矮塔斜拉桥结构参数敏感性分析

2020-07-18寇静

四川建筑 2020年3期

寇静

(西南交通大学土木工程学院桥梁工程系，四川成都 610031)

矮塔斜拉桥是一种介于连续梁桥和斜拉桥之间的桥型，兼有连续梁桥与斜拉桥的优点，且其桥塔刚度较大，桥面连续影响小，适用于多孔斜拉桥，在100～300 m跨径范围内极具竞争力[1-2]。对矮塔斜拉桥的结构参数进行敏感性分析，不同的参数变化对桥梁结构的力学状态的影响程度不同，由此可确定哪些参数为主要敏感性参数，哪些参数为次要敏感性参数。因此，本文以某矮塔斜拉桥为工程背景，建立空间有限元模型，选取主梁混凝土容重、主梁弹性模量、斜拉索弹性模量、主梁预应力荷载等结构参数进行结构静力响应的敏感性分析，为同类桥梁的施工控制提供参考。

1 工程背景及有限元模型

1.1 工程概况

某双塔单索面矮塔斜拉桥，主桥布置为(136+240+136) m，结构体系为塔、墩、梁固结体系(图1)。主梁为单箱三室斜腹板变截面混凝土箱梁，根部梁高8.2 m，端部等截面段梁高为4 m，梁高按二次抛物线变化。主梁采用三向预应力结构，设有纵、横、竖三向预应力，分别布置在主梁内、横隔板内、腹板内。桥塔采用等截面矩形实心断面，桥面以上塔高44 m，布置在中央分隔带上，并与箱梁固结。斜拉索为单索面、双排布置在中央分隔带上，全桥共采用4×12对斜拉索。

图1 桥型立面布置(单位：cm)

1.2 有限元模型

采用有限元软件Midas/Civil 建立该桥有限元模型(图2)，全桥共离散为2 213个节点，1 466个单元。主梁、桥塔和桥墩采用六向自由度的空间梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟。

图2 有限元模型

1.3 结构参数及其变化幅值

本文研究的结构参数为主梁混凝土容重、主梁弹性模量、斜拉索弹性模量、主梁预应力荷载，其设计值与变化幅值见表1。在忽略收缩徐变的影响的前提下，结构参数在增加或减少相同的变化幅值时，结构产生的同一静力响应的变化量数值几乎相同，符号相反，因此本文只讨论结构参数在设计值基础上增加的情况。

表1 结构参数设计值与其变化幅值

2 结构参数敏感性分析

2.1 主梁混凝土容重

混凝土梁段在浇筑过程中混凝土容重会产生一定误差，也可能由于混凝土超方、模板变形等原因使其截面尺寸产生一定误差。在结构敏感性分析时，通常不考虑截面尺寸的影响，而将这些误差全部转化为混凝土容重的变化[3-4]。主梁混凝土容重的变化对成桥状态主梁线形、斜拉索索力、主梁应力的影响见图3～图5。

图3 混凝土容重变化时主梁线形变化

图4 混凝土容重变化时斜拉索索力变化

图5 混凝土容重变化时主梁应力变化

从图3～图5可以看出:主梁线形变化较大，最大绝对值为46.41 mm，位于边跨1/3位置，中跨跨中附近主梁线形变化也较大；斜拉索索力变化较大的是第4～6对斜拉索，最大绝对值为298.85 kN，远离桥塔的斜拉索索力变化相对较小；主梁应力变化最大绝对值为2.73 MPa，位于桥塔附近，中跨跨中处主梁应力变化较小。

2.2 主梁预应力荷载

在张拉主梁预应力钢束时，预应力的大小受张拉设备、锚固设备、管道的摩擦力以及预应力筋弹性模量等因素的影响，因此其大小与设计值往往存在偏差[5]。主梁预应力荷载的变化对成桥状态主梁线形、斜拉索索力、主梁应力的影响见图6～图8。

图6 预应力荷载变化时主梁线形变化

图7 预应力荷载变化时斜拉索索力变化

图8 预应力荷载变化时主梁应力变化

从图6～图8可以看出:主梁线形变化最大绝对值为10.22 mm，位于中跨跨中附近，边跨1/3位置处主梁线形变化也较大；斜拉索索力变化最大绝对值为68.34 kN，为边跨最长索，远离桥塔的斜拉索索力变化相对较大；主梁应力变化最大绝对值为1.80 MPa，桥塔附近主梁上缘应力变化较大，中跨跨中及靠近过渡墩处主梁下缘应力变化较大。