大跨徑部分斜拉橋拉索橫隔板的構(gòu)造設(shè)計(jì)研究

趙 艷,羅富元,凌塑奇

(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,廣西 南寧,530029)

0 引言

部分斜拉橋是梁橋和斜拉橋的組合結(jié)構(gòu),與常規(guī)的斜拉橋相比,部分斜拉橋的拉索應(yīng)力幅較小,后期運(yùn)營(yíng)換索的費(fèi)用低;與梁橋相比,部分斜拉橋由于設(shè)置拉索,拉索可以作為體外預(yù)應(yīng)力,有效解決大跨徑連續(xù)剛構(gòu)后期運(yùn)營(yíng)中的跨中下?lián)?、腹板開(kāi)裂等常見(jiàn)病害[1-3]。部分斜拉橋?yàn)榱私档凸こ淘靸r(jià),減少后期運(yùn)營(yíng)成本,主梁往往采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。在拉索錨固位置處的主梁,受拉索集中力的作用,受力較為復(fù)雜[4-5]。在拉索錨固區(qū)采用合理的橫隔板構(gòu)造來(lái)改善該區(qū)域的應(yīng)力狀況,是工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[6]。本文以主跨為280 m的部分斜拉橋作為研究背景,采用不同的橫隔板設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比,從而得出最優(yōu)方案。

1 項(xiàng)目概況

培森柳江特大橋主橋?yàn)?145+280+145) m的雙塔單索面的部分斜拉橋。該橋是廣西賀巴高速公路的控制性工程,是目前在建的世界最大跨度的公路預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋。

2 橫隔板方案設(shè)計(jì)

該主橋箱梁寬度為29 m,截面形式為整幅單箱三室直腹板箱梁,中間箱室寬度為2.2 m,兩邊箱室寬度為7.15 m。

每個(gè)塔的拉索共23對(duì)。拉索錨固在主梁的中間箱室處,索力通過(guò)錨固區(qū)傳至梁體,在錨固區(qū)通常需要設(shè)置橫隔板來(lái)改善該區(qū)域的受力。由于本橋拉索錨固在中間箱室,中間箱室橫隔板設(shè)置為整體式橫隔板。為了研究邊箱室橫隔板的剛度對(duì)梁體應(yīng)力的影響,按照邊箱室橫隔板的挖空率由大至小,設(shè)置為以下3種方案。

方案一:采用整體橫隔板,僅在兩邊箱室橫隔板處各預(yù)留一個(gè)過(guò)人孔,該方案的橫隔板剛度最大。

方案二:邊箱室橫隔板在方案一的基礎(chǔ)上加大挖空率,采用橫隔板上緣厚2 m,兩側(cè)和下緣各厚0.5 m的回字形設(shè)計(jì)。該方案的橫隔板剛度較小。

方案三:考慮到拉索處橫隔板受力主要集中在上緣,邊箱室橫隔板只在靠近頂板的位置設(shè)置,高度為2 m。該方案的橫隔板剛度最小。

3個(gè)方案的橫隔板橫斷面如圖1～3所示。中橫隔板寬2.2 m,兩側(cè)邊橫隔板寬7.15 m。

圖2 橫隔板方案二示意圖(m)

圖3 橫隔板方案三示意圖(m)

3 計(jì)算模型

利用ANSYS軟件根據(jù)主梁、拉索處橫隔板結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸建立主梁節(jié)段實(shí)體模型,選取根部附近至第7根拉索附近共36 m長(zhǎng)主梁節(jié)段建立模型。根據(jù)3個(gè)橫隔板設(shè)計(jì)方案建立3種形式橫隔板節(jié)段實(shí)體模型并進(jìn)行分析。對(duì)于拉索齒塊部分單元采用實(shí)體單元并進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分,總體單元尺寸0.2m。對(duì)于預(yù)應(yīng)力索采用LINK8單元模擬。有限元模型(方案二、方案三僅示意1/2斷面)如圖4～6所示。

圖4 方案一有限元模型圖

圖5 方案二有限元模型圖

圖6 方案三有限元模型圖

本部分計(jì)算主要關(guān)注索力和車(chē)輛荷載作用橫隔板的局部應(yīng)力情況,考慮的荷載主要包括自重、收縮徐變、二期恒載、預(yù)應(yīng)力和汽車(chē)荷載。從全橋整體計(jì)算模型中提取成橋階段的梁端截面的軸力、剪力、彎矩等內(nèi)力結(jié)果,如表1所示。將內(nèi)力作為荷載邊界條件施加在局部分析模型中。拉索編號(hào)C1～C7按橋塔往跨中方向排序,如圖7所示。

表1 計(jì)算荷載取值表

圖7 拉索布置示意圖

計(jì)算荷載組合包括兩個(gè)工況:

(1)工況一:恒載+收縮徐變+預(yù)應(yīng)力+汽車(chē)橫向偏載。

(2)工況二:恒載+收縮徐變+預(yù)應(yīng)力+汽車(chē)橫向滿(mǎn)布。

4 三種橫隔板方案的受力分析

通過(guò)比較3種橫隔板方案的中橫隔板和邊橫隔板的主拉應(yīng)力S1、豎向拉應(yīng)力Sz、橫向應(yīng)力Sy,對(duì)橫隔板的受力進(jìn)行分析。同時(shí)為了評(píng)估橫隔板的剛度對(duì)主梁應(yīng)力的影響,提取頂板的橫向應(yīng)力St和底板的橫向應(yīng)力Sb進(jìn)行分析。為了對(duì)比不同拉索位置的橫隔板受力情況,選取了C1拉索橫隔板位置(靠近橋塔)、C7拉索橫隔板位置(靠近跨中)進(jìn)行分析,同時(shí)對(duì)比中箱室橫隔板(以下簡(jiǎn)稱(chēng)中橫隔板)和邊箱室橫隔板(以下簡(jiǎn)稱(chēng)邊橫隔板)的受力。分析結(jié)果見(jiàn)表2～4。

表2 C1拉索橫隔板位置的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表(MPa)

從表2、表3的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可看出:隨著箱梁橫向剛度減弱,方案一到方案三的橫隔板主拉應(yīng)力S1、豎向應(yīng)力Sz、橫向應(yīng)力Sy增加趨勢(shì)較明顯。例如C1拉索位置的邊箱橫隔板處主拉應(yīng)力S1由2.07 MPa增加至10.4 MPa,豎向應(yīng)力Sz由1.72 MPa增加至7.97 MPa,橫隔板的橫向應(yīng)力Sy由0.93增加至9.80 MPa。對(duì)比C1拉索和C7拉索橫隔板位置的應(yīng)力結(jié)果,可發(fā)現(xiàn)越靠近橋塔的位置,應(yīng)力值越大。

表3 C7拉索橫隔板位置的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表(MPa)

方案一采用挖空率較小的整體橫隔板,主拉應(yīng)力最大位置發(fā)生在中橫隔板拉索錨固點(diǎn)處。各拉索橫隔板位置的最大主拉應(yīng)力為2.07～3.52 MPa,越靠近橋塔處橫隔板應(yīng)力越大。主拉應(yīng)力主要分量為豎直方向。

方案二采用橫隔板挖空率加大,即橫隔板為回字形,橫隔板剛度較方案一弱,與方案一模型相比,最大主拉應(yīng)力也發(fā)生在中橫隔板位置,垂直于拉索錨點(diǎn)傳力方向的兩側(cè),主拉應(yīng)力峰值超過(guò)10 MPa,且橫隔板的豎向應(yīng)力和橫向應(yīng)力與方案一相比,亦有較大的增加。由表4可知,由于橫隔板的傳力作用減小,使主梁橫向兩側(cè)撓曲增大,底板的橫向拉應(yīng)力增大較為明顯,比方案一增加約2 MPa。

表4 主梁的橫向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表(MPa)

方案三采用取消靠近底板處橫隔板,即橫隔板為扁擔(dān)形,該方案橫隔板剛度最弱。模型三結(jié)果和模型二結(jié)果相比,除了橫隔板的主拉應(yīng)力、豎向應(yīng)力和橫向應(yīng)力均加大以外,相對(duì)于方案二的回字形橫隔板,底板橫向拉應(yīng)力為7.83 MPa,底板受力最為不利。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以某大跨徑部分斜拉橋?yàn)槔?通過(guò)采用實(shí)體有限元軟件,對(duì)不同形式拉索橫隔板進(jìn)行了受力分析,得到以下結(jié)論:

(1)隨著拉索處橫隔板挖空率加大,即箱梁的橫向剛度減弱時(shí),橫隔板的主拉應(yīng)力S1、豎向應(yīng)力Sz、橫向應(yīng)力Sy應(yīng)力均加大,箱梁的底板受力更為不利。故對(duì)于寬幅箱梁來(lái)說(shuō),加大橫隔板的剛度是有必要的,建議采用僅設(shè)置過(guò)人洞的整體式橫隔板。

(2)橫隔板的剛度對(duì)于主梁頂板橫向應(yīng)力影響不大,但對(duì)于梁底橫向應(yīng)力有較大的影響,隨著橫隔板橫向剛度減弱,梁底橫向應(yīng)力增加明顯。

(3)拉索錨固區(qū)處橫隔板的受力趨勢(shì)為越靠近橋塔位置的橫隔板應(yīng)力越大。