考慮幾何非線性的超大跨度斜拉橋靜力分析

羅曉峰

超大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的非線性研究主要涉及材料非線性和幾何非線性兩方面的內(nèi)容。對于正常使用階段的大跨度橋梁結(jié)構(gòu),一般不允許出現(xiàn)塑性變形,并且由于超大跨度斜拉橋是高次超靜定的柔性結(jié)構(gòu),在施工過程和正常使用階段,結(jié)構(gòu)體系均在幾何非線性狀態(tài)下工作,因此對蘇通大橋主橋的非線性靜力分析主要從幾何非線性的角度進(jìn)行研究[1]。為了精確分析蘇通大橋主橋在各種荷載下的靜力響應(yīng),本文用MIDAS程序按有限位移理論分析計算,主要考慮的非線性因素有：大位移、P—Δ效應(yīng)和斜拉索垂度[2],其間采用斜拉橋的“正裝分析法”進(jìn)行橋梁施工控制的全過程非線性模擬計算,包括結(jié)構(gòu)從施工過程到成橋階段的內(nèi)力、應(yīng)力、變形、索力等,綜合研究了幾何非線性因素對結(jié)構(gòu)受力的影響。

1 工程背景

蘇通大橋位于長江下游,臨近長江入海口,是目前世界上最大跨度雙塔雙索面斜拉橋,主橋跨徑為1 088 m。大橋橋位區(qū)江面寬約6 km,大橋全長 8 206 m。主橋鋼箱梁共分為17種類型(A～O)、141個梁段,節(jié)段標(biāo)準(zhǔn)長度16 m、邊跨尾索區(qū)節(jié)段標(biāo)準(zhǔn)長度12 m。標(biāo)準(zhǔn)梁段最大起吊重量約450 t;鋼箱梁全寬41 m。塔柱采用倒Y形結(jié)構(gòu),分為下塔肢、中塔肢、上塔肢和橫梁四部分。其中中、下塔肢為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),上塔肢為鋼錨箱—混凝土組合結(jié)構(gòu)。鋼錨箱分為A,B,C三種類型,共30節(jié)。索塔高300.4 m。斜拉索為φ 7平行鋼絲體系,全橋共34×8=272根斜拉索。

2 全橋空間結(jié)構(gòu)的幾何非線性靜力分析

用大型通用軟件MIDAS對蘇通大橋進(jìn)行建模[3],采用“正裝分析法”進(jìn)行施工控制全過程的非線性模擬計算,包括結(jié)構(gòu)從施工過程到成橋階段的內(nèi)力、應(yīng)力、變形等。建模時,主橋按施工流程劃分為301個施工階段,其中一些典型的施工工況,包括最大雙懸臂(第95個施工工況)、最大單懸臂(第294個施工工況)狀態(tài)下的施工階段(見圖1,圖2),以及二期恒載階段(第300個施工工況)。

2.1 幾何非線性下典型施工階段的受力分析

施工過程(階段1～階段299)內(nèi)力最大值、應(yīng)力最大值分別列于表1～表4。

表1 施工過程主塔內(nèi)力最大值

表2 施工過程主塔應(yīng)力最大值

表3 施工過程主梁內(nèi)力最大值

表4 施工過程主梁應(yīng)力最大值

通過分析以上計算結(jié)果可知：在全橋的施工計算過程中(指階段1～階段299),主橋橋塔的應(yīng)力變化范圍為(正值為壓應(yīng)力,負(fù)值為拉應(yīng)力)-1.35 MPa～12.89 MPa(因計算中沒有考慮下橫梁上的預(yù)應(yīng)力鋼筋和普通鋼筋,故此處沒考慮下橫梁的應(yīng)力狀態(tài));主梁(鋼箱梁)的應(yīng)力變化范圍為(正值為拉應(yīng)力,負(fù)值為壓應(yīng)力)-133.49 MPa～49.17 MPa;施工過程的結(jié)構(gòu)應(yīng)力滿足要求。

2.2 幾何非線性下成橋階段的受力分析

成橋階段(階段300)指二期恒載施工結(jié)束階段(見圖 3),此階段主塔、主梁及斜拉索的主要計算結(jié)果的最大值分析見表5～表9。

表5 成橋恒載狀態(tài)索塔內(nèi)力最大值

表6 成橋恒載狀態(tài)索塔應(yīng)力最大值

表7 成橋恒載狀態(tài)主梁內(nèi)力最大值

表8 成橋恒載狀態(tài)主梁應(yīng)力極值

表9 成橋恒載狀態(tài)斜拉索應(yīng)力最大值

通過分析以上計算結(jié)果可知：成橋時,兩主塔塔頂各自向岸側(cè)的縱橋向偏位量為10.0 mm;主橋橋塔的應(yīng)力變化范圍為(正值為壓應(yīng)力,負(fù)值為拉應(yīng)力)0.17 MPa～11.24 MPa(因計算中沒有考慮下橫梁上的預(yù)應(yīng)力鋼筋和普通鋼筋,故此處沒考慮下橫梁的應(yīng)力狀態(tài))。主梁(鋼箱梁)的應(yīng)力變化范圍為(正值為拉應(yīng)力,負(fù)值為壓應(yīng)力)-100.66 MPa～14.99 MPa;成橋階段計算所得斜拉索的平均應(yīng)力(指同一根索中所有鋼絲的平均應(yīng)力)最大值為567 MPa;成橋恒載狀態(tài)索塔未出現(xiàn)拉應(yīng)力。恒載狀態(tài)下,主梁彎矩較小,分布均勻,受力狀態(tài)比較理想;索塔彎矩較小,斜拉索索力分布相對均勻;結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的截面應(yīng)力均滿足要求。

3 結(jié)語

本文以蘇通大橋為工程背景,應(yīng)用大型通用軟件MIDAS對其進(jìn)行了施工過程和正常使用階段的幾何非線性靜力分析,通過對計算結(jié)果的分析比較,發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在幾何非線性因素的影響下,蘇通大橋受力狀態(tài)比較理想,所有結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和應(yīng)力均滿足規(guī)范要求,通過對計算過程中內(nèi)力、應(yīng)力、變形等相關(guān)數(shù)據(jù)的分析,可以為此類橋梁的安全運營和管理提供依據(jù)和保障。

[1] 西南交通大學(xué).蘇通長江公路大橋主橋施工控制結(jié)構(gòu)計算非線性分析報告[R].2006.

[2] 劉士林,侯金龍.斜拉橋[M].北京：人民交通出版社,2002.

[3] 匡樹鈞.斜拉橋施工監(jiān)控技術(shù)[J].山西建筑,2008,34(8)：333-334.