混凝土獨塔斜拉橋的成橋索力確定

摘要：確定混凝土獨塔斜拉橋的成橋索力方法眾多，本文以最小彎曲能量法計算出一組索力，結合MIDAS軟件進行有限元分析，對該組索力進行修正，最終得出理想的成橋索力。

關鍵詞： 獨塔斜拉橋；彎曲能量法；MIDAS；成橋索力

一、斜拉橋發展概述

斜拉橋在世界范圍內的廣泛應用從20世紀70年代開始，90年代迅速發展，其跨徑已經進入以前懸索橋適用的特大跨徑范圍。結構分析的進步，高強材料和施工方法以及防腐技術的發展對于大跨徑斜拉橋的發展起到了關鍵性的作用。截止到2002年，我國已建跨徑大于200米的各種類型斜拉橋近50座，跨徑超過400米的斜拉橋已有18座，這充分表明了我國的斜拉橋建設水平已經跨入世界斜拉橋先進行列。

斜拉橋的上部結構由梁，索，塔三類構件組成，它是一種橋面體系以加勁梁受壓（密索）或受彎（稀索）為主，支撐體系以斜索受拉及塔柱受壓為主的橋梁。

二、混凝土獨塔斜拉橋的工程實例

獨塔對稱斜拉橋以自己獨有的特點在斜拉橋大家庭中占用相當重要的一席之地，兩跨對稱的最大優點在于它們之間相互平衡，無須另設平衡孔。某工程橋梁結構為 100+100=200米的雙索面混凝土獨塔斜拉橋。主梁采用預應力鋼筋混凝土結構，采用箱梁的結構形式，橋寬40.1米，梁高2.5米。拉索在梁上的間距為6米。主塔結構為混凝土實體A形塔，梁上塔高為59.45米，塔柱截面2.5×5米，到了塔根處變厚為5.345×米。拉索采用?7鍍鋅低松弛高強鋼絲，極限強度為1670Mpa。塔下基礎部分設有承臺，承臺厚度為4.5m。塔下基礎和橋臺基礎均采用樁基礎，橋臺處樁徑1. 5m，橋塔處樁徑2mo

該斜拉橋的立面構造圖見圖1.1 。

圖1.1 立面圖

該橋采用有限元計算程序midas進行模擬，在程序中，主梁和主塔采用平面梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬，斜拉索與主塔和主梁的連接采用剛臂單元進行模擬。

由于該橋為獨塔斜拉橋，具有高度對稱性，在模型中并未模擬下部結構。在邊界條件的模擬上，主塔底部為固結，主梁梁端僅在Z 方向進行約束。由于該橋為塔梁固結形式，在模型中采用共用節點的處理方法。

三、斜拉橋成橋狀態的確定

斜拉橋成橋狀態的確定有很多方法，如剛性支撐連續梁法，最小彎曲能量法，內力平衡法，最小彎矩法等，但這些方法都有一定的缺陷，很難獲得完全滿意的結果。相對而言，最小彎曲能量法較為簡單且有效。該方法通過分析后發現，只要將索，塔，梁的軸向剛度增大至足夠大，（通常將梁，塔，索的面積增大10000倍，同時為了保證梁，塔，索在計自重時其重量不變，還需將梁，塔，索的容重減小10000倍），進行一次成橋（一次落架）計算即可。這樣得到的成橋主梁和塔中彎矩總體上是很均勻且很小的，索力總體上也是合理的，但是某些索會出現不合理現象，特別是尾索和靠近主塔的斜拉索，還需要做調索計算。具體參見表1.1（表中索力為兩根索力之和，單位KN）。

表1.1 成橋索力表

由表中數據可以看出，采用最小彎曲能量法后，1-4#和13-14#索力不均勻，還需要進行微調，最終得到的理想索力較為均勻，并且索力逐漸增大。在該組索力下的成橋狀態如圖1.2所示，主梁彎矩圖比較均勻，主塔無彎矩，并且最大位移僅為2.4cm，方向向上。

圖1.2 成橋狀態下彎矩圖

從上圖可以看出塔下的主梁負彎矩明顯變大，這是因為在該處無斜拉索支撐，同時主梁截面變高且為實心的緣故。但是同時考慮到該處所受軸力也是最大的，構造上也應該這樣設計主梁。

四、荷載組合后主梁應力驗算

在確定了成橋狀態的理想索力后，還要考慮后期汽車，人群，溫度等荷載的影響，按照規范規定的組合系數，進行組合，對該組索力進行校驗。具體荷載如下

1、汽車荷載：由于采用平面有限元，所以汽車荷載系數為車道數x沖擊系數x折減系數x偏載系數，同時按照規范考慮是否記入沖擊影響。2、人群荷載：采用標準值3.5KN/M2。3、體系溫差：按照±30計算。4、索梁溫差：按照±15計算。5、支座沉降：按照1cm 計算。6、預應力：該計算為復核，將原設計預應力鋼筋加入到程序中。7、收縮徐變：8、主梁梯度：按照±15計算。

短期效應組合下主梁上、下緣均不出現拉應力，滿足規范要求。應力組合下主梁上緣最大壓應力為15.8Mpa， 主梁下緣最大壓應力為14.7Mpa，滿足規范要求。因此該組索力為理想索力。

五、總結

相對于多塔斜拉橋來說，獨塔斜拉橋由于其對稱性，計算中一些關鍵的環節還需要不斷的調試，才能得出最優的結果。如成橋狀態下索力的調整，各種組合下預應力的配束等。相信隨著時間發展，這類橋型會得到更廣泛的應用。

參考文獻：

[1]林元培.《斜拉橋》北京：人民交通出版社，1993，

[2]范立礎.《橋梁工程（下冊）》.北京：人民交通出版社，2001.

[3]白植舟.《斜拉橋成橋恒載初始索力的確定和施工中張拉索力設計》.同濟大學碩士學位論文.2002.5.