鋼混組合梁斜拉橋成橋階段靜力分析研究

朱 磊 （中鐵二十四局集團(tuán)安徽工程有限公司，安徽 合肥 230023）

1 引言

近年來(lái)，獨(dú)塔斜拉橋以其結(jié)構(gòu)靈活、造型美觀、受力合理良好等特點(diǎn)在我國(guó)橋梁建設(shè)中尤其是在中大跨徑的橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的雙塔斜拉橋相比，獨(dú)塔斜拉橋結(jié)構(gòu)整體剛度較大，在成橋活載作用下，主梁變形及主塔的水平偏位都有所減少[1]，主梁最大撓度位置通常出現(xiàn)在拉索區(qū)，避免了在無(wú)索區(qū)形成拉彎區(qū)[2-4]，使主橋的受力性能更加合理。隨著現(xiàn)代斜拉橋跨徑的逐漸增大，主梁結(jié)構(gòu)形式逐漸從純混凝土梁向鋼混組合梁的形式發(fā)展，獨(dú)塔的體系也有不斷的創(chuàng)新，其中塔墩梁固結(jié)體系應(yīng)用最為廣泛。對(duì)于塔墩梁固結(jié)體系，鋼混組合梁的使用既能保證橋梁的整體剛度，又能提升跨越能力，但由于鋼主梁與混凝土主梁結(jié)合處的復(fù)雜構(gòu)造，也為橋梁的設(shè)計(jì)與施工增加難度與不確定性[5-8]。因此，本文以將軍嶺路橋?yàn)楸尘?，?duì)獨(dú)塔鋼混組合梁橋成橋階段的靜力性能進(jìn)行相關(guān)研究，為以后同類型橋梁的設(shè)計(jì)與施工提供相應(yīng)的借鑒與參考。

2 工程概況

將軍嶺路橋平面位于引江濟(jì)淮江溝通段 J32+230.1處，斜交角度6°。主橋起點(diǎn)樁號(hào) K1+873.500，終點(diǎn)樁號(hào) K2+153.500，全長(zhǎng)280m，跨徑布置為（29+30+36+185）m，主橋結(jié)構(gòu)形式為非對(duì)稱鋼混組合梁獨(dú)塔雙索面斜拉橋，橋梁整幅布置，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬度52.5m。主塔總體造型呈花瓶形狀，總高度為116m，鋼主梁與混凝土主梁均采用箱梁結(jié)構(gòu)，斜拉索采用扇形雙索面非對(duì)稱構(gòu)造形式，全橋斜拉索共設(shè)置28對(duì)。邊跨輔助墩及過(guò)渡墩采用柱式墩，主塔處橋墩采用承臺(tái)下接群樁基礎(chǔ)，樁基采用鉆孔灌注樁，按摩擦樁設(shè)計(jì)。將軍嶺路橋總體結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 將軍嶺路橋總體布置圖（單位：cm）

將軍嶺路橋主橋采用鋼混組合梁構(gòu)造形式，主跨全長(zhǎng)173m（含鋼混結(jié)合段），采用大懸臂展翅箱梁截面形式，截面如圖2所示，鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)度12.0m，全橋縱向共設(shè)置15片箱梁節(jié)段。鋼箱梁拉索錨固區(qū)位于外腹板鋼箱梁頂板處，采用錨拉板形式，主梁索導(dǎo)管橫向中心間距為36.0m，對(duì)稱布置。主跨鋼箱梁采用工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)采用支架節(jié)段拼裝的方案架設(shè)。邊跨主梁為混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，混凝土梁段總長(zhǎng)107m，截面采用單箱五室的大懸臂箱梁結(jié)構(gòu)，截面布置如圖3所示。箱梁截面總寬為52.5m，縱向每隔 6.0m 設(shè)置一道加勁板，加勁板厚度為50cm；斜拉索主梁錨固端標(biāo)準(zhǔn)間距為6.0m，端部4根斜拉索中心間距為5.0m，斜拉索穿過(guò)外腹板，在外腹板底面通過(guò)設(shè)置齒塊錨固，混凝土主梁采用滿堂支架現(xiàn)澆施工。

圖2 鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

圖3 混凝土梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

3 有限元模型

依據(jù)主橋設(shè)計(jì)資料，利用Midas Civil2019有限元軟件建立將軍嶺路斜拉橋主橋的三維空間模型，整體模型如圖4所示。其中，主塔、主梁等構(gòu)件使用三維彈性梁?jiǎn)卧M，斜拉索采用軟件中自帶的只受拉桁架單元模擬，考慮到該斜拉橋整體跨度較小，故不考慮斜拉索垂度對(duì)拉索剛度的影響；在模型邊界條件設(shè)置中，主塔底部單元采用固結(jié)，邊跨輔助墩支座采用一般連接進(jìn)行模擬，主跨梁段支座采用簡(jiǎn)支方式進(jìn)行模擬。對(duì)于斜拉索的邊界條件模擬，首先根據(jù)斜拉索在主塔和主梁處的錨固點(diǎn)位置建立節(jié)點(diǎn)，然后將拉索的錨固點(diǎn)與斜拉橋的主梁和塔柱進(jìn)行剛性連接來(lái)實(shí)現(xiàn)斜拉索的錨固。全橋共設(shè)置687個(gè)節(jié)點(diǎn)，508個(gè)單元，其中包括梁?jiǎn)卧?52個(gè)，桁架單元56個(gè)。由于本文主要針對(duì)成橋后的獨(dú)塔鋼混組合梁斜拉橋進(jìn)行分析，因此，模型的計(jì)算荷載主要包括結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力荷載、二期鋪裝、汽車和人群荷載、溫度荷載以及斜拉索索力等。其中，溫度荷載采用整體升降溫以及梯度溫度的方式進(jìn)行施加。參照主橋設(shè)計(jì)資料和《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》規(guī)定[1]，對(duì)于鋼箱梁部分，體系溫度按20°C考慮，升溫溫差值和降溫溫差值分別取26°C和29°C；混凝土構(gòu)件部分體系溫度取20°C，升溫和降溫溫差值分別取14°C和23°C；同時(shí)，梁梯度溫度荷載在定義時(shí)，也要按照相應(yīng)的規(guī)范執(zhí)行，其中混凝土部分按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）4.3.12條規(guī)定執(zhí)行，鋼箱梁梯度溫度參照BS5400執(zhí)行[2]。

圖4 將軍嶺路橋三維空間模型

4 靜力特性分析

獨(dú)塔鋼混組合梁斜拉橋?qū)儆诟叽纬o定結(jié)構(gòu)體系，任何一根索力的變化都會(huì)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布產(chǎn)生重要影響，因此，通過(guò)斜拉橋的合理的成橋狀態(tài)，確定斜拉索的初張力是斜拉橋設(shè)計(jì)和施工中非常重要的環(huán)節(jié)之一。斜拉橋合理的成橋狀態(tài)是指滿足主梁的撓度，主塔的水平位移盡可能小，主塔彎矩盡可能小，主梁內(nèi)力，斜拉索索力分布盡可能均勻的一種狀態(tài)。目前，斜拉橋合理成橋狀態(tài)的確定理論主要包括：簡(jiǎn)支梁法、橫載平衡法、剛性支撐連續(xù)梁法、最小彎曲能法，影響矩陣法等[3]。在本文中，斜拉橋的初拉力是在已知目標(biāo)成橋內(nèi)力的基礎(chǔ)上利用正裝迭代方法進(jìn)行計(jì)算，然后將得到的初拉力再次帶入模型，通過(guò)計(jì)算結(jié)果進(jìn)而驗(yàn)證主橋成橋狀態(tài)下的內(nèi)力是否合理。通過(guò)多次正裝迭代之后，成橋狀態(tài)下的索力逐漸向著目標(biāo)成橋索力靠近，誤差控制在3%以內(nèi)。由此所得斜拉橋在恒載和1/2活載作用下，鋼箱梁的最大豎向撓度為116mm，與設(shè)計(jì)信息中所預(yù)設(shè)的向上預(yù)拱度數(shù)值、形狀相符合，滿足設(shè)計(jì)條件要求。

4.1 斜拉索計(jì)算分析

經(jīng)過(guò)7次迭代，成橋后的斜拉索內(nèi)力與設(shè)計(jì)所給的成橋內(nèi)力值相接近，誤差在3%以內(nèi)，計(jì)算的斜拉索初拉力和成橋索力如圖5所示，其中，斜拉索的編號(hào)以主塔為中心，朝混凝土梁側(cè)斜拉索縱向依次編號(hào)為S1,S2，···，S14，朝鋼梁側(cè)斜拉索的編號(hào)依次為M1,M2，···，M14。經(jīng)計(jì)算結(jié)果可知，在考慮頻遇組合時(shí)，斜拉索的最大拉應(yīng)力為628.43MPa。依據(jù)《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D65-01-2007）中 3.4.1 規(guī)定，斜拉索的實(shí)際應(yīng)力不應(yīng)大于容許應(yīng)力 1860/2.5=744MPa，因此，可知斜拉索的內(nèi)力值滿足設(shè)計(jì)要求，且安全系數(shù)不小于2.5。

圖5 初拉力與成橋索力

4.2 主梁計(jì)算分析

將軍嶺路斜拉橋主橋設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為城-A級(jí)，為雙向8車道布置。在汽車荷載作用下，混凝土主梁上、下翼緣均承受壓應(yīng)力，上翼緣最大壓應(yīng)力為-0.82MPa位置在距邊跨混凝土主梁端部2/3處，下翼緣最大壓應(yīng)力為-3.44MPa，位于塔梁固結(jié)處，混凝土主梁段的計(jì)算結(jié)果如圖6所示；鋼箱梁上翼緣的最大壓應(yīng)力值為25.09MPa，下翼緣的最大壓應(yīng)力值為4.98MPa，均位于鋼混結(jié)合段處。主梁的最大豎向變形為153.23mm，主塔下部最大彎矩為2984.0kN·m，位于塔梁固結(jié)段位置處。斜拉索在移動(dòng)荷載作用下的應(yīng)力包絡(luò)圖如圖7所示，通過(guò)斜拉索在汽車荷載效應(yīng)作用下的最大應(yīng)力與最小應(yīng)力的差值可知，汽車荷載對(duì)跨中斜拉索應(yīng)力變化影響較大，對(duì)外側(cè)長(zhǎng)斜拉索應(yīng)力變化影響相對(duì)較小。另外，通過(guò)圖7可以發(fā)現(xiàn)，斜拉索M1處出現(xiàn)應(yīng)力突變現(xiàn)象，這主要是因?yàn)樵谟邢拊r(shí)，采用鋼主梁直接模擬鋼混結(jié)合段時(shí)，導(dǎo)致截面在M1處發(fā)生突變引起的。但在實(shí)際工程中，由于鋼混結(jié)合處存在過(guò)渡段，一般不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖6 汽車荷載作用下混凝土梁上下翼緣應(yīng)力圖

圖7 汽車荷載作用下斜拉索應(yīng)力值

在移動(dòng)荷載作用下，混凝土主梁的變形曲線如圖8所示，最大豎向撓度為7.07mm，鋼箱梁的豎向變形如圖9所示，最大豎向變形為153.23mm。根據(jù)《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D65-01-2007）可知，在汽車荷載作用下混凝土主梁和鋼箱梁的豎向變形均滿足要求[2]。

圖8 車道荷載作用下混凝土梁變形

圖9 車道荷載作用下鋼箱梁變形圖

溫度荷載作用下混凝土主梁的應(yīng)力值如圖10所示，通過(guò)圖10可知，環(huán)境溫度對(duì)混凝土主梁的上下緣應(yīng)力影響較小。在溫度荷載作用下，主梁縱向變形值如圖11所示，通過(guò)圖11可以發(fā)現(xiàn)，溫度變化對(duì)混凝土梁的變形影響較小，但對(duì)鋼箱梁的縱向變形影響較大，其中梯度升降溫對(duì)鋼箱梁位移變化影響最大，梯度升溫時(shí)，鋼主梁的最大上拱變形為45mm，梯度降溫時(shí)，鋼主梁的最大下?lián)献冃螢?1.68mm。

圖10 溫度荷載作用下混凝土梁應(yīng)力值

圖11 溫度荷載作用下主梁變形值

在正常使用極限狀態(tài)下，考慮頻遇組合時(shí)，混凝土主梁截面均為壓應(yīng)力，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖12所示。通過(guò)圖12可知，在正常使用極限狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力混凝土主梁的全截面都處于受壓狀態(tài)，其中最大壓應(yīng)力為-9.21MPa，符合設(shè)計(jì)要求。通過(guò)圖13可知，在基本組合作用下，鋼箱梁截面的最大拉應(yīng)力為45.9MPa，最大壓應(yīng)力為-74.08MPa，均小于Q345qD的設(shè)計(jì)強(qiáng)度值，滿足規(guī)范要求。

圖12 頻遇組合作用下混凝土梁應(yīng)力包絡(luò)圖

圖13 基本組合作用下鋼箱梁應(yīng)力包絡(luò)圖

4.3 主塔計(jì)算分析

斜拉索張拉完之后的主塔變形圖如圖14所示。通過(guò)圖14的主塔變形圖可以看出，在斜拉索張拉完成之后，主塔塔頂往混凝土梁側(cè)偏移57.34mm。在移動(dòng)荷載作用下，主塔的變形圖如圖15所示，通過(guò)圖15可知，主塔塔頂?shù)淖畲笏轿灰茷?4.15mm且往鋼箱梁側(cè)偏移，滿足在移動(dòng)荷載作用下主塔水平位移要小于H/400，即290mm的要求[4]。由上述計(jì)算結(jié)果可知，移動(dòng)荷載會(huì)使主塔朝主跨鋼梁側(cè)發(fā)生變形，而在二次調(diào)整拉索的索力時(shí)，可使索塔朝邊跨混凝土梁側(cè)預(yù)偏，當(dāng)預(yù)偏值大致為汽車荷載中最大組合作用下對(duì)索塔產(chǎn)生的變形值時(shí)，成橋后主塔往邊跨方向的預(yù)偏會(huì)與汽車荷載在主跨方向上產(chǎn)生的變形值相抵消，進(jìn)而減小主塔的變形，使結(jié)構(gòu)達(dá)到合理成橋狀態(tài)[5-8]。

圖14 拉索張拉完主塔變形圖（單位：mm）

圖15 汽車荷載最大作用下主塔變形圖（單位：mm）

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)獨(dú)塔鋼混組合梁斜拉橋在成橋狀態(tài)下靜力性能進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

①在已知成橋內(nèi)力的情況下，通過(guò)正裝迭代法可以快速、準(zhǔn)確地得到斜拉橋的初始索力，進(jìn)行多次迭代可以有效降低誤差值；

②溫度變化對(duì)混凝土梁的變形影響較小，但對(duì)鋼箱梁的縱向變形影響較大，其中梯度升降溫對(duì)鋼箱梁位移變化影響最大，梯度升溫時(shí)，鋼主梁的最大上拱變形為45mm，梯度降溫時(shí)，鋼主梁的最大下?lián)献冃沃禐?1.68mm；

③在斜拉索成橋階段進(jìn)行二次調(diào)索時(shí)，可通過(guò)預(yù)先設(shè)置主塔往邊跨的預(yù)偏值，降低汽車荷載對(duì)主塔順橋向偏位的影響；