面板采用shell181單元進行建模，全橋共10 350個結(jié)點(見圖3)。斜拉索、主梁與橋塔間采用節(jié)點耦合，承臺與基礎(chǔ)、斜拉索與錨碇均采用剛性連接。

圖3 全橋有限元模型

4 懸挑環(huán)形廊橋結(jié)構(gòu)靜力特性分析

模擬試驗工況與靜載試驗加載工況相同，各工況下橋梁結(jié)構(gòu)靜力參數(shù)實測值與有限元模擬值如表1所示，其中校驗系數(shù)為實測值與模擬值的比值。

表1 各工況下橋梁結(jié)構(gòu)靜力參數(shù)

由表1可知，各工況下主梁最大撓度、斜拉索最大索力、塔頂最大水平位移和塔柱底截面最大應(yīng)力的校驗系數(shù)均在通常值范圍0.80～1.00，說明模擬計算能很好地反映橋梁的靜力性能[10]。同工況下，主梁最大撓度計算值均大于理論值，說明結(jié)構(gòu)實際抗彎剛度大于理論抗彎剛度，卸載后主梁最大撓度值為1.0mm，相對殘余位移為7.25%，表明結(jié)構(gòu)的彈性工作性能較好，具有良好的彈性恢復(fù)能力。一定條件下索力與其振動頻率存在對應(yīng)關(guān)系，采用振動頻率法測斜拉索索力，根據(jù)弦振動理論推導(dǎo)出的工程常用斜拉索索力計算公式推算實測索力值，斜拉索索力設(shè)計值為500kN，在最大加載工況下，斜拉索最大索力為275.12kN，安全系數(shù)為1.8，具有足夠的索力儲備。塔頂最大水平位移僅1.0mm，說明橋塔整體剛度較好。塔柱底截面最大應(yīng)力為1 723.84kN， 說明各應(yīng)力測點水平較低，均小于材料容許應(yīng)力，橋塔在各工況加載情況下具有足夠的剛度儲備。綜上所述，該橋承載力滿足設(shè)計荷載等級要求，具有足夠的安全儲備。

為保證運營過程中該橋安全性和橋梁結(jié)構(gòu)耐久性，建議定期對鋼結(jié)構(gòu)進行防腐、除銹處理，對混凝土結(jié)構(gòu)開裂、玻璃面板破損情況進行檢測；設(shè)立永久水準(zhǔn)測量點，定期對主梁和橋塔進行撓度檢測，防止全橋出現(xiàn)較大變形，影響安全使用；加強對各受力控制截面的檢測與保養(yǎng)，同時在運營過程中限制通行人數(shù)，防止超載、偏載。

5 懸挑環(huán)形廊橋結(jié)構(gòu)靜力性能設(shè)計參數(shù)分析

5.1 橋塔結(jié)構(gòu)形式

實橋設(shè)計方案中主塔為鋼筋混凝土門式橋塔，為研究橋塔結(jié)構(gòu)形式對懸挑環(huán)形廊橋靜力性能的影響，將主梁以上橋塔部分改為H形、拱形橋塔結(jié)構(gòu)，其余各橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)不變進行數(shù)值模擬，與實橋設(shè)計方案進行對比(見表2)。由表2可知，橋塔結(jié)構(gòu)形式對橋梁靜力參數(shù)的影響并不明顯，說明橋塔結(jié)構(gòu)形式不是結(jié)構(gòu)設(shè)計的敏感性參數(shù)。門式、H形橋塔的各結(jié)構(gòu)靜力參數(shù)更相近，3種橋塔形式對斜拉索索力及塔柱底截面應(yīng)力的影響較小，采用拱形橋塔時，主梁撓度有一定程度優(yōu)化，因此，進行同類結(jié)構(gòu)設(shè)計時，建議采用拱形橋塔結(jié)構(gòu)。

表2 橋塔結(jié)構(gòu)形式變化對橋梁結(jié)構(gòu)靜力性能的影響

5.2 索區(qū)高度

索區(qū)高度為塔柱頂端設(shè)置的斜拉索區(qū)域最低高度，實橋索區(qū)高度為21m，由于受原橋塔高度限制，設(shè)置15，18m 2種索區(qū)高度與橋梁原設(shè)計方案進行對比(見表3)。

表3 索區(qū)高度對橋梁結(jié)構(gòu)靜力性能的影響

由表3可知，索區(qū)高度對全橋結(jié)構(gòu)位移及斜拉索索力基本沒有影響，但對橋塔受力有一定程度影響，越靠近橋塔底部，塔柱底截面應(yīng)力越大，說明索區(qū)高度對橋塔結(jié)構(gòu)受力影響較大，同類型橋梁橋塔設(shè)計時，應(yīng)采用較大的索區(qū)高度。

5.3 橋塔高度

橋塔高度為主梁以上部分的高度，實橋橋塔高度為25m，為保證主梁和斜拉索的布置不受橋塔高度影響，通過改變無索區(qū)塔柱高度調(diào)整橋塔高度，設(shè)置20，30m 2種橋塔高度與原設(shè)計方案進行對比(見表4)。由表4可知，橋塔高度對懸挑環(huán)形廊橋的結(jié)構(gòu)位移、斜拉索索力及橋塔應(yīng)力均影響較大。橋塔高度減小造成斜拉索豎向支撐減弱，索力顯著變化，當(dāng)橋塔高度減小10m，斜拉索最大索力增大77.4%，主梁最大撓度增加33.9%，塔頂最大水平位移增大1倍，塔柱底截面最大應(yīng)力增加36.4%。這說明矮塔橋?qū)蛄航Y(jié)構(gòu)受力影響較大，為改善該類橋梁結(jié)構(gòu)靜力特性，建議采用較大橋塔高度。

表4 橋塔高度對橋梁結(jié)構(gòu)靜力性能的影響

6 結(jié)語

以某懸挑環(huán)形廊橋項目為背景，研究各加載工況下全橋靜力特性，評估橋梁結(jié)構(gòu)安全性能，并討論橋塔結(jié)構(gòu)形式、索區(qū)高度、橋塔高度3個設(shè)計參數(shù)對懸挑環(huán)形廊橋靜力性能的影響，得出以下結(jié)論。

1)在滿足設(shè)計要求的靜載作用下，該橋結(jié)構(gòu)位移、索力值和橋塔應(yīng)力均能滿足規(guī)范要求，說明結(jié)構(gòu)具有足夠的強度、剛度和安全儲備。采用數(shù)值模擬得到的橋體位移、應(yīng)力和變形等參數(shù)信息，對橋梁設(shè)計校核、施工與檢測分析、保障橋梁結(jié)構(gòu)安全性能具有重要意義。

2)橋塔結(jié)構(gòu)形式對該類橋靜力性能影響不大，但根據(jù)有限元模擬的結(jié)構(gòu)靜力參數(shù)，考慮經(jīng)濟性因素，類似橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中拱形橋塔略優(yōu)于門式、H形橋塔；索區(qū)高度對撓度及索力值影響不大，但對橋塔受力影響顯著，應(yīng)采用較大的索區(qū)高度；橋塔高度對橋梁變形、斜拉索索力及結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響較大，在設(shè)計中應(yīng)避免矮塔橋，采用較大的橋塔高度。