寬箱梁矮塔斜拉橋受力性能分析

楊 勇 ，余曉琳

(1.廣州市市政工程設計研究院，廣東 廣州 510060；2.華南理工大學交通學院，廣東 廣州 510640)

0 前言

矮塔斜拉橋也稱部分斜拉橋 ,是近些年來在斜拉橋基礎上發展起來的一種新型的橋梁結構形式。就其結構特性而言 ,矮塔斜拉橋是介于連續梁橋與斜拉橋之間的一種新橋型 ,它采用了體外預應力束的思想，把梁體內的一部分預應力移到橋塔上。如果把連續梁橋歸類于剛性橋型 ,把斜拉橋歸類于柔性橋型 ,則矮塔斜拉橋為一種剛柔相濟的新橋型[1]。它具有美觀性、跨徑布置靈活、施工簡便以及經濟性等特點。我國的矮塔斜拉橋雖然起步比較晚，但是今年來發展迅猛，在橋梁建設中有了廣泛的應用。對于此種新橋型，施工仿真分析是對其進行施工控制的一種必不可少的技術手段。本文針對瀘州茜草長江大橋運用MIDAS/Civil橋梁專業建模軟件，對其整個施工過程進行了計算分析模擬。

1 工程概況

瀘州茜草長江大橋位于瀘州中心半島及茜草組團中部、沱江匯入長江口上游約2.0 km處。其由跨江主橋、西岸引橋和東岸沙茜立交組成。大橋主線橋梁總長1 189 m，其中跨越長江主橋為128 m+248 m+128 m=504 m矮塔斜拉橋。橋塔為外張式曲桿門型結構，每個塔由兩根塔柱和一根橫梁組成，塔梁固接。橋寬34m，（橋塔處37 m），橋塔主塔結構高25 m。主梁采用預應力混凝土單箱4室截面，共5道腹板，其中，邊腹板為斜腹板。端部梁高3.8 m，根部梁高9 m。斜拉索按扇形布置，角度從13.6°～25.8°不等，梁上水平間距8 m，塔上豎直間距1 m。橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置圖（單位：m）

2 仿真分析的建模

2.1 建模思路

根據各部分結構特點，茜草長江大橋主體結構可分為4部分：下部結構、混凝土主梁，主塔，斜拉索。下部結構、混凝土主梁、主塔采用梁單元模擬，斜拉索采用只受拉桁架單元模擬。主梁和斜拉索，主塔和斜拉索采用共節點，塔梁固結處理。針對斜拉橋的寬箱結構，建立混凝土主梁梁格模型，5片腹板模擬為5片虛擬縱梁，虛擬縱梁之間按等間距布設虛擬橫梁，并在實際橫梁處建立橫梁結構。圖2為空間梁格有限元模型。

圖2 空間梁格有限元模型

2.2 施工過程階段劃分

該橋采用掛籃懸臂澆筑施工方法，在計算建模過程中，不但要考慮施工掛籃荷載對整體結構的影響，還要考慮施工過程中體系轉換帶來的應力變化和撓度變化。根據施工設計圖提供的施工步驟，將整個施工過程主要考慮為35個施工階段（見表 1）。

表1 全橋施工工況

3 分析計算結果

3.1 施工階段應力分析

容易知道，在34#、35#階段斜拉索應力最大，因此，取出34#、35#階段斜拉索應力分析結果如表2所示。

表2 34#、35#階段斜拉索應力（單位：Pa）

由表2可以看出，各斜拉索應力均遠小于其抗拉強度設計值，在施工階段斜拉索是安全可靠的。

根據計算結果，得到各階段箱梁、主塔最大拉應力與壓應力，如表3、表4所示。

從上述結果可以知道，箱梁和塔在施工階段的最大拉應力，壓應力都在規范允許之內，截面應力儲備大，在施工監控過程中可以標高控制為主，但應注意應力突變情況。

表3 各施工階段主梁應力（單位：MPa）

表4 各施工階段主塔應力（單位：MPa）

表5 各階段主梁軸力及軸力橫向分布（單位：MN）

表6 各階段主梁正彎矩及正彎矩橫向分布（單位：MN·m）

3.2 主梁內力橫向分布研究

對于寬箱梁矮塔斜拉橋結構，在建模時采用多虛擬橫梁，多虛擬縱梁相結合的體系，當荷載作用其上時，由于橫向聯系的強弱不同，各主梁所分攤的荷載效應會有所不同，這樣就產生了荷載的橫向分布問題。分析施工過程中，各主梁的彎矩和軸力，得到了各階段主梁的內力橫向分布。

軸力在主墩墩頂位置處最大，主墩墩頂截面各主梁軸力如表5所示。

在各施工階段，4#塊附近正彎矩值為最大，列出各施工階段4#塊彎矩如表6所示。

表5、表6為各階段主梁內力橫向分布情況。表格中描述每片主梁內力絕對值。圖3、圖4為以1#梁為基準，將其他各梁內力做歸一化處理，得到的每階段主梁內力橫向分布系數。

圖3 軸力橫向分布系數

圖4 彎矩橫向分布系數

分析圖3，可以發現，在施工階段20以前，邊梁的軸力橫向分布系數最大，說明在此階段以前，由于斜拉索錨固于邊梁附近，斜拉索的縱向水平分力對邊梁的作用最大，導致邊梁的軸向力較大。而在施工階段20以后，斜拉索的縱向水平分力對結構軸力的影響在減弱，在預應力鋼束的作用下，次邊梁和中梁的軸力超過邊梁的軸力。

根據計算結果，在施工階段25以前，主梁正彎矩要大于負彎矩，而在施工階段25以后，主塔位置處主梁有一個極大的負彎矩區段，隨著懸臂的增加，負彎矩也隨之增大。因此，在懸臂施工階段，要密切注意負彎矩段主梁的應力變化情況，以免產生過大的拉應力以致主梁產生開裂缺陷。

分析表6，在全橋合龍以前，次邊梁和中梁的正彎矩大于邊梁的正彎矩，而在合龍以后，主梁的正彎矩有一個突然減小的過程，其中次邊梁的變化最為明顯，橫向分布系數為最小，而中梁的橫向分布系數依舊為最大。各主梁負彎矩值會達到一個最大值。在施工合龍時，一定要注意主梁的彎矩變化情況，避免因結構內力劇烈變化導致局部應力過大問題。

4 結論

通過對施工階段仿真分析計算，可以得出以下結論：

（1）茜草長江大橋主橋施工階段結構安全可靠，在各種不利情況下，箱梁、塔、斜拉索和橋墩均能滿足規范要求，并有較高的應力儲備。

（2）在施工過程中，要密切注意寬箱梁主梁內力橫向分布變化情況，并由此導致的寬箱梁橫向應力不均勻現象，防止因局部應力過大造成混凝土開裂。

通過對茜草長江大橋主橋施工過程的模擬仿真分析，了解各施工狀態下結構的變形和受力特點，分析了寬箱梁內力橫向分布狀況，為橋梁的施工控制提供了依據，可以保證施工過程的順利進行，并為同類橋梁的設計和施工監控提供有益的參考。

[1]陳亨錦,王凱,李承根.淺談部分斜拉橋[J].橋梁建設，2002（1）：44-47.