部分斜拉桥结构体系受力性能分析

2022-04-20颜浩杰

低温建筑技术 2022年3期

颜浩杰

（河南省交通规划设计研究院股份有限公司，郑州 450001）

0 引言

部分斜拉桥是由上部结构索、塔、梁的3种基本构件和下部结构墩台、基础组成的结构体系，墩、塔、梁之间的结合方式是影响结构各部分荷载效应的最根本因素，三者之间不同的结合方式也产生不同的结构体系［1-3］。结构体系的选择关系着桥梁结构的受力性能是否满足要求，尤其是在桥位处条件受限的情况下，结构体系的选择与优化尤为重要。

文中依托某高速实际工程，建立有限元模型，对部分斜拉桥结构体系的受力性能进行分析，对比分析不同结构体系桥梁结构在成桥及运营阶段不同工况下主梁的受力性能和主梁主塔的变形情况，对比刚构体系的下部结构力学性能，讨论与研究墩高受限情况下部分斜拉桥刚构体系的下部结构方案，提出解决思路。

1 斜拉桥结构体系方案的选取

根据部分斜拉桥结构自身的特点和墩、塔、梁的结合方式，部分斜拉桥的结构体系可分为塔梁固结体系、支承体系和刚构体系3种［4-8］。塔梁固结体系：塔梁固结、塔墩分离、梁底和桥墩之间设置支座，斜拉索为弹性支承，是一种主梁具有弹性支承的连续梁结构。该体系的主要优点是取消了承受很大弯矩的梁下塔柱部分，在主梁下设置支座，主梁受力均匀，整体温度变化对结构影响较小。但是该体系结构整体刚度小，中跨荷载作用造成的主梁在墩顶处的转角位移会导致塔柱倾斜，会使塔顶产生较大的水平位移，进而进一步增大了主梁的跨中挠度。该体系上部结构荷载需通过支座传递到桥墩上，因此需要设置大吨位的支座。已建的部分斜拉桥多采用该体系，我国的漳州战备桥、小西湖黄河大桥、离石高架桥；日本的蟹泽桥、士狩大桥、木曾川桥、揖斐川桥、新唐柜大桥均采用塔梁固结体系。支承体系：塔墩固结、塔梁分离，主梁在塔墩上设置竖向支承，支座均为活动支座，这种体系接近主梁具有弹性支承的连续梁结构。支承体系与梁塔固结体系主梁受力性能基本相同，但塔墩底部承受较大的弯矩。我国芜湖长江大桥采用的是支承体系，该体系在部分斜拉桥结构中较少采用。刚构体系：塔墩梁固结，这是一种主梁具有弹性支承的连续刚构结构。该体系结构刚度大，主梁和塔柱的挠度及变形均较小，不需要支座；但是固结处主梁负弯矩大，该体系对温度变化敏感，桥墩高度不宜过小。同时该结构体系动力性能差，用于地震区及风荷载较大的区域时，应重点进行动力分析研究。刚构体系也是部分斜拉桥采用较多的结构形式。我国的同安银湖大桥和日本的都田川桥、又喜纳木桥是单塔双跨部分斜拉桥，均采用是刚构体系；日本的屋代南桥、屋代北桥、冲原桥、小田原港桥、保津桥、新名西桥等都是双塔三跨部分斜拉桥，也均采用刚构体系。

文中依托工程为某高速部分斜拉桥，该桥跨越南水北调总干渠，因周边控制因素的影响，桥位处路线与南水北调总干渠斜交，且设计标高较低，综合考虑施工对干渠控制地带的影响，该桥主跨跨径为265m。

经对比分析，确定该桥跨径布置为143m+265m+143m，边中跨比为0.539，上部结构采用双塔单索面预应力混凝土部分斜拉桥。主梁采用单箱三室大悬臂变截面预应力混凝土连续箱梁，支点梁高8.5m，跨中梁高4.5m；箱梁顶板宽度为29.5m，悬臂长4.8m，箱梁底板宽度15.698～18m。主塔采用钢筋混凝土A型桥塔，塔高45m，布置在中央分隔带上，与主梁固接。斜拉索为单索面，扇形布置，双排布置在中央分隔带上，每个塔上设有20对40根斜拉索，全桥共80根，斜拉索在主梁上纵向间距为4.0m和5.0m。

该桥初步拟定采用塔梁固结体系和刚构体系。塔梁固结体系即支座方案，上部结构主塔与主梁固结，墩梁间设置支座。因桥位处路线设计标高较低、墩高受限，为深入论证刚构体系，刚构体系初步拟定两种方案。刚构方案一采用双肢薄壁墩，双肢间距为12m，墩身截面为15.5m×2m，墩高16m；刚构方案2采用四肢薄壁墩，肢中心间距12m，主墩截面为15.5m×1.5m，墩高16m。

2 有限元建模

计算分析时采用限元软件Midas/Civil建立有限元计算模型，上部结构主梁、主塔及斜拉索采用相同的结构尺寸及参数，对比分析结构受力性能和变形情况。主梁和主墩采用变截面空间梁单元进行模拟，划分为488个梁单元；拉索采用桁架单元模拟，划分为80个桁架单元；共计575个节点，计算模型见图1。

图1 计算模型

有限元建模中，通过对主梁单元施加预应力荷载实现纵向预应力钢束的模拟，并计入预应力损失及钢束对截面刚度的影响。施工过程对结构受力影响十分重要，模拟全施工过程，模型通过对节点荷载的激活和钝化实现混凝土浇筑、挂篮移动、和龙配重等的模拟，并考虑混凝土收缩徐变的影响。在有限元模拟时，支座方案中支座采用弹性连接进行模拟；刚构方案为墩塔梁固结，塔梁连接通过共节点实现，墩底采用一般支撑进行固结，墩梁固结通过弹性连接中的刚性连接实现。刚构方案对下部结构的刚度十分敏感，因此在进行有限元分析时，对下部基桩也进行了建模，桩土作用采用土弹簧模拟。塔梁固结处单元的划分及各部连接的是模拟的关键，该处的模拟及单元划分见图2。

图2 刚构方案墩塔梁固结处模拟

3 不同工况下斜拉桥结构体系对比

3.1 主梁受力比较

墩顶截面、边中跨和龙段是主梁应力最为敏感的截面，也是上部结构验算的控制性截面，故选取墩顶截面、边中跨和龙段作为控制截面进行对比分析，主梁控制截面见图3。

图3 主梁控制截面

因桥梁结构对称，故选取左边跨和主跨8#墩部分的控制截面进行对比分析，其中A截面为7#墩墩顶截面，B截面为左边跨和龙段截面，C截面为8#墩根部截面（边跨方向），D截面8#墩根部截面（主跨方向），E截面主跨跨中截面。

在施工阶段，支座方案的主墩和主梁临时固结，故支座方案和刚构方案在施工阶段的结构体系一致。

文中重点对两方案在成桥和运营阶段的受力情况进行对比分析，运营阶段的验算工况如下：

工况1：支座沉降+恒载+汽车荷载。

工况2：支座沉降+恒载+汽车荷载+整体升温+梯度升温。

工况3：支座沉降+恒载+汽车荷载+整体升温+梯度降温。

工况4：支座沉降+恒载+汽车荷载+整体降温+梯度升温。

工况5：支座沉降+恒载+汽车荷载+整体降温+梯度降温。

支座方案和刚构方案主梁控制截面在成桥和运营阶段不同工况下的顶、底板应力见图4、图5，图中横坐标为不同工况下的各控制截面，纵坐标为不同工况下各控制截面的应力值，其中压应力为负值、拉应力为正值。

图4 主梁顶板应力对比

图5 主梁底板应力对比

从图中可知，刚构方案1和刚构方案2主梁应力基本一致；边墩墩顶、边跨和龙段、主墩根部截面的边跨方向的主梁顶底板应力，刚构方案和支座方案的差别较小；但是在墩梁固结作用的影响下，主墩根部截面（主跨方向）和主跨跨中截面的主梁顶底板应力差别较大，刚构方案较支座方案的应力储备有所减小。

3.2 主梁主塔变形比较

主梁的下挠和主塔的变形也是结构验算的一个重要指标，故对主梁边中跨的最大下挠量和主塔塔顶的位移进行对比，分别对其在成桥后和短期效应组合（工况3）下的变形情况进行对比，主梁和主塔变形量见表1、表2。

表1 主梁最大下挠量 mm

表2 主塔塔顶变形量 mm

经对比分析，墩梁固结的刚构方案的梁体下挠量较支座方案的小，但二者差值不大，且均未超过规范容许值。

主塔塔顶变形方面，支座方案和刚构方案的竖向变形基本一致。支座方案的8#墩设置固定支座，9#墩为活动支座，因此主塔顺桥向的变形量主要集中在9#墩上，故对支座方案和刚构方案的主塔顺桥向位移的合计值进行对比。由于设置支座，支座方案的主塔塔顶顺桥向位移较刚构方案的大，刚构方案中主墩刚度较小的方案2较方案1的塔顶顺桥向位移小。