地锚式独斜塔斜拉桥结构体系的受力研究

2020-02-04周玲玲

现代盐化工 2020年4期

摘要：以贵州芙蓉江大桥为工程背景，分别建立了刚构、固结及支承3种结构体系的斜拉桥有限元模型，分析3种体系在恒载和活载作用下主梁的内力和变形，综合确定其较优的结构体系。结果表明，刚构体系的塔梁刚度较大，主塔偏位及主梁挠度最小，但主梁根部会出现较大的负弯矩；支承体系的主梁跨内恒载正弯矩非常大，主梁受力性能差；活载对3种体系的主梁跨内正弯矩影响不大。综合分析得，独斜塔斜拉桥采用塔墩梁固结体系较优。

关键词：斜拉桥；独斜塔；结构体系；变形；内力

基金项目：地锚式独斜塔斜拉桥受力性能与结构体系（19KJX016）

20世纪60年代，德国建成了世界上第一座主跨301 m的独塔斜拉桥（Severin桥）。据统计，在世界上已建成的斜拉桥中，独塔斜拉桥占1/6～1/4[1]。1981年，四川金州县曾达桥建成，这是我国第一座独塔斜拉桥，其跨径为39 m+71 m。据统计，目前，我国已建成的独塔斜拉桥约占国内斜拉桥的1/3[2]。可知，独塔斜拉桥的发展虽然滞后于双塔斜拉桥，但其后期发展还是比较迅速的。独塔斜拉桥造型轻巧且美观[3]，在大多数情况下其高耸的主塔与周围的环境能良好地融合在一起。目前，修建的独塔斜拉桥跨度都不大，其主梁不仅采用混凝土梁或者钢梁。当独塔斜拉桥的悬臂长度超过150 m时，超过部分应考虑用轻质混凝土梁来建造，可获得较好的经济效益[4]。根据主塔与主梁连接方式的不同，斜拉桥结构体系分为漂浮体系、支承体系、刚构体系及固结体系[5-8]。国内很多学者对结构体系开展了研究[9-12]。本研究主要通过数值分析的方法对独斜塔斜拉桥的刚构体系、固结体系和漂浮体系进行受力对比分析，研究了3种结构体系在恒活载作用下的受力性能，确定独斜塔斜拉桥受力最优的结构体系形式。

1 芙蓉江大桥概况

芙蓉江大桥是一座单跨地锚式独斜塔混凝土斜拉桥，采用塔墩梁固结体系[11]（见图1）。主桥跨径长170.0 m，桥面全宽29.0 m，桥塔高98.5 m，采用倒“Y”形，与水平向呈71.57°。双向六车道布置，公路-I级。

2 体系参数选取与有限元模型

2.1 结构体系

针对本桥结构体系分别进行支承体系、固结体系及刚构体系的设置，其边界模拟和辅助墩处主梁边界如表1所示。

2.2 有限元模型

采用MIDAS/Civil建立芙蓉江大桥分析模型，主梁、主塔、承台及桩基础均采用梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟，模型中未建出辅助墩。视地锚箱为刚体，主梁采用鱼骨刺模型，横隔梁以集中力方式施加在主梁上。斜拉索与主梁之间采用弹性连接中的刚性连接，桩基与地基之间采用固结，其余构件之间均采用刚性连接。有限元模型如图2所示。

3 计算结果分析

3.1 结构体系对主梁变形的影响

分别对刚构体系、固结体系及支承体系的主梁变形进行对比分析，梁塔变形分别是活载和恒载作用下的值，具体情况如图3所示。

由图3可知，刚构体系的主梁挠度f1在恒载和活载作用下都是最小的，在恒载工况下的主梁挠度分别较固结体系及支承体系小5.43%和9.34%，在活载工况下的主梁挠度f1分别较固结体系及支承体系小5.58%和7.49%。这也可以看出，刚构体系的主梁刚度最大主要是由于塔墩梁固结。

3.2 结构体系对主梁内力的影响

对3种体系的斜拉桥塔梁活载和恒载内力进行分析，得到恒载、活载作用对3种体系的斜拉桥塔梁内力的影响规律，塔梁的弯矩是分别在恒载、活载作用下的值，如图4所示。

由图4可知，活载作用对主梁弯矩的影响较小，而恒载作用对主梁弯矩的影响较大。在活载作用下，3种结构体系的主梁跨内最大正弯矩M1基本一致。在恒载作用下，刚构体系的主梁跨内正弯矩最小，固结体系次之，支承体系最大，刚构体系的跨内正弯矩分别较固结体系及支承体系小71.41%和93.67%。

在恒载、活载作用下，刚构体系的主梁根部负弯矩值M2的绝对值分别较固结体系大75.09%和54.75%。主要是由于刚构体系的塔墩梁固结。支承体系主梁根部都出现较大的正弯矩，且恒载下的弯矩绝对值很大，分别较刚构体系及支承体系大62.88%和90.75%。由分析可知，在恒载作用下，支承体系的主梁受力性能最差。