宽箱梁矮塔斜拉桥受力性能分析

2011-08-08余晓琳

城市道桥与防洪 2011年12期

杨勇，余晓琳

(1.广州市市政工程设计研究院，广东广州 510060；2.华南理工大学交通学院，广东广州 510640)

0 前言

矮塔斜拉桥也称部分斜拉桥 ,是近些年来在斜拉桥基础上发展起来的一种新型的桥梁结构形式。就其结构特性而言 ,矮塔斜拉桥是介于连续梁桥与斜拉桥之间的一种新桥型 ,它采用了体外预应力束的思想，把梁体内的一部分预应力移到桥塔上。如果把连续梁桥归类于刚性桥型 ,把斜拉桥归类于柔性桥型 ,则矮塔斜拉桥为一种刚柔相济的新桥型[1]。它具有美观性、跨径布置灵活、施工简便以及经济性等特点。我国的矮塔斜拉桥虽然起步比较晚，但是今年来发展迅猛，在桥梁建设中有了广泛的应用。对于此种新桥型，施工仿真分析是对其进行施工控制的一种必不可少的技术手段。本文针对泸州茜草长江大桥运用MIDAS/Civil桥梁专业建模软件，对其整个施工过程进行了计算分析模拟。

1 工程概况

泸州茜草长江大桥位于泸州中心半岛及茜草组团中部、沱江汇入长江口上游约2.0 km处。其由跨江主桥、西岸引桥和东岸沙茜立交组成。大桥主线桥梁总长1 189 m，其中跨越长江主桥为128 m+248 m+128 m=504 m矮塔斜拉桥。桥塔为外张式曲杆门型结构，每个塔由两根塔柱和一根横梁组成，塔梁固接。桥宽34m，（桥塔处37 m），桥塔主塔结构高25 m。主梁采用预应力混凝土单箱4室截面，共5道腹板，其中，边腹板为斜腹板。端部梁高3.8 m，根部梁高9 m。斜拉索按扇形布置，角度从13.6°～25.8°不等，梁上水平间距8 m，塔上竖直间距1 m。桥型布置如图1所示。

图1 桥型布置图（单位：m）

2 仿真分析的建模

2.1 建模思路

根据各部分结构特点，茜草长江大桥主体结构可分为4部分：下部结构、混凝土主梁，主塔，斜拉索。下部结构、混凝土主梁、主塔采用梁单元模拟，斜拉索采用只受拉桁架单元模拟。主梁和斜拉索，主塔和斜拉索采用共节点，塔梁固结处理。针对斜拉桥的宽箱结构，建立混凝土主梁梁格模型，5片腹板模拟为5片虚拟纵梁，虚拟纵梁之间按等间距布设虚拟横梁，并在实际横梁处建立横梁结构。图2为空间梁格有限元模型。

图2 空间梁格有限元模型

2.2 施工过程阶段划分

该桥采用挂篮悬臂浇筑施工方法，在计算建模过程中，不但要考虑施工挂篮荷载对整体结构的影响，还要考虑施工过程中体系转换带来的应力变化和挠度变化。根据施工设计图提供的施工步骤，将整个施工过程主要考虑为35个施工阶段（见表 1）。

表1 全桥施工工况

3 分析计算结果

3.1 施工阶段应力分析

容易知道，在34#、35#阶段斜拉索应力最大，因此，取出34#、35#阶段斜拉索应力分析结果如表2所示。

表2 34#、35#阶段斜拉索应力（单位：Pa）

由表2可以看出，各斜拉索应力均远小于其抗拉强度设计值，在施工阶段斜拉索是安全可靠的。

根据计算结果，得到各阶段箱梁、主塔最大拉应力与压应力，如表3、表4所示。

从上述结果可以知道，箱梁和塔在施工阶段的最大拉应力，压应力都在规范允许之内，截面应力储备大，在施工监控过程中可以标高控制为主，但应注意应力突变情况。

表3 各施工阶段主梁应力（单位：MPa）

表4 各施工阶段主塔应力（单位：MPa）

表5 各阶段主梁轴力及轴力横向分布（单位：MN）

表6 各阶段主梁正弯矩及正弯矩横向分布（单位：MN·m）

3.2 主梁内力横向分布研究

对于宽箱梁矮塔斜拉桥结构，在建模时采用多虚拟横梁，多虚拟纵梁相结合的体系，当荷载作用其上时，由于横向联系的强弱不同，各主梁所分摊的荷载效应会有所不同，这样就产生了荷载的横向分布问题。分析施工过程中，各主梁的弯矩和轴力，得到了各阶段主梁的内力横向分布。

轴力在主墩墩顶位置处最大，主墩墩顶截面各主梁轴力如表5所示。

在各施工阶段，4#块附近正弯矩值为最大，列出各施工阶段4#块弯矩如表6所示。

表5、表6为各阶段主梁内力横向分布情况。表格中描述每片主梁内力绝对值。图3、图4为以1#梁为基准，将其他各梁内力做归一化处理，得到的每阶段主梁内力横向分布系数。

图3 轴力横向分布系数

图4 弯矩横向分布系数

分析图3，可以发现，在施工阶段20以前，边梁的轴力横向分布系数最大，说明在此阶段以前，由于斜拉索锚固于边梁附近，斜拉索的纵向水平分力对边梁的作用最大，导致边梁的轴向力较大。而在施工阶段20以后，斜拉索的纵向水平分力对结构轴力的影响在减弱，在预应力钢束的作用下，次边梁和中梁的轴力超过边梁的轴力。

根据计算结果，在施工阶段25以前，主梁正弯矩要大于负弯矩，而在施工阶段25以后，主塔位置处主梁有一个极大的负弯矩区段，随着悬臂的增加，负弯矩也随之增大。因此，在悬臂施工阶段，要密切注意负弯矩段主梁的应力变化情况，以免产生过大的拉应力以致主梁产生开裂缺陷。

分析表6，在全桥合龙以前，次边梁和中梁的正弯矩大于边梁的正弯矩，而在合龙以后，主梁的正弯矩有一个突然减小的过程，其中次边梁的变化最为明显，横向分布系数为最小，而中梁的横向分布系数依旧为最大。各主梁负弯矩值会达到一个最大值。在施工合龙时，一定要注意主梁的弯矩变化情况，避免因结构内力剧烈变化导致局部应力过大问题。