矮塔斜拉橋計算過程及方法淺析

白旦旦

(中國華西工程設計建設有限公司,廣東廣州 510600)

矮塔斜拉橋計算過程及方法淺析

白旦旦

(中國華西工程設計建設有限公司,廣東廣州 510600)

通過湖南一座新建的120 m+200 m+120 m預應力混凝土矮塔斜拉橋的計算分析過程,分別從初始平衡目標狀態、不考慮時間依存效應的正裝分析、考慮時間依存效應的正裝分析,移動荷載工況分析等關鍵內容簡要地闡述了矮塔斜拉橋的計算過程和計算方法,可為今后矮塔斜拉橋的設計提供計算上的參考。

矮塔；斜拉橋；計算；分析

0 引言

矮塔斜拉橋亦稱為部分斜拉橋,是一種介于常規斜拉橋和連續梁之間的一種橋梁結構,與常規斜拉橋相比,塔較矮,主梁剛度較大,索僅起體外預應力作用,大部分荷載還是由主梁來承擔［1］。因此在計算上同常規斜拉橋還是有不同的地方,本文主要從以下幾個方面來分別闡述湖南一座新建的120 m+200 m+120 m預應力混凝土矮塔斜拉橋的計算分析過程,旨在積累工程經驗,加強與同行交流。計算內容如下：

(1)初始平衡目標狀態求解；

(2)不考慮時間依存效應的正裝分析；

(3)考慮時間依存效應的正裝分析；

(4)移動荷載工況分析。

1 初始平衡目標狀態求解

根據《橋規》規定,結構計算模型、幾何特性、邊界條件等必須與實際結構相一致；結構計算模型必須能反映結構分階段形成的特點,正確反映各重要工況下的結構特性及荷載狀況［2］。

計算中實際建模時,將全橋劃分為541個節點,502個單元,見圖1。

圖1 模型全圖

在初始平衡狀態的求解過程中,分別采用了彈性支撐連續梁法和最小彎曲能法,其初始平衡目標狀態內力見圖2、圖3。

圖2 彈性支撐連續梁法內力圖(單位:kN·m)

圖3 最小彎曲能法內力圖(單位:kN·m)

從兩種方法的計算結果可以看出,基本滿足目標狀態的塔直梁平要求,兩種方法均都可行,但考慮到跨中主梁壓應力儲備大一點,故本橋采用彈性支撐連續梁法。

2 不考慮時間依存效應的正裝分析

在確定了初始目標平衡狀態后,通過建立一次落架的施工過程模擬,求解出索的無應力長度［3，4］,然后分別采用無應力長度控制法和體外力張拉控制兩種方法來分別模擬施工階段,施工階段化分為62個階段,對成橋狀態進行分析對比,見圖4、圖5。

圖4 無應力長度控制法成橋內力圖

圖5 體外力張拉控制法成橋內力圖

從上面兩種方法的計算結果對比可以看出,兩種方法結果閉合,均可正確模擬施工階段情況,但考慮到本橋為矮塔斜拉橋,斜拉索均為一次張拉到位,故采用體外力張拉法,從實際施工控制上更簡單些,故本橋采用體外力張拉法來分階段將相應索一次張拉到控制張拉力。

但在考慮邊跨合攏和中跨合攏時,為了使主梁最終成橋狀態與目標狀態逼近,故按主梁懸臂端的無應力曲率為0 (Ry=0)來控制，因些邊跨懸臂最外側兩根索及中跨懸臂最外側兩根索均需要二次調索,以使懸臂端Ry=0,采用試算的方法,本橋邊跨合攏時,最外側兩根索的張拉力分別增加4 000 kN和3 000 kN，待邊跨合攏后,合攏段混凝土強度達到設計要求且鋼束張拉后放張；中跨合攏時,最外側兩根索的張拉力分別增加5 000 kN和4 000 kN，待中跨合攏合攏段混凝土強度達到設計要求且鋼束張拉后放張,成橋主梁內力見圖6。

圖6 不考慮時間依存效應成橋主梁內力圖(單位:kN·m)

從圖6上看,成橋主梁成橋內力與目標狀態逼近,滿足設計要求。矮塔斜拉橋在由于主梁剛度較大,在懸臂端最外側兩根索局部索力增大的情況下,施工階段主梁應力變化不大,結構較容易滿足規范要求,較常規斜拉橋更容易控制。

3 考慮時間依存效應的正裝分析

在上述階段得到滿意的成橋狀態和各施工階段主梁及主塔應力均滿足規范要求的情況下,本次計算考慮時間依存效應,既考慮收縮徐變效應。成橋主梁內力見圖7。

圖7 考慮時間依存效應成橋主梁內力圖(單位:kN·m)

從圖7上看,成橋主梁成橋內力與目標狀態逼近,考慮到運營后,除著主梁混凝土徐變的發展,跨中主梁將下撓,主墩將向跨中方向偏移,故在本階段考慮在中跨合擾時,采用對頂的方法,使主墩預先向邊跨方向偏移一定位移,待成橋運營一段時間后,主墩向河心偏位后,主墩受力更逼近于只受壓構件,本橋采用8 000 kN的對頂力。

4 移動荷載工況分析

在成橋狀態滿足設計要求的情況下,需要考慮活載效應對橋梁的影響效應,由于索單元為非線性單元,無法按彈性理論進行線性疊加分析,故索單元按成橋階段初始應力按等效桁架單元模擬來進行分析。活載產生的主梁內力見圖8。

圖8 活載產生的主梁內力圖(單位:kN·m)

由于在橋梁運營階段,汽車荷載會對拉索產生疲勞作用,因此需要對拉索進行疲勞強度設計,應以正常使用狀態下的活載應力幅作為疲勞設計的荷載效應。通常部分斜拉橋的活載應力幅為一般斜拉橋的1/3～1/4。日本學者研究表明,日本的部分斜拉橋活載應力幅大都在50 MPa,少數達到30 MPa,國內部分斜拉橋中,漳州戰備大橋為42 MPa，蘭州小西湖黃河大橋為84.5 MPa,吳淞江大橋為82.3 MPa,而一般斜拉橋最大應力幅可達到150 MPa。本橋活載應力幅見表1。

表1 活載應力幅

5 結語

在基礎設施建設高速發展的今天,全國各地興建了大量的矮塔斜拉橋,隨著跨度的增加與主梁材質的不同,出現了各種組合的橋型,對橋梁技術人員提出了更高的技術要求,由于作者水平有限,本著拋磚引玉的態度,通過一座常規矮塔斜拉橋的分析計算過程,來簡述這類橋梁的分析過程,旨在加強與同行的交流學習。

［1］ 劉士林，王似舜.斜拉橋設計［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［2］ 梁愛霞，謝尚英.部分斜拉橋斜拉索設計［J］.四川建筑，2009(5): 112-113.

［3］ 梁鵬，肖汝誠，張雪松.斜拉橋索力優化實用方法 ［J］.同濟大學學報，2003(11):14-18.

［4］ JTG/T D65-01-2007，公路斜拉橋設計細則［S］.

U448.27

B

1009-7716(2015)09-0090-02

2015-05-18

白旦旦(1982-),男,河南鄧州人,工程師,從事橋梁設計工作。