蝴蝶兰异形拱塔斜拉桥受力研究

2018-07-04董宇航张谢东郭子会黄笑犬

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2018年3期

董宇航张谢东郭子会黄笑犬

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) ( 内蒙古伊泰准东铁路有限责任公司2) 鄂尔多斯 010300) (武汉理工大学交通学院3) 武汉 430063)

0 引言

城市的发展带动交通的发展，交通的发展使得桥梁结构物的需求加大.在城市桥梁的设计及建造中，异形塔斜拉桥因其奇特的造型，优美的外观一直是市政桥梁选型的热点.近几年也不乏学者对异形塔斜拉桥进行相应研究，钟华宝[1]从成桥运营阶段对拱形塔斜塔斜拉桥进行研究，分析了该异形结构的可行性；周博[2]利用有限元对混合梁异形斜塔斜拉桥的静力特性和稳定特性进行研究，提出了对该桥的优化建议；刘桂良[3]对非对称结构的异形独塔斜拉桥的静力特性和动力特性进行研究，分析了考虑引桥影响工况下的主桥地震响应；张悦[4]以雅安大兴二桥独塔斜拉桥为工程背景，对全桥进行静力、稳定性及抗震分析和设计优化；刘梦伟[5]针对双拱塔斜拉桥进行了结构分析和参数优化研究.综上所述，异性塔斜拉桥的研究主要集中于对独塔斜拉桥和单拱塔斜拉桥的研究.蝴蝶兰异形拱塔斜拉桥是一类由多拱塔组合受力的斜拉桥，其结构构造更为复杂，受力状态不明确，目前对该类斜拉桥的研究较少[6-7].本文利用有限元软件MIDAS/civil并结合桥梁结构设计理论对该类桥某实际工程进行成桥状态静力分析，通过结构的位移和应力状态研究该桥的受力特点.

1 桥梁工程概况

蝴蝶兰异形拱塔斜拉桥的主塔塔采用边、中主塔布置，其两侧边塔相对竖直中塔呈一定角度，形状类似于蝴蝶兰结构[8].本文研究对象为某2×90 m的两跨蝴蝶兰异形拱塔斜拉桥.该桥采用半漂浮体系，其两侧边塔相对竖直中塔呈32°倾角，其边、中主塔均采用钢箱梁截面.主梁采用带挑臂的边主钢箱梁结构，其上、下顶板采用正交异性板，且沿主梁纵向间隔数米设置横梁，使桥面整体受力均匀.该桥设塔间拉索和塔梁拉索两类斜拉索，共64根，对称分布于中塔两侧.边、中主塔之间采用塔间拉索连接，边塔与主梁之间采用塔梁拉索连接，使得边塔、中塔与主梁各构件在拉索的连接下形成统一整体.桥塔与主墩处设置钢混结合段，结合段上部固结边中主塔，下部嵌入桥墩中，将主塔的荷载传递到桥墩.桥墩采用板式结构墩，左右桥墩之间不设系梁但有牛腿，主梁支座设置于牛腿之上.全桥各结构材料特性见表1.

表1 全桥桥梁材料特性

2 有限元模型

利用有限元软件MIDAS/civil建立全桥空间杆系单元结构计算模型，将全桥共划分为232个节点和246个单元，其中桁架单元64个，梁单元182个.在模型中为了更准确的反映结构的特性，主梁采用“鱼骨梁”来模拟，可以充分考虑横梁对主梁荷载横向分配的影响.主塔和桥墩主要承受轴向力的作用，故用梁单元模拟，便于结构计算.由于该桥跨径不大，斜拉索的非线性影响不明显，因此用桁架单元模拟斜拉索即可.拉索与主梁之间设置主从节点连接，以保证主梁和拉索锚固点的位移相同.桥塔与桥墩之间设置为刚性连接.该桥全桥空间有限元模型见图1.

图1 全桥结构模型

3 成桥状态静力计算结果分析

根据该桥的结构特点，其钢主梁及蝴蝶兰异性钢拱塔是该桥的主要承重结构，因此，在成桥状态下，将该桥的主梁和主塔的受力及变形情况作为研究的重点.成桥阶段该桥承受的主要荷载有恒载、活载及温度荷载，见表2.本文首先研究主要荷载单独作用下桥梁状态，明确对主梁和主塔受力及变形影响最大的荷载类别，其次研究在荷载组合作用下的桥梁状态，明确在各工况作用下主梁和主塔的最大应力及位移状态，以及发生的部位.

表2 主要荷载类型

3.1 主要荷载单独作用下的结构响应

在各主要荷载单独作用下，计算得主梁和主塔的应力及位移结果.首先对主梁的结构响应进行分析，见图2～3.图中主梁取模型左半段分析，编号按照主梁长度沿左端点向右增加至中支点，应力值均取绝对值最大值，位移值取实际值.

图2 主梁各截面应力值

图3 荷载单独作用下主梁纵桥向和竖向位移

由图2可知，在成桥状态下，活载单独作用时主梁产生的应力值相对于其他荷载单独作用时的应力值较大，而系统温度变化单独作用下的对主梁的影响相对较小.温度梯度作用下产生的应力最大值与恒载作用下的应力最大值接近，但是从整个主梁来看，温度梯度对整个主梁产生的应力效应比较大，因此，对主梁来说，活载是影响其应力值最大的荷载类型，温度梯度和恒载的作用也不能忽略，而系统温度变化的影响是比较小的.

由图3可知，主梁竖向位移主要受活载控制，梯度温度和系统温度的变化作用对其影响很小.由图3b)可知，系统温度变化对主梁的纵桥向变形影响最大；由于主梁在两端支座处设置轴向位移不受限制的铰支座，在梁端预留足够伸缩缝，故不考虑主梁在轴向伸缩时内力的影响，而只考虑主梁的竖向变形，且活载对主梁的竖向变形影响最大.

边、中主塔均取左半结构进行分析，截面从塔根部向塔顶依次划分为14个截面，以1～14来编号，具体位置见图4.其次分析边、中主塔的结构响应，经计算得边、中主塔的应力状态见图5.

图4 边、中主塔截面编号

图5 边、中主塔各截面应力

由图5a)可知，边主塔结构在恒载单独作用下，塔身在各截面产生的应力均大于其他荷载单独作用下产生的应力，且最大应力发生于边主塔根部，影响程度由下及上依次减小；除此之外，活载对主塔的根部与中部应力值影响较大；相反，系统温度变化单独作用时，边主塔产生的应力相对较小，特别是塔顶区域，几乎不受影响.由图5b)可知，对中主塔结构，恒载仍然是影响其受力的主要荷载，活载的影响次于恒载，系统温度对中主塔的塔顶区域影响大于主塔中下部，但对中主塔受力的影响程度次于恒载和活载.分析图5可知，恒载是影响主塔应力的主要荷载，系统温度变化对主塔的影响甚小.

边、中主塔的位移状态见图6～7.

图6 边主塔横桥向、纵桥向及竖向位移

图7 中主塔横桥向、纵桥向及竖向位移

由图6可知，边主塔横桥向位移相对于纵桥向位移和竖向位移较小，且主要由恒载引起，由于恒载在成桥之前就作用于桥梁结构，故恒载作用下边主塔的三个方向上的位移是成桥状态的初始位移.相反，活载对边主塔的纵桥向位移和竖向位移影响较大，系统温度变化对边主塔的竖向位移的影响也不可忽略.因此，对边主塔位移影响最大的荷载是活载.

由图7可知，中主塔在纵桥向的水平位移值最大，且对其影响最大的荷载类型是活载，由于结构的对称性，除了活载之外的其他荷载均不影响中主塔的水平位移,且活载作用时，中主塔塔顶会有39.2 mm的位移值.对中主塔竖向变形，系统升、降温作用对其影响相对明显.因此，除了要充分考虑活载对中主塔变形的影响，系统温度变化的影响也不可忽略.由图6～7的位移值对比可知，边主塔对各种荷载的作用更为敏感，这种特性和边主塔倾斜的结构布置有很大的联系.

3.2 在各工况荷载组合作用下的结构响应

各工况下的荷载组合见表3，研究在各工况组合下主梁和主塔的结构响应.

表3 各工况下荷载组合

由于系统温度变化对主梁的应力影响很小，故仅分析主梁在工况一、三、四作用下的应力和位移状态，经计算得主梁的应力和位移状态见图8～9.由图8知，主梁在工况一作用下的应力最大为62.3 MPa，应力最小值为-58.7 MPa；在工况三作用下应力最大值为77.3 MPa，应力最小值为-74.8 MPa；在工况四作用下的应力最大值为81 MPa，应力最小值为-75.5 MPa.主梁选用Q345钢材，其轴向应力容许值为200 MPa，故在各工况下主梁产生的应力值均满足要求.对比分析图8可知，主梁应力最大位置主要在据梁端1/4跨和中支点附近，其中中支点附近主要以压应力为主，可以看出在索力的作用下，会使中支点附近梁段产生较大的轴压力，因此，该段主梁在设计时不仅要考虑应力是否满足要求，也要考虑是否会发生失稳破坏.由图9可知，主梁在工况四作用下有最大竖向挠度值为102 mm，对于钢主梁桥，主梁在汽车荷载作用下的最大挠度不得超过L/400，本桥L为90 m，故容许最大挠度值为225 mm，本桥钢箱梁的竖向挠度远小于此值，因此主梁在各工况下的竖向挠度值满足要求.

图8 主梁在工况一、三、四作用下的应力状态

图9 主梁在工况一、三、四作用下的最大竖向位移值

由于恒载和活载对边、中主塔应力影响最大，故对边、中主塔仅讨论工况一和工况四作用下的应力状态.对于边、中主塔的位移，其横桥向位移较小，故仅研究纵桥向和竖向位移状态.而对纵桥向和竖向位移影响较大的荷载是活载和系统温度荷载，因此仅讨论工况一、二作用下边中主塔的位移状态.经计算得边、中主塔在工况一、四作用下的应力状态见图10～11.

图10 边主塔在工况一、四作用下应力状态

图11 中主塔在工况一、四作用下应力状态

由图10可知，边主塔在工况一、四作用下的截面应力变化趋一致，边主塔塔身整体应力状态为压应力，由主塔根部向塔顶应力逐渐减小.在工况四作用下边主塔根部有最大压应力为-113 MPa，满足容许应力要求.由于边主塔承受塔间索和塔梁索的共同作用，两类索沿边主塔方向的分力会使边主塔产生较大的轴压力，即使主塔会因为索力不均匀在主塔根部产生拉应力，边主塔的压应力仍然是控制应力.由图11可知，最大应力发生位置在中主塔根部，且最大应力为拉应力，达78 MPa，满足容要求.中主塔主要受塔间索力的作用，塔间索竖向分力作用于中主塔会产生轴向拉力，因此中主塔会产生较大拉应力.通过比较发现，边、中主塔的应力最大值均在主塔的根部，且应力值由主塔根部向塔顶逐渐减小，因此在主塔钢箱梁截面设计时可以在不同的高度段设置不同的钢板厚度，以减小主塔的自重和钢材的使用量.

与应力最大位置相反，边、中主塔的位移最大值发生在主塔的顶部，由于主塔在纵桥向的位移值最大，且竖向位移与其存在线形关系，故仅对边、中主塔的纵桥向位移状态进行分析，经计算可得边、中主塔的塔顶纵桥向位移值见图12，在工况四的作用下边、中主塔的最大值分别为60.5 mm和53.2 mm.根据该桥主塔布置形式，很难避免主塔的较大位移，因此只能通过增大主塔的刚度，来减小主塔位移.