双斜塔无背索斜拉桥拉索温度效应分析*

杨吉新 杨蒋鹤立 周兴宇 陈一赫 梁亚兰

(武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

0 引 言

纵观国内国外桥梁，无背索斜拉桥桥塔大多为独塔斜拉桥，它只有主塔，塔上往往仅有单侧索，桥塔通过单侧索与主梁直接相连[1-2].桥塔的受力表现为在斜拉索索力及自身重力作用下的悬臂梁.为确保主塔处于良好的受力状态，无背索斜拉桥的塔身一般都设计成倾斜的，依靠塔身的自重力矩来平衡斜拉索的倾覆力矩，因此组成了梁塔结构的平衡体系.而双斜塔无背索斜拉桥主塔后无背索，副塔与主塔间以塔间斜拉索相连，分别锚固于主塔与副塔上，同时副塔与主梁以斜拉索相连，充分地利用了主副塔的自重[3-4].其独特、新颖和复杂的构造与受力特点，造就了这种独一无二的桥型.但是由于桥塔双向倾斜，高而柔，因而容易受到温度所引起的斜拉索热胀冷缩的影响.斜拉索温度效应对桥塔所产生的应力和结构变形将会给施工和施工监控带来了很大的难度.目前国内外对这种桥型的斜拉索温度效应分析的研究较少，大多集中于常规的斜拉桥和多塔的大跨度斜拉桥的温度效应分析，即便是独塔的无背索斜拉桥国内外对于其温度效应的研究也是甚少的.双斜塔无背索斜拉桥在国内建造尚属首次，而当下国内对于其温度效应研究几乎没有[5-6].人们往往更多的关注于它的梁体和桥塔的温度效应，很少的去研究在无背索的情况下斜拉索的温度效应所可能产生的影响[7]，因此，本文将以六安寿春西路桥为背景，通过有限元软件Midas Civil 2015，建立全桥的空间有限元模型，对双斜塔无背索斜拉桥的斜拉索温度效应进行分析，为这一独特桥型的施工和监控提供参考依据.

1 工程概况

寿春西路桥的主桥为双斜塔无背索斜拉桥，主桥采用V型塔双索面斜拉桥，桥梁整幅布置，标准宽度为47 m,主梁采用108 m+70 m的钢混混合梁.塔柱采用矩形塔，主塔上塔柱高70 m，副塔上塔柱高50 m，下塔柱高约18.5 m塔柱顺桥向为V型,横桥向为∧型，主跨及边跨侧均设置8对斜拉索.

塔柱高低塔不对称布置，塔柱纵、横向均为倾斜布置且桥面以上塔间无横梁，顺桥向主塔无背索，副塔顶部亦无背索塔柱顺桥向刚度小，变形大，横桥向，塔柱无拉索支承，相当于竖向梁式结构，塔顶及塔梁固结位置外侧受有较大的横向弯矩，塔身中部内侧受有较大的横向弯矩，塔柱以压弯受力为主.

下塔柱顺、横方向均为倾斜布置，考虑到桥面较宽，横向变形较大，下塔柱塔肢间距宽约为31 m，设置成4肢布置以改善横向受力，同时，下塔柱高约18.5 m，高度较矮，刚度大，受温度变化，梁体轴线变形大等影响较大.

斜拉索均为空间索面且主塔为无背索布置，M1～M8斜拉索一端锚于主塔、一端锚于副塔、S1～S8斜拉索一端锚于副塔一端锚于钢梁、B1～B8斜拉索一端锚于副塔一端锚于混凝土梁.所有斜拉索均于副塔位置存在锚固端，纵横交错布置.

2 有限元建模

本文结合了寿春西路桥的结构特点，利用有限元分析软件Midas Civil 2015建立了全桥的实体模型，见图1.全桥共747个节点、687个单元，其中包括639个梁单元(梁和塔)和48个桁架单元(斜拉索).模型以纵桥向(东西)为X方向，横桥向(南北)为Y方向，竖向为Z方向.

图1 双斜塔无背索斜拉桥整体有限元模型

对于斜拉索而言，由于拉索的截面积较小且拉索内钢丝的传热速度很快，温度梯度可以忽略， 因此可以认为斜拉索内的温度是均匀变化的.六安市属于北亚热带向暖温带转换的过渡带，季风显著，四季分明，气候温和，雨量充沛，光照充足，无霜期长.全区年平均气温14.6～15.6 ℃，但年内季间气温变化较大.最热月七月份，月平均气温28.4 ℃，极端最高气温达43.3 ℃；最冷月元月份，月平均气温1.4 ℃，多数年份最低气温为-7～12 ℃.按JTG D60-2015《公路桥涵设计通用规范》规定，钢箱梁部分温热地区最高温度取 46 ℃，最低温度取-9 ℃，体系温度按 20 ℃ 考虑，为模拟该桥在实际温度变化的情况，建立了两个温度荷载工况：升温温差取最高温度与体系温度差值26 ℃，降温温差取体系温度与最低温度差值19 ℃.

3 温度效应分析

3.1 应力分析

根据双斜塔无背索斜拉桥的受力特点，分别在主塔和副塔上选取了塔底、塔梁固结处，拉索锚固区起始处、1/2拉索锚固区、拉索锚固区末端为相应的控制截面，见图2a).取其东西两侧的应力情况进行对比，见图2b).其计算结果见表1～2.温度效应所引起的桥塔应力图见图3.

图2 斜拉桥示意图

表1 主塔控制截面应力计算结果Pa

表2 副塔控制截面应力计算结果MPa

注：受拉为正，受压为负.

图3 温度效应所引起的桥塔应力图

由表1～2及图3a)～d)可知，在整体升温的荷载作用下，主塔东侧主要承受拉应力，西侧承受压应力.副塔的应力在塔底至塔梁固结处东侧主要承受压应力，西侧主要承受拉应力.在塔梁固结处至塔顶东西两侧应力以曲线变化，东侧应力在1/2拉索锚固区附近达到拉应力的峰值，而西侧应力在1/2拉索锚固区附近达到压应力的峰值；在整体降温的荷载作用下，主塔东侧主要承受压应力，西侧承受拉应力.副塔的应力在塔底至塔梁固结处东侧主要承受拉应力，西侧主要承受压应力.在塔梁固结处至塔顶东西两侧应力以曲线变化，东侧应力在1/2拉索锚固区附近达到压应力的峰值，而西侧应力在1/2拉索锚固区附近达到拉应力的峰值.

由图3e)～f)可知，在升温作用下，主塔部分自塔梁固结段至拉索锚固区拉应力起主要作用，最大值出现在塔梁固结处附近，最大拉应力为1.35 MPa.而副塔整体以受拉为主，其最大拉应力位于1/2拉索锚固区附近，最大拉应力为1.45 MPa；在降温作用下，主塔部分自拉索锚固区至塔顶以拉应力为主，最大值位于拉索锚固区起始处，最大值为1.12 MPa.副塔主要以承受压应力为主.

3.2 变形分析

主塔与副塔在升温与降温作用下的结构位移情况见图4,根据桥塔节点的位移情况，统计分析其X方向和Z方向的结构变形图见图5.

图4 桥塔位移等值线

图5 温度作用下桥塔结构变形图

由图5可得出以下结论.

1) 无论是在整体升温还是整体降温的作用下，主塔和副塔的横向结构变形量均很小.

2) 在桥塔结构受斜拉索温度效应影响而产生变形的过程中，无论是主塔还是副塔其结构变形量，由塔底至塔顶逐渐增大.

3) 在整体升温和整体降温作用下，主塔和副塔的纵桥向结构变形方向为相向变化.即在整体升温情况下主塔朝X正方向变化其最大值出现在塔顶为42 mm.副塔朝X负方向变化，其最大值同样出现在副塔塔顶为-15 mm；整体降温时，主塔朝X负方向变化其最大值为-47 mm.副塔朝X正方向变化其最大值为18 mm.

4)Z方向上，整体升温时均产生朝Z负方向的结构变形，主塔为-26 mm,副塔为-9 mm;在整体降温时均产生朝Z正方向的结构变形，主塔为29 mm，副塔为11 mm.

4 结 束 语

根据计算结果的比对分析，双斜塔无背索斜拉桥的主副塔在斜拉索温度效应作用下均承受了较大的拉应力，且出现于桥塔关键截面.主塔于塔梁固结处承受了1.35 MPa的拉应力，副塔于1/2锚固区承受了1.45 MPa的拉应力.这将会对桥塔的混凝土结构产生破坏开裂的不利影响.在合理求解塔梁固结处应力时应该充分考虑温度作用，使其具备足够充分的压应力储备.对于副塔塔体锚固区也是如此，以防止混凝土受到索温度效应的影响而产生开裂，同时由于副塔存在多向交错锚固，对锚固的位置也要做到精确定位施工，相关单位要加强施工和监控工作力度.

对比主副塔分析可知，主副塔的变形量由塔底至塔顶线性增大，最大值均出现在塔顶，其中X方向最大变形为47 mm，Z方向最大变形为29 mm.而副塔相对产生的变形量较少，X方向最大变形为18 mm，Z方向最大变形为11 mm.由此可见，其主塔由于无背向斜拉索，在斜拉索温度效应的作用下相较于多向锚固的副塔更容易产生了大的结构变形.同时主副塔在拉索的温度效应作用下，以纵向的结构变形为主，竖向次之，且主副塔的纵向结构变形趋势为相向变化.鉴于其明显的结构变形影响，本文认为应该在施工时充分考虑所处环境的温度状况，实时监控，准确对比和拟合其实际的变形情况.