地锚式独斜塔斜拉桥刚构体系的受力分析

周玲玲

(闽南理工学院土木工程学院 福建泉州 362700)

地锚式独斜塔斜拉桥刚构体系的受力分析

周玲玲

(闽南理工学院土木工程学院 福建泉州 362700)

以贵州省已建的地锚式独斜塔斜拉桥为研究背景，运用有限元分析软件MIDAS/ CIVIL建立有限元模型，研究了桥塔日照温差、横向风、收缩徐变效应、主梁日照温差、体系温差、索梁温差及公路I级等7种荷载工况对独斜塔斜拉桥刚构体系受力性能的影响。研究表明：汽车荷载对塔梁受力性能及索力的影响最为敏感，其次是收缩徐变的影响。不同温度对塔梁内力及索力的影响各不相同且不容忽视；横向风主要影响主塔的受力性能，对主梁受力性能的影响较弱。

地锚式斜拉桥；独斜塔；刚构体系；变形；内力；索力

0 引言

20世纪60年代，世界上第一座主跨301m的独塔斜拉桥Severin桥在德国建成，至今为止，世界上已建成的斜拉桥中独塔斜拉桥约占1/6～1/4[1]。在随后的1981年，我国第一座独塔斜拉桥一四川金州县曾达桥建成，跨径39m+71m，据统计，目前我国已建成的独塔斜拉桥约占国内斜拉桥的1/3[2]。可知，独塔斜拉桥的发展虽然较滞后于双塔斜拉桥，但其后期发展还是比较迅速。独塔斜拉桥只有一座高耸的主塔，大多数情况下与周围环境易于融合在一起，造型轻巧且美观[3]。独塔斜拉桥既有混凝土梁，也有钢梁，但跨度都不大，由于其悬臂过长、重量过大，使得独塔斜拉桥难以向大跨度方向发展。日本学者研究认为：独塔斜拉桥，当其悬臂长度超过150m时，考虑用轻质混凝土梁来做超过部分，可获得经济效果。同时，主跨长与边跨短的预应力混凝土斜拉桥，将主梁采用轻质混凝土后，可以减少不平衡弯矩，更好发挥独塔斜拉桥的优势[4]。

斜拉桥结构体系研究目的是改善结构在静力、动力荷载作用下的反应,减小伸缩缝、支座等装置的位移量和动力磨损[5]。根据主塔与主梁连接方式不同，斜拉桥结构体系分为漂浮体系、支承体系、刚构体系及固结体系[6-9]。国内很多学者对结构体系开展了研究。史海涛[10]，张霞忠[11]都对矮塔斜拉桥的结构体系做了相关研究，朱斌[5]、苗家武[12]、陈忆前[13]及刘芳平[14]等也研究了大跨度直塔斜拉桥结构体系对结构受力性能的影响。而本文主要通过数值分析的方法对地锚式独斜塔斜拉桥的刚构体系进行受力分析，分析其刚构体系在不同荷载工况下的受力性能。研究结果可为类似工程的设计与施工提供参考。

1 芙蓉江大桥概况

芙蓉江大桥是一座单跨地锚式预应力混凝土独斜塔斜拉桥，塔墩梁固结体系如图1所示。主跨170m，主跨索间距为8m，采用对称的空间双索面呈扇型布置，共18对拉索，地锚索间距为1.65m，采用单索面呈竖琴型布置，共17根拉索，塔上拉索间距为1.5m～3.0m，拉索强度标准值1670MPa。主梁为预应力混凝土肋板式断面，采用C55高性能混凝土，横梁间距为8m，横梁间距与斜拉索索距相对应，为预应力混凝土结构，预应力钢绞线标准强度为1860MPa。桥塔采用倒“Y”形桥塔，C50混凝土，与水平向呈71.57°布置。地锚箱基本断面形式为单箱三室箱型截面，中间设两道0.6m的横隔板，中间锚室为斜拉索锚固区，锚索端构造采用凸齿式。主塔处承台采用C40混凝土，为整体式结构，承台尺寸为47×13.5m，高5m。主塔墩基础采用10根桩径4.0m的基桩，C30混凝土，顺桥向两排，一排采用竖向基桩，一排采用与竖向成20°的斜桩。

桥面全宽29.0m，双向六车道，设计荷载等级为公路-I级。

图1 斜拉桥总体布置图(单位：cm)

2 有限元模型建立及工况分析

2.1有限元模型

采用桥梁通用分析软件MIDAS/CIVIL建立芙蓉江大桥分析模型，如图2所示。主梁、主塔、承台、地锚箱及桩基础均采用杆系梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟。主梁采用鱼骨刺模型，横隔梁以集中力方式施加在主梁上。桩基础与土体之间采用弹簧单元模拟限制桩身水平和横向的位移，桩底采用固结，地锚箱与土体之间采用弹簧单元模拟限制其水平、横向及侧向的位移且约束绕竖向和横向的转动，斜拉索与主梁之间采用弹性连接中“刚性”，约束主梁端部的横向和竖向平动，其余构件之间均采用刚性连接。

对于桩-土及地锚箱-土相互作用，本文选用《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63-2007)[15]附录P中的“m”法来模拟，以弹簧单元模拟结构-土的相互作用。由于桩及地锚箱处于中风化灰岩中，岩质坚硬，岩体较完整，工程地质条件良好，岩石的饱和抗压强度标准值为55.52MPa，岩石地基抗力系数不随岩层埋深变化，因此根据上述地基规范取岩石地基抗力系数为15×106kN/m4[15]。

图2 斜拉桥有限元模型

2.2工况分析

主要在以下荷载工况下进行结构的受力分析：

(1)体系升、降温：按实际合龙温度15℃，经综合考虑后计算体系升温20℃，体系降温20℃；

(2)主梁与拉索结构温差：±10℃；

(3)主塔两侧温差：±5℃；

(4)收缩徐变：按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)[16]的相关规定进行计算，混凝土线膨胀系数取为0.00001；

(5)混凝土主梁梯度温差按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)[17]4.3.10条规定的梯度温度计算；

(6)风力：桥位处10m 高处100 年一遇基本风速24.9m/s。与汽车组合的风速按桥面高度处25m/s 计算，超过25m/s 不与汽车荷载组合。

(7)汽车荷载：按公路Ⅰ级荷载计算，考虑多车道折减系数，6 车道按影响线加载。

3 计算结果分析

分别在桥塔日照温差、桥塔受横向风、收缩徐变效应、主梁日照温差、体系温差、索梁温差及公路I级等7种荷载工况下对结构进行受力分析，分别取这些工况下结构最大计算结果的绝对值进行比较。为了研究方便，引入如下几个结构敏感参数：

(1)主梁竖向最大位移f1/(mm)；

(2)塔顶的纵向水平位移f2/(mm)；

(3)主梁跨内最大弯矩M1/(kN·m)；

(4)塔梁连接处主梁弯矩M2/(kN·m)；

(5)桥塔所受最大弯矩M3/(kN·m)；

(6)斜拉索最大索力值T/(kN)。

3.1不同荷载对结构变形的影响

分别在不同荷载工况下对刚构体系的塔梁变形进行对比分析，计算值如表1～表2所示。此处只给出最不利荷载工况对结构变形云图，公路I级和收缩徐变对主梁挠度、主塔偏位的影响如图3～图6所示。

表1 主梁挠度变形 f1/(mm)

表2 主塔偏位变形 f2/(mm)

由表1和表2可知，刚构体系的主梁挠度和主塔偏位在汽车荷载作用下都是最大的，其次是收缩徐变效应的影响，而主梁挠度在桥塔日照温差作用下最小，主塔偏位在主梁日照温差作用下最小。主梁挠度最大变化幅度为97.9%，主要是因为汽车荷载作用下，斜拉索索力变化最大，使得斜拉索对主梁的支承刚度最小，主梁产生的挠度最大，主塔最小偏位较最大值小了94.7%。说明汽车荷载对塔梁刚度的影响最大，其次是收缩徐变效应的影响，设计中应重点考虑汽车荷载和收缩徐变效应对塔梁变形的影响。

图3 公路I级对主梁挠度影响

图4 收缩徐变效应对主梁挠度的影响

图5 公路I级对主塔偏位的影响

图6 收缩徐变效应对主塔偏位的影响

3.2不同荷载对结构内力的影响

分别在不同荷载工况下对刚构体系的塔梁内力进行对比分析，计算值如表3～表5所示。此处只给出最不利荷载工况对结构变形云图，公路I级、收缩徐变效应和桥塔日照温差等对主梁弯矩、主塔弯矩的影响如图7～图10所示。

表3 主梁跨内最大弯矩值 M1/(kN·m)

表4 塔梁交接处主梁弯矩 M2/(kN·m)

图7 公路I级对主梁弯矩的影响

图8 收缩徐变效应对主梁弯矩的影响

图9 公路I级对主塔弯矩的影响

图10 桥塔日照温差对主塔弯矩的影响

由表3～表4可知，汽车荷载作用对主梁弯矩的影响最大，其次是收缩徐变效应的影响，索梁温差和主梁日照温差的影响也达到了较大，桥塔日照温差对主梁弯矩的影响最小。汽车荷载作用下，主梁跨内最大正负弯矩的最大变化幅度达到了97.9%和98.3%，而在收缩徐变作用下，主梁跨内最大正负弯矩最大变化幅度达到了96.4%和97.7%。这是因为汽车荷载作用使得主梁下缘受拉的程度最大，跨内弯矩达到最大，而塔梁交接处固结，使得该处的主梁上缘受拉程度最大，引起塔梁交接处的主梁弯矩最大。同时，该结构属于多次超静定结构，在收缩徐变作用下，限制了主梁的变形，使得在主梁内部产生了较大的次内力。结构设计中，汽车荷载反映了结构的合理性[18]，可通过降低汽车荷载对主梁内力的影响达到较为合理的结构形式，从而减小塔梁交接处的主梁弯矩，使得交接处的钢筋量大大减小，有利于结构的施工，同时收缩徐变效应、索梁温差和主梁日照温差对主梁内力的影响也非常大，也应予以重点考虑。

表5 主塔所受最大弯矩值 M3/(kN·m)

由表5可知，在汽车荷载和桥塔日照温差作用下，主塔的最大弯矩值基本相近，达到最大值，其次是收缩徐变效应、桥塔横向风和体系温差的影响，主梁日照温差的影响最小，主塔弯矩最大变化幅度值达到了96.8%。主塔不平衡弯矩最大，主塔受压性能最弱，因此主塔在汽车荷载和桥塔日照温差作用的影响下受力最差，设计中应重点考虑该工况对主塔内力的影响，而桥塔横向风、收缩徐变效应和体系温差的影响也不容忽视。

3.3不同荷载对拉索最大索力值的影响

分别在不同荷载工况下对刚构体系的斜拉索最大索力值进行对比分析，计算值如表6～表7所示。

表6 主跨斜拉索的最大索力值 T/(kN)

表7 地锚斜拉索的最大索力值 T/(kN)

由表6～表7可知,在汽车荷载作用下,刚构体系的主索和背索最大索力值均达到最大，其次是收缩徐变效应和索梁温差的影响，桥塔日照温差对主索最大索力值的影响最小，主梁日照温差对背索最大索力值的影响最小，体系温差和横向风的影响也不容忽视。这说明了汽车荷载作用对拉索的影响最为敏感，收缩徐变效应和索梁温差对其影响也非常大，使得最大索力值较大。

4 结论

本文仅在桥塔日照温差、桥塔受横向风、收缩徐变效应、主梁日照温差、体系温差、索梁温差及公路I级等7种荷载工况下，从塔梁内力、变形及索力3个方面对芙蓉江独斜塔斜拉桥的刚构体系进行了研究，研究结果可得：

(1)汽车荷载作用对结构的内力、变形及索力的影响均达到最大，直接反映了结构设计的合理性，应予以重点考虑。

(2)斜拉桥属于多次超静定结构，收缩徐变效应引起了结构内部较大的次内力及变形，结构分析中应重视。

(3)拉索对温度的影响较为敏感，使得索梁温差引起了较大的主梁变形、内力及索力值。体系温差对塔梁内力的影响均较大，主梁日照温差主要影响主梁的内力及变形，对主塔的影响较小，桥塔日照温差则刚好相反。由此可得，不同温度对结构的影响极大且各不相同，设计中不可忽视温度的影响。

(4)横向风主要影响主塔的受力及背索索力，对主梁受力及主索索力的影响较小。

[1] 韩威.独斜塔斜拉桥合理成桥索力及参数敏感性分析[D].成都：西南交通大学，2010.

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[18] 李晓莉.独塔斜拉桥的设计理论研究[D].上海:同济大学,2006.

MechanicsAnalysisoftheRigidSystemofEarth-AnchoredCable-StayedBridgewithSingleInclinedPylon

ZHOULingling

(Minnan University of Science and Technology，Department of Civil Engineering，Quanzhou 362700)

Based on the constructed earth-anchored cable-stayed bridge with single inclined pylon in Guizhou,the software MIDAS CIVIL was used to set up the finite element modelto study on mechanical properties about the rigid system of earth-anchored cable-stayed bridge with single inclined pylon under the condition of seven loading cases,namely,tower temperature gradient,crosswind,shrinkage and creep,main girder temperature gradient,systems temperature variation,cable-beam temperature variation and vehicle loads,etc.The results of the analysis demonstrate that the influence of vehicle loads on cable force and the mechanical properties of the tower and beam is the most sensitive,then the influence of shrinkage and creep; the influence of different temperatures on cable force and the inner forces of the tower and beam is different and can not be ignored; the influence ofcrosswind on the mechanical properties of the tower is the primary but on the mechanical properties of the beam is the secondary.

Earth-anchored cable-stayed bridge；Single inclined pylon；Rigid system；Deformation；Inner forces；Cable forces

U448.27

A

1004-6135(2017)10-0081-05

周玲玲(1989- )，女，助教。

E-mail:448789385@qq.com

2017-06-13