钢箱梁斜拉桥斜拉索应力幅的偏载系数研究

2019-07-25张文锋史建朋涂莹莹孙林

重庆建筑 2019年7期

张文锋，史建朋，涂莹莹，孙林

（重庆市市政设计研究院，重庆 400020）

张文锋，史建朋，涂莹莹，等.钢箱梁斜拉桥斜拉索应力幅的偏载系数研究[J].重庆建筑，2019（7）：59-61.

0 引言

斜拉桥是梁与塔、斜拉索组成的组合体系，在竖向荷载作用下，梁以受弯为主，塔以受压为主，斜拉索则承受拉力，可充分发挥塔和斜拉索的材料性能。斜拉桥的梁、塔、索三种构件组合型式多样，可根据需要组合成不同外形来满足美学上的要求。斜拉桥以跨越能力大、结构新颖高效而成为现代桥梁工程中发展最快、最具有竞争力的桥型之一[1]。

随着交通基础设施建设的发展，6车道及以上的桥宽较宽的斜拉桥不断得到应用。桥宽加大使得斜拉桥的空间效应越来越明显，给设计和施工都带来一定的难度。因此为了准确获得斜拉桥的内力结果，空间分析就显得尤为重要。桥梁结构空间分析经历了从平面计算到空间计算、从线性计算到非线性计算、从静力计算到动力计算、从局部分析到全桥整体分析的发展过程[2]。

目前设计人员进行桥梁结构设计分析时一般是依据杆系程序，计算汽车活载时，通常采取偏载系数来考虑。目前偏载系数的计算方法主要有经验系数法、解析法和数值分析法[3-4]。经验系数法主要适用于整体箱梁截面梁桥，而对于斜拉桥这种由梁、塔和斜拉索共同组成的受力体系，每根拉索都是一个独立的结构，设计时应具体分析偏载对每一根拉索的影响程度[5]，因此斜拉桥不适宜采用经验系数法。而解析法主要有杠杆法、偏心压力法和修正的偏心压力法[6-7]。目前通常采用不计结构抗扭刚度的杠杆法或偏心压力法来计算斜拉桥的偏载效应，这两种方法忽略了结构弯扭耦合效应。然而，加劲梁的弯扭耦合效应是决定其横向荷载分布的关键，无论加劲梁是开口或是闭口截面[8]，加劲梁的抗扭刚度不能被忽略不计。而解析法中的修正的偏心压力法则更适用于斜拉桥的横向分布计算[7-9]。考虑工程中常用数值分析法进行计算，因此本文结合工程实例采用数值分析法研究汽车偏载对钢箱梁斜拉桥斜拉索应力幅的偏载效应，研究的偏载效应通过偏载系数来体现。

1 工程简介及研究背景

某大跨度钢箱梁斜拉桥跨径布置为100+240+100m，全长440m，为双塔双索面三跨连续半漂浮斜拉桥，每个桥塔每侧桥面布置24根斜拉索（一侧斜拉索由中跨跨中到边跨末端依次编号1—24），全桥共计96根拉索（图1）。

图1 桥型布置图（单位：cm）

大桥桥面宽度：0.5m （防撞护栏）+11.5m （车行道）+1.5m（中央分隔带）+11.5m（车行道）+0.5m（防撞护栏）=25.5m。

主桥钢箱梁采用半封闭分离式钢箱梁，由两个倒梯形钢箱梁作为边主梁，通过横隔板连接。桥面采用正交异性钢桥面板。两岸索塔均采用钢筋混凝土索塔，左右幅共用承台，下设群桩基础。斜拉索为平行钢丝斜拉索，扇形双索面布置并锚固在钢箱梁外侧。全桥采用半漂浮体系。在索塔处，主梁与下横梁之间设置具有竖向和水平向承载力要求的球形钢支座，同时设置纵向粘滞阻尼器和横向钢阻尼器；在梁端过渡墩处，设置具有竖向拉压受力和水平向承载力要求的球形钢支座，同时设置横向钢阻尼器。地震作用下纵桥向地震力由粘滞阻尼器耗散地震能量。

大桥初步设计时建立空间梁单元模型，汽车偏载效应系数暂且先按经验系数法取为1.15[10]，拉索根据索力分别选择LPES7-283、LPES7-151、LPES7-121、LPES7-91共4 种型号。初步验算结果为：对应于LPES7-283的边跨两对尾索，应力幅分别为184.4MPa和140.5MPa，对应于LPES7-151拉索最大应力幅为100.5MPa。这两种拉索规格跨度较大，应力幅却同时加大较多，规律存在异常。初步分析原因：对于斜拉索的偏载分析采用经验系数法存在不合理性，这也与引言的说明相契合。为了进一步得到斜拉索偏载系数的分布规律，本文采用数值分析法，通过建立空间梁单元和空间板单元两种模型来研究汽车荷载偏载对斜拉索应力幅的偏载效应。

2 有限元模型建立

2.1 模型建立

整体计算模型采用midas Civil计算软件，建立了空间梁单元模型和空间板单元模型。

空间梁单元模型（图2）中主梁和桥塔采用梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟。midas Civil中的梁单元是属于“等截面或变截面三维梁单元”，由于它具有拉、压、剪、弯、扭的变形刚度，同时梁单元的每一个节点都具有3个方向的线性移动位移和3个方向的旋转位移，因此可以实现对主梁空间特性的模拟。

空间板单元模型（图3）中主梁的上翼板、下翼板、腹板以及加劲肋等均采用板单元[11]模拟，桥塔采用梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟。

图2 空间梁单元模型

图3 空间板单元模型局部

2.2 汽车荷载加载工况

空间梁单元模型和空间板单元模型均计算汽车荷载中心加载与偏心加载两种工况，两种模型中两种加载工况均不单独设定偏载系数，计算时均按规范考虑多车道折减系数。

工况1：汽车荷载中心加载，桥梁主跨与边跨均中心加载6个车道，在midas Civil模型中定义6个车道时偏心值均设为0，即车道对主梁对称轴的偏心距离为0。

工况2：汽车荷载偏心加载，桥梁主跨与边跨均按《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2015要求的实际偏心位置进行加载，共计6个车道，在midas Civil模型中定义6个车道时偏心距离按照图4所示车道位置进行输入。

图4 汽车荷载偏心加载示意（单位：cm）

3 计算结果分析

3.1 两种模型结果对比

中心加载工况下两种模型中斜拉索应力幅对比如图5（Y坐标轴所在位置为中跨跨中位置）。

图5 中心加载工况下斜拉索应力幅对比

从图5可以看出，两种模型计算的斜拉索应力幅误差在4%以内，说明在中心加载工况下，板单元模型与梁单元模型具有一致性。

偏心加载工况下两种模型斜拉索应力幅对比如图6所示。

图6 偏心加载工况下斜拉索应力幅对比

从图6可以看出，在偏心加载工况下，板梁模型与梁单元模型计算结果最大误差为5%，误差较小。

3.2 偏载效应分析

从上述结论可以看出，初步分析板单元模型和梁单元模型均可用来分析汽车偏载效应。但是，在midas Civil计算模型中，对于这种半封闭分离式钢箱梁，需要手动修改程序中自动识别的抗扭刚度，才能准确模拟空间效应，而抗扭刚度的计算较复杂，其计算值的准确性影响偏载效应的计算结果[12-13]。因此，本文采用更能有效模拟空间效应的板单元模型进行汽车偏载效应分析。图7和图8给出了板单元模型偏心加载与中心加载工况下斜拉索应力幅的对比。

由图7—图9可知，相比中心加载工况，偏心加载工况下：

①偏载侧斜拉索应力幅最大增幅为17%（该斜拉索为桥塔位置处边跨第一根拉索），即偏载系数最大为1.17。

图7 板单元模型偏载侧斜拉索应力幅

图8 板单元模型远离偏载侧斜拉索应力幅

图9 板单元模型斜拉索应力幅偏载系数

②对于边跨的两对尾索（偏载侧与远离偏载侧），偏心加载与中心加载工况下的斜拉索应力幅无明显差异，即偏载系数为1。

③除靠近桥塔位置斜拉索与边跨尾索外，偏载侧大部分斜拉索应力幅增幅在10%左右，即偏载系数为1.1。

④远离偏心侧的斜拉索应力幅降低的最大幅度为5%。

分析引起上述结论的原因：主要是因为汽车偏载引起的扭矩由拉索抗拉、主梁抗弯和抗扭三种内力承担。根据修正的偏心压力法理论分析[7]，偏载系数主要与拉索刚度、主梁刚度和拉索的锚固作用有关，索梁锚固点越靠近桥塔，拉索刚度系数、主梁刚度系数和抗扭修正系数越大，根据修正的偏心压力法计算出来的偏载系数越大。而对于边跨的两对尾索，由于受到边墩和压重对体系的锚固作用影响较大，故受偏载影响小。