V形双拱独塔斜拉桥结构特性

邬晓光, 殷任宏,, 李 渊

(1. 长安大学 公路学院, 陕西 西安 710064; 2. 西安公路研究院, 陕西 西安 710065)

随着经济的发展和桥梁设计方法、理念及施工技术的提升,人们更加注重桥梁结构造型的创新及景观美学的表现[1-3].V形双拱独塔斜拉桥因兼具斜拉桥、梁桥和拱桥的优越性,且造型新颖,很适合对美学要求高的城市桥梁[4-5].近年来,国内已先后修建了沈阳三好桥、延吉市新园桥、贵州荔波县官塘大桥、辽宁省新城东街大桥及西安沣河大桥5座V形双拱独塔斜拉桥,其发展潜力不言而喻[6-8].

目前关于V形双拱独塔斜拉桥的研究主要集中在结构施工方法方面,对其结构特性的研究较少.于玲[9]以沈阳市三好桥拉索施工为依托,针对斜拉索、水平索组成的混合体系相互影响的特点,提出了先水平索张拉,再进行斜拉索张拉的关键技术;郭廷泰等[10]采用模糊层次分析法对双拱独塔斜拉桥主梁施工方法进行了优选;苟祖宽[11]、王鹏禹等[12]结合钢拱塔工程的特点及难点,提出无支架施工的方法并对施工关键技术进行了分析;柳鑫星等[13]、王向阳等[14]提出采用转体法安装斜拉桥钢拱塔,并对施工过程中竖转体系的稳定性进行了研究.任国雷等[15]结合沈阳三好桥对双拱独塔斜拉桥的设计理念、结构总体设计和施工工艺分析,并介绍了采用索辅梁桥理念设计斜拉桥的创新技术.V形双拱独塔斜拉桥因采用了V形拱塔和索辅梁桥理念,其结构参数必然会与常规斜拉桥不同.因此,本文通过对已建的5座V型双拱独塔斜拉桥的结构设计参数进行统计分析,总结出结构参数的设计取值范围;并以沣河大桥为工程实例,研究V形双拱独塔斜拉桥受力特性,为类似桥型结构设计提供相关参考.

1 V形双拱独塔斜拉桥结构参数分析

通过对国内已建的5座V形双拱独塔斜拉桥的结构设计参数进行统计整理,并与《公路斜拉桥设计细则》(JTG D65-01-2007)中常规斜拉桥和矮塔斜拉桥的设计参数进行对比分析,归纳出以下V形双拱独塔斜拉桥结构参数特点.

(1) V形双拱独塔斜拉桥主要适用于跨径稍小的城市景观桥,主跨跨径在80～115 m之间,且分两跨对称布置.

(2) V形双拱独塔斜拉桥多采用塔墩固结,拱塔横梁上设置滑动支座的半漂浮体系.

(3) V形双拱独塔斜拉桥索塔采用V形拱塔,拱塔沿中心分别向与两侧倾斜一定的角度,夹角在20°～25°之间;桥面以上塔高与跨径之比为1/1.8～1/2.4,相较于矮塔斜拉桥塔的高跨比1/8～1/12,高跨比很大,与常规的独塔斜拉桥的高跨比1/2.7～1/3.7相接近.拱塔多采用钢箱梁,在塔座与索塔之间设置钢混结合段进行固结处理;由于拱脚处受力较大,会在拱脚一定范围内填充混凝土.

(4) 主梁多采用箱梁截面,混凝土箱梁的高跨比在1/42～1/32,钢箱梁的高跨比为1/44,与矮塔斜拉桥主梁的高跨比1/42～1/35相差不大.

(5) V形双拱独塔斜拉桥的拉索为空间索,由连接拱塔、主梁的斜拉索和连接两拱塔的水平索两部分组成,斜拉索的索距为6.5～8 m.

(6) V形双拱独塔斜拉桥的梁端无索区与主跨跨径之比为0.07～0.09,相比于矮塔斜拉桥的0.20～0.35较小;塔根无索区与主跨跨径之比为0.10～0.15,与矮塔斜拉桥的0.15～0.20接近;拉索在主梁上分布长度较长,梁端、塔根无索区较短,且梁端没有设置锚固索.

(7) 由于V形双拱独塔斜拉桥多用于中小跨径城市景观桥,全桥整体刚度相对较大,加上美观的方面考虑,大多没有设置辅助墩.

表1 国内V形双拱独塔斜拉桥结构参数Table 1 Structural parameters of domestic cable-stayed bridge with V-shaped double arch single pylon

注： 锚固方式均为钢锚箱.

2 V形双拱独塔斜拉桥受力特性研究

斜拉桥索塔型式的改变必然会对结构受力特性产生影响.因此本文以西安富裕路沣河大桥为工程背景,对V形双拱独塔斜拉桥的受力性能进行研究.

2.1 工程背景

西安沣河大桥主桥为空间双索面的双拱独塔斜拉桥,跨径为80+80 m,半漂浮体系;桥塔为V形拱塔,沿桥梁中心线分别向两侧倾斜25°,塔高51.466 m,其中桥面以上部分高38.718 m,拱塔采用钢箱梁,横向2.5 m,纵向2.8 m.主梁为单箱多室的扁平钢箱梁,梁高1.8 m;拉索采用8对空间密索体系,每对拉索均包含1根水平索和2根斜拉索,纵横向均对称,塔上竖向上索的距离为2.8 m,纵向拉索间距为8 m;塔根和梁端的无索区长度分别为9.45 m和6 m.

图1 沣河大桥立面图(单位:cm)Fig.1 Vertical View of Fenghe River Bridge(Unit: cm)

2.2 有限元模型建立

使用Midas/Civil 2015建立V形双拱独塔斜拉桥空间结构计算模型.在建模时,采用一般梁单元模拟钢箱主梁、钢拱塔,采用考虑恩斯特公式修正的等效桁架(只受拉力)单元模拟拉索.因为该桥斜拉索形式为空间索面,钢箱主梁和斜拉索吊点采用“刚性连接”(主梁节点为主节点,拉索节点为从属节点)模拟,索塔与水平索的连接通过共有节点进行处理.墩顶的支座采用一般支承进行模拟,不建立主墩单元,拱塔横梁上的支座用弹性连接模拟.

图2 沣河大桥有限元模型图Fig.2 Finite element model of Fenghe River Bridge

2.3 结构受力特性分析

为更深入地了解V形双拱独塔斜拉桥的受力特性, 将沣河大桥倾斜的拱塔沿顺桥向旋转-25°,去掉水平索, 使倾斜的双拱塔转换为同跨径的单拱独塔斜拉桥, 并与原V形双拱独塔斜拉桥的受力进行对比分析. 为使两桥具有可比性, 单拱独塔斜拉桥拱塔及拱塔横梁的截面面积、抗弯惯性矩改为V形双拱独塔斜拉桥单肢拱塔截面的2和4倍, 而两斜拉桥的主梁截面型式及尺寸斜拉索在主梁的和拱塔布置及边界条件均相同.

图3 单拱独塔斜拉桥有限元模型图

(1) 合理成桥状态.在桥梁自重、二期恒载的作用下,采用何旭辉等[16]提出的最小弯矩能量法优化V形双拱独塔斜拉桥和单拱独塔斜拉桥成桥状态,结果如图4和表2所示.

由图4可知,在最小能量状态下,除X1、X2及X7三根拉索外,V形双拱独塔斜拉桥斜拉索索力均较单拱塔斜拉桥大;由于单拱独塔斜拉桥的无索区长度较大,近塔处的斜拉索索力X8明显大于其他索.

图4 最小弯曲能量状态下成桥索力

表2 合理成桥状态结构弯矩

注： 使拱塔产生向边跨侧变形的弯矩为正,反之为负.

由表2可知,合理成桥状态下,相对于单拱独塔斜拉桥,V形双拱独塔斜拉桥主梁最大正弯矩增大较多,主梁最大负弯矩略有减小;由于V形双拱独塔斜拱塔是倾斜的,很难通过索力优化使其只受沿轴线的合力,会在拱塔产生一部分弯矩,而单拱独塔斜拉桥在恒载作用下拱塔只受竖向的合力,不会产生顺桥向的弯矩.

(2) 汽车活载效应.在公路-Ⅰ级荷载作用下,考虑拉索垂度效应,V形双拱独塔斜拉桥和单拱独塔斜拉桥的结构内力、变形如图5～9所示.

图5 主梁弯矩包络图

由图5可知,活载作用下,单拱和V形双拱独塔斜拉桥的弯矩包络图整体变化趋势有很大不同.主梁最大正弯矩极大值点位置不同,单拱独塔斜拉桥的极大值点接近跨中,而V形双拱独塔斜拉桥极大值点略向梁端移动;主梁最大负弯矩极值点均出现拱塔支座处;数值上,相比于单拱独塔斜拉桥,V形双拱独塔斜拉桥因主梁在两拱塔横梁处均设置支座,主跨跨径减小,主梁最大正负弯矩均大幅度减小,从而活载内力降低.

图6 拱塔弯矩包络图

图7 活载作用下最大索力变幅Fig.7 Maximum force variation under live load

由图6可知,活载作用下,相对于单拱独塔斜拉桥,V形双拱独塔斜拉桥拱塔正弯矩在拱脚附近明显较大,而在横梁以上的拱塔部分明显较小,拱塔负弯矩则明显较小.

由图7可知,活载作用下,V形双拱独塔斜拉桥在最外侧的3根斜拉索X1～X3的索力最大变幅较单拱独塔斜拉桥小,而两桥其余斜拉索X4～X8索力最大变幅相差不大.

由图8可知,活载作用下,单拱和V形双拱独塔斜拉桥的挠度包络图整体变化趋势相同;但相对单拱独塔斜拉桥,V形双拱独塔斜拉桥挠度包络图的极大值点则向梁端移动,且数值上也有很大减小,结构刚度明显增加.

图8 主梁挠度包络图Fig.8 The deflection envelope diagram of main beam

图9 拱塔水平位移包络图

由图9可知,活载作用下,相较于单拱独塔斜拉桥,V形双拱独塔斜拉桥拱塔刚度较小,水平位移明显最大.

3 结 论

通过对V形双拱独塔斜拉桥结构参数统计分析及西安沣河大桥的仿真受力分析,得出以下结论.

(1) V形双拱独塔斜拉桥与矮塔斜拉桥的主梁参数吻合;而塔的高跨比、索距等拱塔结构参数接近,在主梁、拱塔设计时可分别参考矮塔斜拉桥及常规斜拉桥经验值.

(2) V形双拱独塔斜拉桥因在两拱塔横梁处均设置支座,主跨跨径减小,主梁受力和变形都有了很大程度的改善,但V形拱塔的受力和变形趋于不利;结构受力以主梁为主,拉索为辅,在设计时应予以注意.

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