考虑几何非线性的超大跨度斜拉桥静力分析

罗晓峰

超大跨度桥梁结构的非线性研究主要涉及材料非线性和几何非线性两方面的内容。对于正常使用阶段的大跨度桥梁结构,一般不允许出现塑性变形,并且由于超大跨度斜拉桥是高次超静定的柔性结构,在施工过程和正常使用阶段,结构体系均在几何非线性状态下工作,因此对苏通大桥主桥的非线性静力分析主要从几何非线性的角度进行研究[1]。为了精确分析苏通大桥主桥在各种荷载下的静力响应,本文用MIDAS程序按有限位移理论分析计算,主要考虑的非线性因素有：大位移、P—Δ效应和斜拉索垂度[2],其间采用斜拉桥的“正装分析法”进行桥梁施工控制的全过程非线性模拟计算,包括结构从施工过程到成桥阶段的内力、应力、变形、索力等,综合研究了几何非线性因素对结构受力的影响。

1 工程背景

苏通大桥位于长江下游,临近长江入海口,是目前世界上最大跨度双塔双索面斜拉桥,主桥跨径为1 088 m。大桥桥位区江面宽约6 km,大桥全长 8 206 m。主桥钢箱梁共分为17种类型(A～O)、141个梁段,节段标准长度16 m、边跨尾索区节段标准长度12 m。标准梁段最大起吊重量约450 t;钢箱梁全宽41 m。塔柱采用倒Y形结构,分为下塔肢、中塔肢、上塔肢和横梁四部分。其中中、下塔肢为钢筋混凝土结构,上塔肢为钢锚箱—混凝土组合结构。钢锚箱分为A,B,C三种类型,共30节。索塔高300.4 m。斜拉索为φ 7平行钢丝体系,全桥共34×8=272根斜拉索。

2 全桥空间结构的几何非线性静力分析

用大型通用软件MIDAS对苏通大桥进行建模[3],采用“正装分析法”进行施工控制全过程的非线性模拟计算,包括结构从施工过程到成桥阶段的内力、应力、变形等。建模时,主桥按施工流程划分为301个施工阶段,其中一些典型的施工工况,包括最大双悬臂(第95个施工工况)、最大单悬臂(第294个施工工况)状态下的施工阶段(见图1,图2),以及二期恒载阶段(第300个施工工况)。

2.1 几何非线性下典型施工阶段的受力分析

施工过程(阶段1～阶段299)内力最大值、应力最大值分别列于表1～表4。

表1 施工过程主塔内力最大值

表2 施工过程主塔应力最大值

表3 施工过程主梁内力最大值

表4 施工过程主梁应力最大值

通过分析以上计算结果可知：在全桥的施工计算过程中(指阶段1～阶段299),主桥桥塔的应力变化范围为(正值为压应力,负值为拉应力)-1.35 MPa～12.89 MPa(因计算中没有考虑下横梁上的预应力钢筋和普通钢筋,故此处没考虑下横梁的应力状态);主梁(钢箱梁)的应力变化范围为(正值为拉应力,负值为压应力)-133.49 MPa～49.17 MPa;施工过程的结构应力满足要求。

2.2 几何非线性下成桥阶段的受力分析

成桥阶段(阶段300)指二期恒载施工结束阶段(见图 3),此阶段主塔、主梁及斜拉索的主要计算结果的最大值分析见表5～表9。

表5 成桥恒载状态索塔内力最大值

表6 成桥恒载状态索塔应力最大值

表7 成桥恒载状态主梁内力最大值

表8 成桥恒载状态主梁应力极值

表9 成桥恒载状态斜拉索应力最大值

通过分析以上计算结果可知：成桥时,两主塔塔顶各自向岸侧的纵桥向偏位量为10.0 mm;主桥桥塔的应力变化范围为(正值为压应力,负值为拉应力)0.17 MPa～11.24 MPa(因计算中没有考虑下横梁上的预应力钢筋和普通钢筋,故此处没考虑下横梁的应力状态)。主梁(钢箱梁)的应力变化范围为(正值为拉应力,负值为压应力)-100.66 MPa～14.99 MPa;成桥阶段计算所得斜拉索的平均应力(指同一根索中所有钢丝的平均应力)最大值为567 MPa;成桥恒载状态索塔未出现拉应力。恒载状态下,主梁弯矩较小,分布均匀,受力状态比较理想;索塔弯矩较小,斜拉索索力分布相对均匀;结构各构件的截面应力均满足要求。

3 结语

本文以苏通大桥为工程背景,应用大型通用软件MIDAS对其进行了施工过程和正常使用阶段的几何非线性静力分析,通过对计算结果的分析比较,发现结构在几何非线性因素的影响下,苏通大桥受力状态比较理想,所有结构的内力和应力均满足规范要求,通过对计算过程中内力、应力、变形等相关数据的分析,可以为此类桥梁的安全运营和管理提供依据和保障。

[1] 西南交通大学.苏通长江公路大桥主桥施工控制结构计算非线性分析报告[R].2006.

[2] 刘士林,侯金龙.斜拉桥[M].北京：人民交通出版社,2002.

[3] 匡树钧.斜拉桥施工监控技术[J].山西建筑,2008,34(8)：333-334.