部分斜拉橋結(jié)構(gòu)體系受力性能分析

顏浩杰

（河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，鄭州 450001）

0 引言

部分斜拉橋是由上部結(jié)構(gòu)索、塔、梁的3種基本構(gòu)件和下部結(jié)構(gòu)墩臺(tái)、基礎(chǔ)組成的結(jié)構(gòu)體系，墩、塔、梁之間的結(jié)合方式是影響結(jié)構(gòu)各部分荷載效應(yīng)的最根本因素，三者之間不同的結(jié)合方式也產(chǎn)生不同的結(jié)構(gòu)體系［1-3］。結(jié)構(gòu)體系的選擇關(guān)系著橋梁結(jié)構(gòu)的受力性能是否滿足要求，尤其是在橋位處條件受限的情況下，結(jié)構(gòu)體系的選擇與優(yōu)化尤為重要。

文中依托某高速實(shí)際工程，建立有限元模型，對(duì)部分斜拉橋結(jié)構(gòu)體系的受力性能進(jìn)行分析，對(duì)比分析不同結(jié)構(gòu)體系橋梁結(jié)構(gòu)在成橋及運(yùn)營(yíng)階段不同工況下主梁的受力性能和主梁主塔的變形情況，對(duì)比剛構(gòu)體系的下部結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，討論與研究墩高受限情況下部分斜拉橋剛構(gòu)體系的下部結(jié)構(gòu)方案，提出解決思路。

1 斜拉橋結(jié)構(gòu)體系方案的選取

根據(jù)部分斜拉橋結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)和墩、塔、梁的結(jié)合方式，部分斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系可分為塔梁固結(jié)體系、支承體系和剛構(gòu)體系3種［4-8］。塔梁固結(jié)體系：塔梁固結(jié)、塔墩分離、梁底和橋墩之間設(shè)置支座，斜拉索為彈性支承，是一種主梁具有彈性支承的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。該體系的主要優(yōu)點(diǎn)是取消了承受很大彎矩的梁下塔柱部分，在主梁下設(shè)置支座，主梁受力均勻，整體溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)影響較小。但是該體系結(jié)構(gòu)整體剛度小，中跨荷載作用造成的主梁在墩頂處的轉(zhuǎn)角位移會(huì)導(dǎo)致塔柱傾斜，會(huì)使塔頂產(chǎn)生較大的水平位移，進(jìn)而進(jìn)一步增大了主梁的跨中撓度。該體系上部結(jié)構(gòu)荷載需通過(guò)支座傳遞到橋墩上，因此需要設(shè)置大噸位的支座。已建的部分斜拉橋多采用該體系，我國(guó)的漳州戰(zhàn)備橋、小西湖黃河大橋、離石高架橋；日本的蟹澤橋、士狩大橋、木曾川橋、揖斐川橋、新唐柜大橋均采用塔梁固結(jié)體系。支承體系：塔墩固結(jié)、塔梁分離，主梁在塔墩上設(shè)置豎向支承，支座均為活動(dòng)支座，這種體系接近主梁具有彈性支承的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。支承體系與梁塔固結(jié)體系主梁受力性能基本相同，但塔墩底部承受較大的彎矩。我國(guó)蕪湖長(zhǎng)江大橋采用的是支承體系，該體系在部分斜拉橋結(jié)構(gòu)中較少采用。剛構(gòu)體系：塔墩梁固結(jié)，這是一種主梁具有彈性支承的連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)剛度大，主梁和塔柱的撓度及變形均較小，不需要支座；但是固結(jié)處主梁負(fù)彎矩大，該體系對(duì)溫度變化敏感，橋墩高度不宜過(guò)小。同時(shí)該結(jié)構(gòu)體系動(dòng)力性能差，用于地震區(qū)及風(fēng)荷載較大的區(qū)域時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)力分析研究。剛構(gòu)體系也是部分斜拉橋采用較多的結(jié)構(gòu)形式。我國(guó)的同安銀湖大橋和日本的都田川橋、又喜納木橋是單塔雙跨部分斜拉橋，均采用是剛構(gòu)體系；日本的屋代南橋、屋代北橋、沖原橋、小田原港橋、保津橋、新名西橋等都是雙塔三跨部分斜拉橋，也均采用剛構(gòu)體系。

文中依托工程為某高速部分斜拉橋，該橋跨越南水北調(diào)總干渠，因周邊控制因素的影響，橋位處路線與南水北調(diào)總干渠斜交，且設(shè)計(jì)標(biāo)高較低，綜合考慮施工對(duì)干渠控制地帶的影響，該橋主跨跨徑為265m。

經(jīng)對(duì)比分析，確定該橋跨徑布置為143m+265m+143m，邊中跨比為0.539，上部結(jié)構(gòu)采用雙塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋。主梁采用單箱三室大懸臂變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，支點(diǎn)梁高8.5m，跨中梁高4.5m；箱梁頂板寬度為29.5m，懸臂長(zhǎng)4.8m，箱梁底板寬度15.698～18m。主塔采用鋼筋混凝土A型橋塔，塔高45m，布置在中央分隔帶上，與主梁固接。斜拉索為單索面，扇形布置，雙排布置在中央分隔帶上，每個(gè)塔上設(shè)有20對(duì)40根斜拉索，全橋共80根，斜拉索在主梁上縱向間距為4.0m和5.0m。

該橋初步擬定采用塔梁固結(jié)體系和剛構(gòu)體系。塔梁固結(jié)體系即支座方案，上部結(jié)構(gòu)主塔與主梁固結(jié)，墩梁間設(shè)置支座。因橋位處路線設(shè)計(jì)標(biāo)高較低、墩高受限，為深入論證剛構(gòu)體系，剛構(gòu)體系初步擬定兩種方案。剛構(gòu)方案一采用雙肢薄壁墩，雙肢間距為12m，墩身截面為15.5m×2m，墩高16m；剛構(gòu)方案2采用四肢薄壁墩，肢中心間距12m，主墩截面為15.5m×1.5m，墩高16m。

2 有限元建模

計(jì)算分析時(shí)采用限元軟件Midas/Civil建立有限元計(jì)算模型，上部結(jié)構(gòu)主梁、主塔及斜拉索采用相同的結(jié)構(gòu)尺寸及參數(shù)，對(duì)比分析結(jié)構(gòu)受力性能和變形情況。主梁和主墩采用變截面空間梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，劃分為488個(gè)梁?jiǎn)卧?；拉索采用桁架單元模擬，劃分為80個(gè)桁架單元；共計(jì)575個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算模型見圖1。

圖1 計(jì)算模型

有限元建模中，通過(guò)對(duì)主梁?jiǎn)卧┘宇A(yù)應(yīng)力荷載實(shí)現(xiàn)縱向預(yù)應(yīng)力鋼束的模擬，并計(jì)入預(yù)應(yīng)力損失及鋼束對(duì)截面剛度的影響。施工過(guò)程對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響十分重要，模擬全施工過(guò)程，模型通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)荷載的激活和鈍化實(shí)現(xiàn)混凝土澆筑、掛籃移動(dòng)、和龍配重等的模擬，并考慮混凝土收縮徐變的影響。在有限元模擬時(shí)，支座方案中支座采用彈性連接進(jìn)行模擬；剛構(gòu)方案為墩塔梁固結(jié)，塔梁連接通過(guò)共節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，墩底采用一般支撐進(jìn)行固結(jié)，墩梁固結(jié)通過(guò)彈性連接中的剛性連接實(shí)現(xiàn)。剛構(gòu)方案對(duì)下部結(jié)構(gòu)的剛度十分敏感，因此在進(jìn)行有限元分析時(shí)，對(duì)下部基樁也進(jìn)行了建模，樁土作用采用土彈簧模擬。塔梁固結(jié)處單元的劃分及各部連接的是模擬的關(guān)鍵，該處的模擬及單元?jiǎng)澐忠妶D2。

圖2 剛構(gòu)方案墩塔梁固結(jié)處模擬

3 不同工況下斜拉橋結(jié)構(gòu)體系對(duì)比

3.1 主梁受力比較

墩頂截面、邊中跨和龍段是主梁應(yīng)力最為敏感的截面，也是上部結(jié)構(gòu)驗(yàn)算的控制性截面，故選取墩頂截面、邊中跨和龍段作為控制截面進(jìn)行對(duì)比分析，主梁控制截面見圖3。

圖3 主梁控制截面

因橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)稱，故選取左邊跨和主跨8#墩部分的控制截面進(jìn)行對(duì)比分析，其中A截面為7#墩墩頂截面，B截面為左邊跨和龍段截面，C截面為8#墩根部截面（邊跨方向），D截面8#墩根部截面（主跨方向），E截面主跨跨中截面。

在施工階段，支座方案的主墩和主梁臨時(shí)固結(jié)，故支座方案和剛構(gòu)方案在施工階段的結(jié)構(gòu)體系一致。

文中重點(diǎn)對(duì)兩方案在成橋和運(yùn)營(yíng)階段的受力情況進(jìn)行對(duì)比分析，運(yùn)營(yíng)階段的驗(yàn)算工況如下：

工況1：支座沉降+恒載+汽車荷載。

工況2：支座沉降+恒載+汽車荷載+整體升溫+梯度升溫。

工況3：支座沉降+恒載+汽車荷載+整體升溫+梯度降溫。

工況4：支座沉降+恒載+汽車荷載+整體降溫+梯度升溫。

工況5：支座沉降+恒載+汽車荷載+整體降溫+梯度降溫。

支座方案和剛構(gòu)方案主梁控制截面在成橋和運(yùn)營(yíng)階段不同工況下的頂、底板應(yīng)力見圖4、圖5，圖中橫坐標(biāo)為不同工況下的各控制截面，縱坐標(biāo)為不同工況下各控制截面的應(yīng)力值，其中壓應(yīng)力為負(fù)值、拉應(yīng)力為正值。

圖4 主梁頂板應(yīng)力對(duì)比

圖5 主梁底板應(yīng)力對(duì)比

從圖中可知，剛構(gòu)方案1和剛構(gòu)方案2主梁應(yīng)力基本一致；邊墩墩頂、邊跨和龍段、主墩根部截面的邊跨方向的主梁頂?shù)装鍛?yīng)力，剛構(gòu)方案和支座方案的差別較?。坏窃诙樟汗探Y(jié)作用的影響下，主墩根部截面（主跨方向）和主跨跨中截面的主梁頂?shù)装鍛?yīng)力差別較大，剛構(gòu)方案較支座方案的應(yīng)力儲(chǔ)備有所減小。

3.2 主梁主塔變形比較

主梁的下?lián)虾椭魉淖冃我彩墙Y(jié)構(gòu)驗(yàn)算的一個(gè)重要指標(biāo)，故對(duì)主梁邊中跨的最大下?lián)狭亢椭魉數(shù)奈灰七M(jìn)行對(duì)比，分別對(duì)其在成橋后和短期效應(yīng)組合（工況3）下的變形情況進(jìn)行對(duì)比，主梁和主塔變形量見表1、表2。

表1 主梁最大下?lián)狭?mm

表2 主塔塔頂變形量 mm

經(jīng)對(duì)比分析，墩梁固結(jié)的剛構(gòu)方案的梁體下?lián)狭枯^支座方案的小，但二者差值不大，且均未超過(guò)規(guī)范容許值。

主塔塔頂變形方面，支座方案和剛構(gòu)方案的豎向變形基本一致。支座方案的8#墩設(shè)置固定支座，9#墩為活動(dòng)支座，因此主塔順橋向的變形量主要集中在9#墩上，故對(duì)支座方案和剛構(gòu)方案的主塔順橋向位移的合計(jì)值進(jìn)行對(duì)比。由于設(shè)置支座，支座方案的主塔塔頂順橋向位移較剛構(gòu)方案的大，剛構(gòu)方案中主墩剛度較小的方案2較方案1的塔頂順橋向位移小。

3.3 剛構(gòu)方案主墩受力對(duì)比

主墩的受力性能是剛構(gòu)方案驗(yàn)算的重要內(nèi)容，對(duì)剛構(gòu)方案主墩在成橋后和基本組合（工況1）下的受力情況進(jìn)行對(duì)比分析。

剛構(gòu)方案1和方案2下部結(jié)構(gòu)主墩編號(hào)分別見圖6、圖7，剛構(gòu)方案1墩高16m的主墩內(nèi)力見表3，剛構(gòu)方案2墩高分別為16、24m時(shí)主墩的內(nèi)力分別見表4、表5。

圖6 剛構(gòu)方案1主墩編號(hào)

圖7 剛構(gòu)方案2主墩編號(hào)

表3 剛構(gòu)方案1（墩高16m）主墩內(nèi)力

表4 剛構(gòu)方案2（墩高16m）主墩內(nèi)力

表5 剛構(gòu)方案二（墩高24m）主墩內(nèi)力

剛構(gòu)方案1和剛構(gòu)方案2主墩在收縮徐變、溫度荷載、基礎(chǔ)不均勻沉降的作用下，主墩內(nèi)力驗(yàn)算均不通過(guò)。經(jīng)進(jìn)一步驗(yàn)算，當(dāng)主墩高增加為24m時(shí)，主墩內(nèi)力驗(yàn)算方能通過(guò)，此時(shí)依托工程需在原地面下挖16m，對(duì)干渠影響大，施工難度大，造價(jià)高。

3.4 剛構(gòu)方案下部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為進(jìn)一步研究該橋在現(xiàn)有條件下剛構(gòu)方案的可行性，在墩高受限的情況下，為減小主墩剛度，主墩采用鋼箱-混凝土，并對(duì)主墩進(jìn)行切片。結(jié)合橋位處情況，墩高擬定為18m，中心間距12m，墩身切片，采用四肢，單肢壁厚分別取2、1.5、1.2、1m，墩身截面橫橋向?qū)挾热∠淞旱装鍖挕?/p>

在正常配筋情況下，剛構(gòu)方案在18m墩高采用四肢的情況下，4種壁厚的各肢截面裂縫寬度均大于0.2mm，超過(guò)規(guī)范要求；采用鋼箱-混凝土后，其承載力和裂縫驗(yàn)算均可滿足規(guī)范要求。

上部結(jié)構(gòu)驗(yàn)算中，持久狀況下的結(jié)構(gòu)抗裂驗(yàn)算和壓應(yīng)力驗(yàn)算是控制性驗(yàn)算，故選取單肢壁厚為1m和1.5m的四肢剛構(gòu)方案（18m墩高）的上部結(jié)構(gòu)控制性驗(yàn)算進(jìn)行對(duì)比分析，其上部結(jié)構(gòu)控制性驗(yàn)算結(jié)果見表6。

表6 單肢壁厚1、1.5m剛構(gòu)方案上部結(jié)構(gòu)驗(yàn)算 MPa

由表6可知，上部結(jié)構(gòu)主梁應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，單肢壁厚越小，下部結(jié)構(gòu)剛度也越小，上部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力儲(chǔ)備越大。

4 結(jié)語(yǔ)

文中通過(guò)對(duì)部分斜拉橋不同結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)上部和下部的受力性能進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)剛構(gòu)方案進(jìn)行對(duì)比論證，得出如下結(jié)論：

（1） 對(duì)于墩高受限的部分斜拉橋，在主梁受力方面，主墩根部（主跨方向）和主跨跨中截面的應(yīng)力剛構(gòu)體系較塔梁固結(jié)體系受力更不利，其他控制截面二者差別不大。

（2） 主塔變形方面，塔梁固結(jié)體系的平面變形較剛構(gòu)體系的大；且隨著主墩剛度的減小，塔頂平面變形增大。

（3） 剛構(gòu)體系對(duì)主墩墩高有較高的要求，為協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)變形、降低主墩剛度，除增加墩高外，還可采用墩身切片、縮小單肢截面的形式減小主墩的剛度，采用鋼箱-混凝土可有效增加主墩的承載力。采用墩身切片、鋼箱-混凝土的形式，為困難條件下剛構(gòu)體系橋梁的設(shè)計(jì)提供了一種新的解決思路。