高塔大跨PC斜拉橋穩(wěn)定性分析

楊相展, 馬建軍

(1.創(chuàng)輝達(dá)設(shè)計股份有限公司， 湖南 長沙 410004; 2.河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 洛陽 471023)

隨著高速公路向山區(qū)發(fā)展，特別是西部地區(qū)深溝大河的自然地形，橋梁規(guī)模不斷增大，斜拉橋作為千米級以下最具競爭力的大跨橋梁，近年來應(yīng)用越來越多，橋梁跨度、高度不斷刷新世界紀(jì)錄[1]。因?yàn)楦咚罂缧崩瓨驑蛩^高，梁體相對較輕，穩(wěn)定性問題尤為突出。顏鵬飛等[2]以某獨(dú)塔斜拉橋?yàn)檠芯繉ο?，采用Midas/Civil有限元軟件建立三維計算模型，對獨(dú)塔、邊跨合攏、成橋3個工況的穩(wěn)定進(jìn)行了分析。王明宏[3]以金沙江矮塔斜拉橋?qū)嶋H工程為背景進(jìn)行施工和運(yùn)營階段的穩(wěn)定性分析，各階段穩(wěn)定特征值均大于4。楊芬等[4]應(yīng)用Midas/Civil有限元軟件對某高速公路主跨330 m雙塔斜拉橋進(jìn)行了裸塔、最大懸臂階段、成橋運(yùn)營階段3個工況的穩(wěn)定性驗(yàn)算，3個階段均考慮了風(fēng)荷載的影響，穩(wěn)定系數(shù)也均大于4。

綜上所述，當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者就斜拉橋穩(wěn)定性進(jìn)行了大量的研究，但是對高塔大跨PC斜拉橋穩(wěn)定性研究還較少。本文以蘭海高速貴遵復(fù)線烏江特大橋?yàn)槔?，利用Midas/Civil有限元軟件建立三維計算模型，對高塔大跨PC斜拉橋進(jìn)行穩(wěn)定性研究。

1 工程概況

烏江特大橋位于尚稽鎮(zhèn)縣道002楠木渡大橋下游約450 m處，由北向南橫跨烏江，主橋中心樁號為K38+920.00。本橋?yàn)殡p塔雙索面PC斜拉橋，跨徑布置為(40 m + 110 m + 320 m + 110 m + 40 m)，主橋長620 m，塔墩處設(shè)支座，縱向按半漂浮體系設(shè)計。橋型布置圖如圖1所示。本橋已經(jīng)于2018年1月正式通車，建成后的實(shí)景圖如圖2所示。

圖1 烏江特大橋橋型布置圖

圖2 烏江特大橋?qū)嵕皥D[5]

主橋?qū)挾龋?.5 m(風(fēng)嘴)+0.2 m(檢修道欄桿)+1.457 m(拉索錨固區(qū))+0.393 m(防撞墻)+15.5 m(行車道)+1.5 m(防撞墻)+ 15.5 m(行車道)+ 0.393 m(防撞墻)+1.457 m(拉索錨固區(qū))+ 0.2 m(檢修道欄桿)+ 0.5 m(風(fēng)嘴)=37.6 m，烏江特大橋橋梁橫斷面圖如圖3所示。

圖3 烏江特大橋橋梁橫斷面圖

烏江特大橋索塔采用“H”型索塔，由上塔柱、中塔柱、下塔柱、上橫梁及下橫梁組成。遵義側(cè)承臺以上高度為143.1 m，貴陽側(cè)承臺以上高度為 197.1 m。索塔錨固區(qū)采用混凝土齒板錨固形式，塔柱截面中采用環(huán)向預(yù)應(yīng)力體系。

2 計算模型

2.1 有限元模型

本文利用Midas/Civil有限元軟件建立三維計算模型，全橋共分為1 198個節(jié)點(diǎn)、974個單元，其中梁單元774個、桁架單元200個。結(jié)構(gòu)有限元模型如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)有限元模型示意

主橋支座采用球型鋼支座，索塔處采用豎向QZ 15000SX雙向滑動支座，橫橋向采用KFQZ 8000SX雙向滑動支座作為側(cè)向限位支座；輔助墩頂設(shè)置QZ 15000SX雙向滑動支座；過渡墩頂豎向QZ10000SX雙向滑動支座，橫橋向采用KFQZ 2000SX雙向滑動支座作為側(cè)向限位支座。主梁在不同位置的約束條件如表1所示。表1中DX、DY、DZ分別代表順橋向、橫橋向和豎向的平動自由度，RX、RY、RZ分別代繞表順橋向、橫橋向和豎向的轉(zhuǎn)動自由度，1代表約束，0代表自由。

表1 計算模型邊界條件

2.2 計算荷載

(1)恒載。結(jié)構(gòu)自重按實(shí)際尺寸計算，瀝青混凝土鋪裝按24 kN/m3取值，箱梁混凝土按26.5 kN /m3取值，二期恒載按照實(shí)際計算[6]。

(2)風(fēng)荷載[7]。橋位處基本風(fēng)速為25.2 m/s，地表粗糙系數(shù)為0.16，橋面處基準(zhǔn)風(fēng)速為37.09 m/s。

(3)掛籃荷載。施工中前支點(diǎn)掛籃按2 000 kN設(shè)計，合攏吊架按1 000 kN設(shè)計。

3 穩(wěn)定性分析

斜拉索垂度效應(yīng)對斜拉橋成橋狀態(tài)的第一類穩(wěn)定性影響較小，分析過程可以忽略[8]。本橋分析時未采用斜拉索等效彈性模量，主要分析了施工階段的最大雙懸臂階段、最大單懸臂階段以及成橋狀態(tài)和運(yùn)營階段的第一類穩(wěn)定性問題。

3.1 施工階段穩(wěn)定性分析

施工階段穩(wěn)定計算選取施工過程中最不利的2個階段，即最大雙懸臂階段(工況一)和最大單懸臂階段(工況二)進(jìn)行分析，考慮自重、掛籃和風(fēng)荷載作為屈曲荷載。

最大雙懸臂施工階段(工況一)和最大單懸臂階段(工況二)前3階屈曲模態(tài)及穩(wěn)定系數(shù)如表2所示。工況一第1階失穩(wěn)模態(tài)如圖5所示，工況二第1階失穩(wěn)模態(tài)如圖6所示。

表2 施工階段穩(wěn)定系數(shù)及屈曲模態(tài)

圖5 施工階段工況一第1階失穩(wěn)模態(tài)

圖6 施工階段工況二第1階失穩(wěn)模態(tài)

3.2 成橋狀態(tài)穩(wěn)定性分析

成橋狀態(tài)穩(wěn)定性的計算考慮恒載和風(fēng)荷載作為屈曲荷載，前3階屈曲模態(tài)及穩(wěn)定系數(shù)如表3所示。工況二的第1階模態(tài)如圖7所示。成橋狀態(tài)考慮了2個工況，分別為工況一(恒載+縱向風(fēng)載)和工況二(恒載+橫向風(fēng)載)，從表3中可以看出風(fēng)荷載對穩(wěn)定系數(shù)影響不大。

表3 成橋狀態(tài)穩(wěn)定系數(shù)及屈曲模態(tài)

圖7 成橋狀態(tài)工況二第1階失穩(wěn)模態(tài)

3.3 運(yùn)營階段穩(wěn)定性分析

運(yùn)營階段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的計算考慮恒載、活載和風(fēng)荷載作為屈曲荷載，共考慮了以下4種工況，工況一：恒載+全橋滿布活載+風(fēng)載；工況二：恒載+半橋滿布活載+風(fēng)載；工況三：恒載+中跨滿布活載+風(fēng)載；工況四：恒載+邊跨滿布活載+風(fēng)載。前三階屈曲模態(tài)及穩(wěn)定系數(shù)如表4、表5所示。

表4 運(yùn)營階段穩(wěn)定系數(shù)及屈曲模態(tài)

表5 運(yùn)營階段穩(wěn)定系數(shù)及屈曲模態(tài)

對比表4、表5、表6，可以看出活載對斜拉橋的穩(wěn)定性影響不大，分析過程中可以忽略。

4 結(jié) 語

利用Midas/Civill有限元軟件建立了烏江特大橋的三維模型，對本橋施工階段的最大雙懸臂階段、最大單懸臂階段以及成橋狀態(tài)和運(yùn)營階段的第一類穩(wěn)定性問題進(jìn)行了分析。(1) 各階段穩(wěn)定性系數(shù)均大于4，安全儲備較高，滿足穩(wěn)定性要求。(2) 通過橫向風(fēng)荷載和縱向風(fēng)荷載的對比分析，可以得出風(fēng)荷載對穩(wěn)定系數(shù)影響不大。(3) 通過對成橋狀態(tài)和運(yùn)營階段各種工況的對比分析可知，活載對斜拉橋的穩(wěn)定性影響不大。本橋已經(jīng)于2018年1月正式通車，運(yùn)行良好，可為同類橋梁的穩(wěn)定性分析提供參考。