独塔双边箱梁斜拉桥结构分析

2019-09-09何锦权

北方交通 2019年8期

何锦权

(广东省交通规划设计研究院股份有限公司广州市 510640)

斜拉桥是现代桥梁工程非常常见的桥梁形式之一，由桥塔、主梁和斜拉索组成，其跨越能力强，外形美观大气，适用性强，在交通建设领域发挥着重要作用。

从桥跨布置上，独塔斜拉桥的跨径相当于双塔斜拉桥的一半，根据桥塔两侧的桥跨布置可分为等跨桥和不等跨桥。预应力混凝土斜拉桥主梁根据截面形式分为闭口截面形式和开口截面。闭口截面形式主要为箱形截面，开口截面形式主要有T形、n形、槽形等肋板截面。以实际工程为例，通过Midas Civil有限元软件建模计算，分析独塔双边箱梁斜拉桥的静力计算结果和动力性能等。

1 工程概况

主桥主跨采用2×120m=240m独塔PC 梁对称斜拉桥方案，平行双索面，全桥结构体系采用塔梁墩固结体系。主桥桥面为双向六车道，并设有人行道，横桥向斜拉索布置间距为28.5 m。主桥主梁采用PC 梁，顺桥向锚固标准索距为6m；斜拉索按扇形布置，索塔索面由17 对高强度平行钢丝拉索组成，共2×17对斜拉索。

图1 主桥立面布置图

主梁标准梁段采用预应力混凝土双边箱断面结构，主梁中心梁高2.8m，全宽34.8m，箱梁宽7.45m，顶板厚0.3m，直腹板厚0.4m，斜腹板厚0.35m，底板厚0.35m。拉索锚梁宽1.8m，箱梁悬挑2.35m。0#块主梁中心梁高2.8～3.6m，直腹板厚0.4～0.6m，箱梁挑臂在距离主梁中心线6.52m 处中断，与桥塔回转挑臂对齐，设置2cm 的伸缩缝，桥塔回转挑臂2.8m。

索塔采用H 形钢筋混凝土结构。塔底高程+4.36m，塔顶高程+90.075m，主塔自承台顶以上塔高91.715m，主梁路冠顶面以上高75.0m。主梁结构顶面以上5m 处为材料分界线，分界线以下采用C55 混凝土，分界线以上采用C50 混凝土。为了减少塔柱自由长度，改善塔柱受力性能，增强大桥景观效果，在距塔顶41m 处设置一上横梁。上塔柱高41m，中塔柱高34m，下塔柱高16.715m。塔柱采用单箱单室截面。

拉索锚固区采用锯齿块构造，塔壁四周布置“井”形预应力；横梁为预应力混凝土结构，其它部位均为普通钢筋混凝土结构。

2 结构离散

主梁和主塔均按平面杆系理论，采用Midas Civil进行有限元建模，全桥共438个单元。主梁和主塔采用空间梁单元进行离散，拉索采用桁架单元模拟，斜拉索索端节点与主梁以及桥塔锚点通过刚臂连接。见图2。

图2 主桥三维计算模型

单元的划分以及节点分布按照实际施工节段进行划分桥塔和主梁单元，并且在截面变化的地方也应该进行划分。斜拉索分别锚固在主塔和主梁上，因此在桥塔和主梁上与实际锚点对应的位置应该划分节点，并与索端节点进行连接。在关心变形、内力情况的地方布置节点，以方便查看结构效应结果。

3 静力计算

3.1 整体刚度

表1 主桥结构在汽车荷载的位移

在汽车荷载下，主桥主梁在车道荷载(不计冲击力)作用下正负挠度之和62.5mm，小于竖向挠度容许120/500=240mm，满足设计规范要求。

3.2 主梁强度

图3 成桥主梁轴力图(单位：kN)

图4 成桥主梁弯矩图(单位：kN·m)

基本组合作用下主梁根部最大轴向力为133830kN，主梁最大正弯矩为302222kN·m，最大负弯矩位于桥塔下横梁位置，为102603kN·m；在频遇组合作用下，主梁上缘最大压应力为13.2MPa，下缘最大压应力为7.3MPa。在标准组合作用下，主梁上缘最大压应力为13.7MPa，下缘最大压应力为7.5MPa。在标准组合作用下，主梁主压应力最大值为13.6MPa。

3.3 主塔计算结果

图5 成桥主塔内力图

基本组合作用下主塔根部最大轴向压力为230505kN，主塔最大弯矩为111878kN·m。在频遇组合作用下，主塔最大压应力为14.6MPa，位于中塔柱与下塔柱交界处，未出现拉应力。百年纵风组合作用下主塔根部最大轴向压力为155215kN，主塔最大弯矩为55719.5kN·m；在百年横风组合作用下，主塔最大压应力为8.88MPa，位于上塔柱与中塔柱交界处。百年横风组合作用下主塔根部最大轴向压力为159451kN，主塔最大弯矩为71098.6kN·m；在百年横风组合作用下，主塔最大压应力为9.26MPa，位于中塔柱与下塔柱交界处。满足相关规范要求。