矮塔斜拉桥计算过程及方法浅析

2015-10-20白旦旦

城市道桥与防洪 2015年9期

关键词：活载成桥斜拉桥

白旦旦

(中国华西工程设计建设有限公司,广东广州 510600)

矮塔斜拉桥计算过程及方法浅析

白旦旦

(中国华西工程设计建设有限公司,广东广州 510600)

通过湖南一座新建的120 m+200 m+120 m预应力混凝土矮塔斜拉桥的计算分析过程,分别从初始平衡目标状态、不考虑时间依存效应的正装分析、考虑时间依存效应的正装分析,移动荷载工况分析等关键内容简要地阐述了矮塔斜拉桥的计算过程和计算方法,可为今后矮塔斜拉桥的设计提供计算上的参考。

矮塔；斜拉桥；计算；分析

0 引言

矮塔斜拉桥亦称为部分斜拉桥,是一种介于常规斜拉桥和连续梁之间的一种桥梁结构,与常规斜拉桥相比,塔较矮,主梁刚度较大,索仅起体外预应力作用,大部分荷载还是由主梁来承担［1］。因此在计算上同常规斜拉桥还是有不同的地方,本文主要从以下几个方面来分别阐述湖南一座新建的120 m+200 m+120 m预应力混凝土矮塔斜拉桥的计算分析过程,旨在积累工程经验,加强与同行交流。计算内容如下：

(1)初始平衡目标状态求解；

(2)不考虑时间依存效应的正装分析；

(3)考虑时间依存效应的正装分析；

(4)移动荷载工况分析。

1 初始平衡目标状态求解

根据《桥规》规定,结构计算模型、几何特性、边界条件等必须与实际结构相一致；结构计算模型必须能反映结构分阶段形成的特点,正确反映各重要工况下的结构特性及荷载状况［2］。

计算中实际建模时,将全桥划分为541个节点,502个单元,见图1。

图1 模型全图

在初始平衡状态的求解过程中,分别采用了弹性支撑连续梁法和最小弯曲能法,其初始平衡目标状态内力见图2、图3。

图2 弹性支撑连续梁法内力图(单位:kN·m)

图3 最小弯曲能法内力图(单位:kN·m)

从两种方法的计算结果可以看出,基本满足目标状态的塔直梁平要求,两种方法均都可行,但考虑到跨中主梁压应力储备大一点,故本桥采用弹性支撑连续梁法。

2 不考虑时间依存效应的正装分析

在确定了初始目标平衡状态后,通过建立一次落架的施工过程模拟,求解出索的无应力长度［3，4］,然后分别采用无应力长度控制法和体外力张拉控制两种方法来分别模拟施工阶段,施工阶段化分为62个阶段,对成桥状态进行分析对比,见图4、图5。

图4 无应力长度控制法成桥内力图

图5 体外力张拉控制法成桥内力图

从上面两种方法的计算结果对比可以看出,两种方法结果闭合,均可正确模拟施工阶段情况,但考虑到本桥为矮塔斜拉桥,斜拉索均为一次张拉到位,故采用体外力张拉法,从实际施工控制上更简单些,故本桥采用体外力张拉法来分阶段将相应索一次张拉到控制张拉力。

但在考虑边跨合拢和中跨合拢时,为了使主梁最终成桥状态与目标状态逼近,故按主梁悬臂端的无应力曲率为0 (Ry=0)来控制，因些边跨悬臂最外侧两根索及中跨悬臂最外侧两根索均需要二次调索,以使悬臂端Ry=0,采用试算的方法,本桥边跨合拢时,最外侧两根索的张拉力分别增加4 000 kN和3 000 kN，待边跨合拢后,合拢段混凝土强度达到设计要求且钢束张拉后放张；中跨合拢时,最外侧两根索的张拉力分别增加5 000 kN和4 000 kN，待中跨合拢合拢段混凝土强度达到设计要求且钢束张拉后放张,成桥主梁内力见图6。

图6 不考虑时间依存效应成桥主梁内力图(单位:kN·m)

从图6上看,成桥主梁成桥内力与目标状态逼近,满足设计要求。矮塔斜拉桥在由于主梁刚度较大,在悬臂端最外侧两根索局部索力增大的情况下,施工阶段主梁应力变化不大,结构较容易满足规范要求,较常规斜拉桥更容易控制。

3 考虑时间依存效应的正装分析

在上述阶段得到满意的成桥状态和各施工阶段主梁及主塔应力均满足规范要求的情况下,本次计算考虑时间依存效应,既考虑收缩徐变效应。成桥主梁内力见图7。

图7 考虑时间依存效应成桥主梁内力图(单位:kN·m)

从图7上看,成桥主梁成桥内力与目标状态逼近,考虑到运营后,除着主梁混凝土徐变的发展,跨中主梁将下挠,主墩将向跨中方向偏移,故在本阶段考虑在中跨合扰时,采用对顶的方法,使主墩预先向边跨方向偏移一定位移,待成桥运营一段时间后,主墩向河心偏位后,主墩受力更逼近于只受压构件,本桥采用8 000 kN的对顶力。

4 移动荷载工况分析

在成桥状态满足设计要求的情况下,需要考虑活载效应对桥梁的影响效应,由于索单元为非线性单元,无法按弹性理论进行线性叠加分析,故索单元按成桥阶段初始应力按等效桁架单元模拟来进行分析。活载产生的主梁内力见图8。

图8 活载产生的主梁内力图(单位:kN·m)

由于在桥梁运营阶段,汽车荷载会对拉索产生疲劳作用,因此需要对拉索进行疲劳强度设计,应以正常使用状态下的活载应力幅作为疲劳设计的荷载效应。通常部分斜拉桥的活载应力幅为一般斜拉桥的1/3～1/4。日本学者研究表明,日本的部分斜拉桥活载应力幅大都在50 MPa,少数达到30 MPa,国内部分斜拉桥中,漳州战备大桥为42 MPa，兰州小西湖黄河大桥为84.5 MPa,吴淞江大桥为82.3 MPa,而一般斜拉桥最大应力幅可达到150 MPa。本桥活载应力幅见表1。