矮塔斜拉桥斜拉索无索区长度研究

吴清伟

(浙江省建设工程质量检验站有限公司,浙江 杭州 310012)

1 概 述

矮塔斜拉桥[1]的上部结构是由主梁、主塔和斜拉索有机组合在一起的共同受力体系,斜拉索是柔性线材,它依附锚固在主梁和主塔上,布置在主梁与主塔之间,与主梁、主塔共同发挥作用一起承担结构自重和外荷载；斜拉索[2-3]是矮塔斜拉桥的主要承重构件之一,分担着结构承受的外荷载,斜拉索的布置合理与否对矮塔斜拉桥的结构性能有着很大的影响。因此，很有必要对矮塔斜拉桥的斜拉索布置进行研究。斜拉索的布置包括无索区长度的设计和斜拉索间距设计,前者主要包括塔根无索区长度、跨中无索区长度和边跨无索区长度,后者则包含主梁上的斜拉索间距和主塔上的斜拉索间距。本文主要结合矮塔斜拉桥的工程实例对无索区长度参数进行了对比分析,探讨矮塔斜拉桥的斜拉索布置规律,以便对依托工程的结构设计有所指导。

斜拉索的布置主要涉及到斜拉索的布设位置和布置方式,其布设位置主要包括主梁上的布置和主塔上的布置,主梁上的布索区位置主要由无索区长度来控制。在布索区位置确定以后,根据不同的布索方式,斜拉索的布置又可以分为扇形、竖琴形、辐射形。在这方面,本文主要探讨主梁上的无索区长度对矮塔斜拉桥结构性能的影响。

2 依托工程及计算模型

2.1 依托工程

本文以一座矮塔斜拉桥为工程背景[4],该桥平面位于平曲线上,平曲线半径R=850 m,跨径布置为：75 m+125 m+75 m；该桥是一座双塔单索面预应力混凝土矮塔斜拉桥,采用塔梁固结、塔墩分离、梁底设支座的结构体系,见图1。

主梁采用单箱三室大悬臂变截面PC连续箱梁,支点梁高4.2 m,跨中梁高2.3 m,箱梁顶宽28 m,悬臂板长5 m。边箱净宽6.776 m,中室净宽2.6 m,斜拉索锚固点布置在箱梁中室内横隔板处,间距4 m。见图2。

图1 桥型布置示意图(一半上部结构)

图2 箱梁支座处结构尺寸图(单位：cm)

主塔采用钢筋混凝土独柱实心矩形截面,塔高24.5 m,顺桥向长3 m,横桥向宽2 m,布置在中央分隔带上,并与主梁固结。塔身上部设鞍座,以便斜拉索通过。鞍座采用分丝管结构形式,分丝管预埋于主塔中,在施工中,斜拉索穿过对应的每一个分丝管。

斜拉索为单索面,双排布置在中央分隔带上,每个塔上设9对18根斜拉索,全桥共36根,采用环氧钢绞线；斜拉索分3种,从塔根往两侧,每3根一组,分别为小索(31Φ15.24)、中索(34Φ15.24)、大索(37Φ15.24)。

2.2 计算模型

采用桥梁结构分析软件Midas Civil对该矮塔斜拉桥进行有限元仿真分析,结构计算采用空间梁单元模型,以主梁轴线为基准划分结构离散图,主塔和主梁为空间梁单元,斜拉桥索为平面桁架单元；主梁悬臂浇注区段按每个施工节段并兼顾主梁斜拉索锚固位置划分单元,全桥模型共有335个节点,划分334个单元,其中主梁划分为274个单元,主塔划分为24个单元,斜拉索划分为36个单元。有限元分析模型见图3。

计算荷载如下：

①恒载：分为一期恒载和二期恒载。一期恒载包括主要构件材料重量。混凝土容重取26 kN/ m3,主要构件按实际截面计取重量,主梁横隔板以集中力计入。二期恒载为桥面防撞护栏、分隔带护栏、泄水管及桥面铺装,二期恒载取112.6 kN/m。

②活载：采用公路-Ⅰ级荷载,主梁为四车道加载,横向折减系数为0.67,汽车荷载偏载增大系数取1.15。

③荷载组合：根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62—2004)》荷载组合分为标准组合,短期效应组合,长期效应组合和基本组合,各组合荷载值及系数采用规范规定。本文计算的荷载组合选取在各种组合下最不利内力包络。

图3 计算模型图

3 无索区长度的影响分析

本文矮塔斜拉桥是相对于桥梁中点对称布置的,且斜拉索的布置是每个主塔对称,那么边跨无索区长度与塔根无索区长度和跨中无索区长度之间就存在一定的换算关系,因此分析时不使用边跨无索区长度这个参数,只考虑塔根无索区长度和跨中无索区长度这两个独立变量的变化对矮塔斜拉桥受力和变形的影响。在分析塔根和跨中无索区长度变化对矮塔斜拉桥的影响时,保持布索区域长度不变,只变化塔根无索区长度和跨中无索区长度,也可以用塔根与跨中的无索区长度比值(LT/LZ)这个参数为变量,进行有限元模拟对比计算,来分析塔根与跨中的无索区长度变化对矮塔斜拉桥的影响。

根据该桥的原有设计方案,保持布索区域长度LC=32 m不变,对塔根与跨中的无索区长度进行变化,分别建立有限元模型进行对比计算分析,具体选取以下五种计算模式：

模式一：塔根无索区长度LT=15.5 m,跨中无索区长度LZ=30 m,结构形式及其余结构参数不变；

模式二：塔根无索区长度LT=18.5 m,跨中无索区长度LZ=24 m,结构形式及其余结构参数不变；

模式三：塔根无索区长度LT=21.5 m,跨中无索区长度LZ=18 m,结构形式及其余结构参数不变；

模式四：塔根无索区长度LT=24.5 m,跨中无索区长度LZ=12 m,结构形式及其余结构参数不变；

模式五：塔根无索区长度LT=27.5 m,跨中无索区长度LZ=6 m,结构形式及其余结构参数不变。

3.1 塔根与跨中的无索区长度比值对主梁的影响

通过对这五种计算模式进行有限元模拟计算分析,可得到塔根与跨中的无索区长度比值变化对主梁的受力和变形的影响数据,见表1、表2。

由有限元模型的对比计算分析数据可知,当布索区域长度不变时,可以得到塔根与跨中的无索区长度比值变化对曲线主梁的影响有以下几点规律：

表1 塔根与跨中的无索区长度比值对中跨跨中的影响数据

表2 塔根与跨中的无索区长度比值对墩顶处影响数据

1)随着塔根与跨中的无索区长度比值不断增加,中跨跨中弯矩逐渐减小,呈线性变化趋势；塔根无索区长度每增加3 m(跨中无索区长度对应减少6 m)时,跨中弯矩减少约30 000 kN·m。

2)随着塔根与跨中的无索区长度比值不断增加,中跨跨中挠度逐渐减小,减幅速率稍有减缓；塔根无索区长度每增加3 m(跨中无索区长度对应减少6 m)时,跨中挠度减少20%左右。

3)随着塔根与跨中的无索区长度比值不断增加,中跨的跨中扭矩逐渐增大,呈线性变化趋势；塔根无索区长度每增加3 m(跨中无索区长度对应减少6 m)时,跨中扭矩增大约3‰,受塔根与跨中的无索区长度比值变化的影响不大。

4)随着塔根与跨中的无索区长度比值不断增加,墩顶处主梁弯矩逐渐增大,增幅速率也逐渐加大；塔根无索区长度每增加3 m(跨中无索区长度对应减少6 m)时,主梁弯矩增大18 000～28 000 kN·m,增加量逐渐加大。

5)随着塔根与跨中的无索区长度比值不断增加,墩顶处的主梁轴力逐渐增大,增幅速率逐渐放缓；塔根无索区长度每增加3 m(跨中无索区长度对应减少6 m)时,主梁轴力增加1‰～3‰,增加量逐渐减小,受塔根与跨中的无索区长度比值变化的影响不大。

6)随着塔根与跨中的无索区长度比值不断增加,墩顶处主梁扭矩逐渐增大,基本呈线性变化趋势；塔根无索区长度每增加3 m(跨中无索区长度对应减少6 m)时,主梁扭矩增大2%左右。

3.2 塔根与跨中的无索区长度比值对主塔和斜拉索的影响

通过对这五种计算模式进行有限元模拟计算分析,可得到塔根与跨中的无索区长度比值变化对主塔和斜拉索的影响数据,见表3、表4；主塔的分析目标包括塔根弯矩和塔顶位移,并考虑了曲线桥的顺桥向与横桥向的对比,斜拉索的分析目标选为索力和拉索应力,可以反映索力和拉索应力的总体变化趋势,同时也可以获得索力和拉索应力的最大值与最小值之间的变化趋势规律。

表3 塔根与跨中的无索区长度比值对主塔的影响数据

表4 塔根与跨中的无索区长度比值对斜拉索的影响数据

根据有限元模型的对比计算分析数据得知,当布索区域长度不变时,可以得到塔根与跨中的无索区长度比值变化对矮塔斜拉桥主塔和斜拉索的影响有以下几点规律：

1)随着塔根与跨中的无索区长度比值不断增加,塔根顺桥向弯矩和塔根横桥向弯矩变化趋势不同,塔根横桥向弯矩随比值的增加而逐渐增大,塔根顺桥向弯矩随比值增加的变化则不是很规律；塔根无索区长度每增加3 m(跨中无索区长度对应减少6 m)时,塔根横桥向弯矩增大8%左右,而塔根顺桥向弯矩则随比值的增加先增大,然后最大弯矩方向发生变化,之后逐渐减小,出现一个极大值拐点；塔根横桥向弯矩是塔根顺桥向弯矩的4～5倍。

2)随着塔根与跨中的无索区长度比值不断增加,塔顶X轴方向位移和塔顶Y轴方向位移都基本呈线性变化趋势,但是趋势方向不同,一个逐渐减小,一个逐渐增大；塔根无索区长度每增加3 m(跨中无索区长度对应减少6 m)时,塔顶X轴方向位移减小20%左右,而塔顶Y轴方向位移则增加8%左右,两者之间的差值越来越大。

3)随着塔根与跨中的无索区长度比值不断增加,最大索力逐渐减小,呈线性变化趋势；塔根无索区长度每增加3 m(跨中无索区长度对应减少6 m)时,最大索力减小3%左右,而最小索力受塔根与跨中的无索区长度比值变化的影响较小,最小索力随比值增加的变化趋势是先增大后减小,出现一个极大值拐点；最大索力是最小索力的1.3～1.5倍。

4)随着塔根与跨中的无索区长度比值不断增加,最大拉索应力和最小拉索应力变化趋势不同,最大拉索应力逐渐增大,最小拉索应力逐渐减小；塔根无索区长度每增加3 m(跨中无索区长度对应减少6 m)时,最大拉索应力增加不足1%,最小拉索应力减小2%左右,最大和最小拉索应力受塔根与跨中的无索区长度比值变化的影响较小；最大拉索应力是最小拉索应力的1.4～1.6倍。

4 结 语

塔根与跨中的无索区长度比值对结构性能的影响规律：塔根与跨中的无索区长度比值变化对矮塔斜拉桥主梁的影响趋势比较明显,随着塔根与跨中的无索区长度比值不断增加,中跨的跨中弯矩和跨中挠度逐渐减小,中跨跨中扭矩逐渐增大,墩顶处的主梁弯矩、主梁轴力和主梁扭矩逐渐增大；塔根横桥向弯矩随无索区长度比值的增加逐渐增大,塔根顺桥向弯矩先增大后减小；塔顶位移受塔根与跨中的无索区长度比值的影响很大,塔顶顺桥向位移逐渐减小,塔顶横桥向位移逐渐增大；索力和拉索应力的变化范围受塔根与跨中的无索区长度比值的影响很小。