混凝土独塔斜拉桥结构参数对比分析
2017-05-24祁朝相张春明刘少天
祁朝相， 张春明， 刘少天
(长安大学 公路学院， 陕西 西安 710064)
混凝土独塔斜拉桥结构参数对比分析
祁朝相， 张春明， 刘少天
(长安大学 公路学院， 陕西 西安 710064)
斜拉桥的结构参数设计以及混凝土收缩徐变均对斜拉桥的力学特性产生一定影响。以某已建独塔斜拉桥为研究背景，采用有限元程序Midas/Civil建立有限元对比分析计算模型，对独塔斜拉桥结构参数、收缩徐变进行单因素敏感性分析，分析得出独塔斜拉桥设计中的合理理论，为正确分析独塔斜拉桥的正常运营状态下力学特性提供参考。
混凝土斜拉桥； 独塔； 结构参数； 收缩徐变； 力学特性
0 引言
桥梁结构的设计参数如主梁混凝土重度、收缩徐变、斜拉索刚度等参数的变化对混凝土斜拉桥的结构响应。桥梁在实际施工过程中，由于各种原因，使得混凝土浇筑密度与设计有所差别，从而对斜拉桥主塔偏位、主桥挠度，以及其他力学性能产生影响；运营期的混凝土斜拉桥受到收缩徐变效应的影响，桥梁结构的位移、力学特性处于不断的变化中，结构的强度和刚度会随时间增加而有所下降，对桥梁结构的适用性、安全性均有较大的影响；斜拉索的刚度会涉及到主梁、桥塔的刚度分配问题，从而影响斜拉桥的力学性能[1，2]。
针对上述三种问题，笔者通过对独塔混凝土斜拉桥进行分析，为正确分析独塔斜拉桥在运营状态下的力学性能提供参考。
1 结构模型
1.1 桥梁概况
某在建斜拉桥为塔梁固结的两跨独塔混凝土斜拉桥，跨径分配为113 m+53 m，主梁采用箱型截面形式，桥塔采用宝石型，全桥共设18对空间索。桥梁总体布置如图1所示。
图1 桥梁概况(单位： m)
1.2 结构模型
对于该桥结构模型，本文采用有限元分析软件Midas/Civil按照实际施工过程模拟，其中全桥共建有208个单元，分116个施工阶段。主梁、主塔采用梁单元进行模拟，斜拉索通过恩斯特公式对拉索非线性进行模量修正，采用桁架单元模拟。
2 结构参数敏感性分析
2.1 主梁混凝土自重分析
由于在实际施工过程中，混凝土的浇筑密度不易控制，从而引起梁段的自重产生一定的偏差[3]，主梁的设计密度为2.6 g/cm3。对主梁的实际密度分别增减5%、10%时，对主梁施工最大悬臂状态下的竖向位移值、索塔无索区水平位移值、斜拉索索力、主梁悬臂端最大弯矩应力的变化量进行对比分析，其结果如图2～图5所示。
由图2～图5可知，当混凝土实际浇筑密度在±5%、±10%范围内变化时，主梁的挠度最大增大了85 mm；对于主塔的偏位影响较小；对于斜拉索索力的变化相对较大，主要集中在跨中部分。因此，在实际施工控制中，应该将混凝土密度作为重要的控制参数。
图2 主梁相对挠曲线
图3 索塔无索区偏位差值
图4 斜拉索索力变化值
2.2 主梁混凝土收缩徐变分析
收缩徐变的持续作用使混凝土斜拉桥的主梁影响不断加大，笔者按照斜拉桥实际施工过程建模计算，均采用设计荷载计算了某大桥施工过程中最大悬臂状态和成桥10 a后的状态下，考虑收缩徐变和不考虑收缩徐变的效应，通过对比2种不同状态下的斜拉桥的最大挠度及斜拉索索力，分析收缩徐变对斜拉桥施工过程、成桥运营阶段的影响。
图5 主梁悬臂端主应力
由图6、图7知，混凝土收缩徐变对于施工最大悬臂状态下的主梁挠度最大增加40 mm、索力变化最大60 kN，即混凝土收缩徐变对于施工最大悬臂状态下的主梁挠度增加45%、索力增加4.3%。
图6 最大悬臂状态主梁挠度
图7 最大悬臂状态斜拉索索力差值
图8 成桥10 a主梁挠度
图9 成桥10 a斜拉索索力差值
由图8、图9可知，混凝土收缩徐变对于成桥运营10 a的主梁挠度最大增加60 mm、索力最大变化为360 kN，即混凝土收缩徐变对成桥运营10 a的主梁挠度增加51.2%、索力增加为17.3%。
2.3 主梁斜拉索刚度分析
斜拉索刚度的主要参数为结构材料弹性模量。将中跨斜拉索钢绞线的弹性模量增减5%、10%，通过计算分析得出主梁施工最大悬臂阶段时的主梁最大竖向挠度、索塔水平位移值、斜拉索索力值、主梁应力值，对比分析计算结果如下：
由图10～图13可知，斜拉索刚度对于桥梁施工最大悬臂状态下的主梁挠度最大增加3 mm；塔端无索区偏位几乎无影响；索力最大增大20 kN，相对变化值不到2%；因此，斜拉索刚度在施工过程中作为非敏感性参数控制。
图10 主梁相对挠曲线
图11 索塔无索区偏位相对值
图12 斜拉索索力变化值
图13 主梁悬臂端最大弯矩应力
3 结语
通过混凝土斜拉桥结构参数对比分析，可得出：
1) 在最大悬臂施工阶段，主梁混凝土浇筑密度为施工过程中的敏感性参数，因此，在监控过程中应当特别关注该类参数，以获得更好的效果；斜拉索刚度作为非敏感性参数，对主梁结构影响较小。
2) 混凝土收缩徐变不论是在桥梁的施工阶段还是在成桥运营阶段都会引起主梁的持续下挠。随着桥梁建筑时间的增加，在持续性荷载作用下，主梁混凝土的弹性模量折减，从而引起主梁有效刚度折减，这额外增大了主梁的下挠。
[1] 严国敏.现代斜拉桥[M].成都：西南交通大学出版社，1996.
[2] 陈德伟，范立础，张权.独塔斜拉桥的总体布置和参数研究[J].土木工程学报，1999(3)：34-40.
[3] 刘旭政，黄平明，许汉铮.独塔斜拉桥参数敏感性分析[J].长安大学学报(自然科学版)，2007，27(6)：63-66.
2016-08-02
祁朝相( 1992-) ，男，研究方向: 桥梁工程。
1008-844X(2017)01-0096-03
U 448.27
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