荷载作用对曲线矮塔斜拉桥拉索不平衡力影响分析

2021-11-10龙平江

交通科技 2021年5期

龙平江杜镔唐志

(1.贵州高速公路集团有限公司贵阳 550025； 2.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳 550081)

矮塔斜拉桥适用跨径为100～300 m，在国外得到了广泛的发展和应用，我国在矮塔斜拉桥的建设方面起步较晚，但发展快速。当曲线矮塔斜拉桥拉索受不平衡力作用时，索力先由鞍座内摩擦力平衡，如无法达到平衡，矮塔斜拉桥需依靠在索鞍两端设置的抗滑键克服拉索的不平衡力，防止拉索的微动磨损[1-2]。因此，曲线矮塔斜拉桥拉索的不平衡力不仅关系到锚固区的抗滑移性能，还关系到拉索和桥塔的力学性能。

赵晓晋等[3]通过计算不同主梁边界条件、不同拉索对主梁的弹性支撑刚度及不同拉索位置下不平衡索力提供的扭矩，研究了斜拉桥横向不平衡索力的计算方法，但鲜有对矮塔斜拉桥拉索不平衡力的分析，对矮塔斜拉桥多集中于梁、塔整体及局部结构力学性能的研究[4-6]。

在矮塔斜拉桥施工与运营阶段，同一根斜拉索在主塔两侧出现不平衡力的情况很多，其不仅与桥梁的边中跨比及主梁的设计有关，而且与汽车荷载、地震荷载、风荷载及施工阶段的不平衡施工荷载等相关。为有效指导矮塔斜拉桥索鞍及抗滑键的设计，有必要对荷载作用下曲线矮塔斜拉桥拉索不平衡力展开研究。

1 工程概况

龙井河大桥为塔、墩、梁固结的双塔单索面预应力混凝土曲线矮塔斜拉桥，桥型布置图见图1。

图1 曲线矮塔斜拉桥桥型布置图(尺寸单位：cm)

该桥跨径布置为86 m+160 m+86 m，箱梁中心线处平曲线半径为852.75 m。主梁采用三向预应力体系，混凝土采用C55。边跨与中跨跨径比为0.54，采用单箱三室横截面。上塔柱采用独柱型塔柱，截面纵向长4.5 m、横向宽4.2 m、塔高28.5 m，采用实心矩形混凝土截面。塔柱内预埋转索鞍，斜拉索从中穿过。采用C50钢筋混凝土。斜拉索为单索面，采用2排布索。斜拉索采用低松弛高强度钢绞线成品索，平行钢绞线拉索体系采用现场安装制索。

2 有限元模型建立

矮塔斜拉桥计算分析采用midas Civil 2010进行全桥施工阶段模拟计算。全桥共划分为248个单元，277个节点。其中主梁单元126个，主塔单元2×13=26个，主墩单元2×24=48个，拉索单元4×12=48个，共计248个单元，计算模型见图2。全桥共划分为82个施工阶段，主梁1个标准节段安装的顺序为：移动挂篮→浇筑节段→张拉主梁预应力→张拉斜拉索→移动挂篮。

图2 曲线矮塔斜拉桥有限元模型

3 不同荷载作用下拉索不平衡力分析

3.1 恒载作用下拉索不平衡力

文中所指恒载作用包括结构自重、预应力、二期恒载在内的成桥状态恒载，成桥状态恒载索力分布图见图3，恒载引起的拉索不平衡力分布情况见图4。

图3 恒载索力分布图(Z为织金侧拉索；N为纳雍侧拉索)

图4 恒载作用拉索索力差

由图3可知，在恒载作用下索力分布比较均匀，同一根索边中跨两端索力存在一定程度的差值，即所谓的拉索不平衡力。由图4可知，恒载作用下两塔的拉索不平衡力变化规律相同，1、5、6号拉索不平衡力变化幅度较小，2、3、4号拉索不平衡力变化幅度较大，拉索不平衡力最大约85 kN。可见，恒载作用下对靠近边跨边墩、桥塔和中跨跨中拉索不平衡力影响较小，对中间拉索不平衡力影响较大。

3.2 车辆荷载作用下拉索不平衡力分析

计算车辆荷载作用对拉索不平衡力的影响结果见图5，车辆荷载引起的拉索不平衡力分布情况见图6。矮塔斜拉桥车辆荷载沿桥梁中心线对称，上下各施加两车道，可以认为矮塔斜拉桥按照中载加载。值得注意的是，矮塔斜拉桥在车辆荷载作用下，斜拉索将承担一部分竖向荷载，并将外荷载传递给主塔。

图5 活载徐变引起索力图

图6 车辆荷载作用拉索索力差

由图5、图6可知，整体上车辆荷载产生的拉索索力绝对值较恒载大幅减少，车辆荷载作用引起的索力呈现均匀变化的趋势，车辆荷载作用下拉索不平衡力的变化幅度整体较小，2号拉索的不平衡力最小，拉索不平衡力最大约达20 kN。车辆荷载作用下，还有可能出现索力小幅减小的情况。由于矮塔斜拉桥的斜拉索能够起提升作用，承担少量的车辆荷载，但相比恒载内力要小，为简化分析，有时假设由斜拉索承担车辆荷载，但实际运营阶段，斜拉索在成桥后有一定的张拉力，整体结构仍是由主梁和斜拉索共同承担车辆荷载。一般认为，矮塔斜拉桥的索梁活载比值均小于 0.5，而常规斜拉桥的索梁活载比值均大于 0.5[7-8]。矮塔斜拉桥建成后其主梁和斜拉索分担的荷载比例是一定的，即索梁荷载分担比例，这个比例的大小关系到结构的受力是否更合理、造价是否更经济，因此在部分斜拉桥设计阶段使矮塔斜拉桥的主梁体内预应力的设计应与斜拉索的配置达到一个适宜的比例关系，通过索梁荷载分担比例这个结构参数来控制，使曲线部分斜拉桥在结构性能方面和经济性方面达到平衡。

3.3 温度荷载作用下拉索不平衡力分析

温度对桥梁结构的影响一般包括两部分，均匀温度作用引起的效应与梯度温度引起的效应。由于涉及升、降温2种情况，限于篇幅，本文只对温度梯度的计算结果加以分析，升温梯度及降温梯度引起的拉索索力图见图7。

图7 温度梯度荷载引起索力图

由于温度荷载能够引起主梁的变形，使得矮塔斜拉桥的索力也跟着主梁的变形发生变化。当主梁变形向下时，其对应梁段的斜拉索索力会增大，当主梁变形向上时其对应梁段的斜拉索索力会减小，这是因为塔和梁上锚固点的距离发生了变化。由于主梁的中跨在温度荷载下的变形要大于边跨，而主塔又较柔，所以主塔在升温梯度作用下会因为中跨主梁向下变形而向中跨侧偏，在降温梯度作用下会因为中跨主梁向上变形而向边跨侧偏，这使得在升温梯度作用下主梁边跨位移向上的梁段对应的斜拉索索力反而会增大，降温梯度作用下主梁边跨位移向下的梁段对应的斜拉索索力反而会减小。

升、降温梯度作用下拉索不平衡力的变化规律基本一致，限于篇幅，本文仅示出升温梯度索力引起的拉索索力差见图8。

图8 升温梯度作用拉索索力差

由图8可知，虽然升温梯度作用和降温梯度作用引起拉索的绝对索力不大，最大约35 kN，但产生的拉索不平衡力影响不可忽视，其中对边索不平衡力影响最大，最大不平衡力约15 kN。

3.4 收缩徐变引起的拉索不平衡力分析

由于矮塔斜拉桥有斜拉索参与受力，混凝土收缩徐变作用下，矮塔斜拉桥产生的次内力较大，对成桥状态影响也较大，故对成桥索力影响也较大，经计算混凝土收缩徐变会减小矮塔斜拉桥斜拉索的索力，收缩徐变引起的拉索索力见图9，其引起的拉索不平衡力见图10。

图9 收缩徐变引起索力图

图10 收缩徐变引起的拉索索力差

由图9、图10可知，矮塔斜拉桥的混凝土收缩徐变对索力的影响是减小索力值，由于主塔、主墩和主梁均产生收缩徐变，这些构件的收缩徐变共同对索力产生影响，相比较而言，靠近边跨边墩，桥塔和跨中拉索索力值影响更大，而对中间索的索力值影响较小。

3.5 拉索不平衡力对荷载的敏感性分析

对恒载(含结构自重、预应力、二期恒载)车辆荷载、温度梯度、收缩徐变等4种工况作用下产生的拉索不平衡力占荷载总不平衡力比重进行统计，结果见图11。

图11 4种荷载作用产生的拉索不平衡力占比

由图11可知，不同位置的拉索不平衡力对不同荷载表现出不同的敏感程度，如恒载引起2、3、4号拉索不平衡力占比达65%以上，收缩徐变对1、6号拉索不平衡力影响较大，占比达到45%以上。车辆荷载及温度梯度荷载引起的拉索不平衡力较小，产生的不平衡力比重基本均在20%以下。总体上看，恒载是拉索不平衡力发生最主要因素，还需要重视收混凝土缩徐变引起拉索不平衡力，同时车辆荷载及温度作用引起的拉索不平衡力也是不可忽略的。