輔助墩對PC獨塔斜拉橋受力影響分析

龐偉

(中國市政工程西北設計研究院有限公司,甘肅蘭州 730000)

輔助墩對PC獨塔斜拉橋受力影響分析

龐偉

(中國市政工程西北設計研究院有限公司,甘肅蘭州 730000)

獨塔不對稱斜拉橋由于邊主跨相差較大,理想的成橋狀態較難確定。根據設計經驗,邊跨設置輔助墩對這類斜拉橋的受力性能有顯著的改善作用［1］。借助大型有限元通用計算軟件MIDAS CIVIL,結合某PC獨塔不對稱斜拉橋實例,計算分析了輔助墩對獨塔不對稱斜拉橋的受力性能影響,為同類斜拉橋的設計提供參考。

PC獨塔斜拉橋;輔助墩;斜拉索;內力;變形

0 引言

近年來,隨著斜拉橋建設水平的不斷發展,各種孔跨布置形式的斜拉橋應運而生。作為現代斜拉橋中最典型孔跨布置形式之一的獨塔雙跨式斜拉橋因其主孔跨徑較小,特別適用于跨越中小河流、谷地及交通道路。尤其是獨塔不對稱雙跨式斜拉橋,因其結構合理、造型美觀,越來越多地出現在城市橋梁中。從力學行為上看,獨塔不對稱雙跨式斜拉橋因主、邊跨跨徑相差較大,特別是對于PC斜拉橋,由于邊主跨材料均為混凝土,無法通過配重來改善結構受力,往往需要在邊跨梁端布置相當數量的拉索,且最終受力性能不理想。根據以往設計經驗,在獨塔斜拉橋的邊跨內增設輔助墩后結構的受力可以得到較大幅度的改善［2］。本文結合某PC獨塔不對稱斜拉橋實例,分析了輔助墩對主梁、索塔以及斜拉索的受力影響。

1 工程實例

某橋梁為跨越季節性河流的城市橋梁,主橋結構采用獨塔雙索面斜拉橋形式,引橋采用現澆箱梁形式,橋梁孔跨布置為:15.00 m(引橋)+ 105.00 m+87.00 m=207.00 m,橋型布置見圖1。

該橋結構體系為獨塔斜拉雙索面飄浮體系,H型塔,塔高68.00 m,兩塔柱之間通過風撐相連。塔身為普通鋼筋混凝土結構。縱梁采用預應力混凝土箱梁結構,斜拉索錨固位置采用與橫隔板整體澆筑的錨固形式。橋塔兩側跨徑分別布置為105.00 m、87.00 m,其中在邊跨66.00 m與21.00 m位置設置輔助墩以改善結構受力。縱梁與橋塔之間用斜拉索連接。橋塔左右兩側分別采用11對斜拉索。梁上索間距主跨8.00 m,邊跨輔助墩段3.00 m,其余段8.00 m。塔上索間距3.00 m。橋梁橋面全寬30.00 m,橫斷面布置為:3.00 m(人行道,包括欄桿)+2.00 m(索槽,包括防撞護欄)+ 2.50 m(非機動車道)+15.00 m(機動車道)+2.50 m (非機動車道)+2.00 m(索槽,包括防撞護欄)+ 3.00 m(人行道,包括欄桿)=30.00 m。

主梁及橋塔采用C50現澆混凝土。斜拉索采用單根帶PE護套的鋼絞線作為索體受力材料,索體有多層介質保護,使斜拉索的耐久性和防腐性大大提高,并可以進行單根鋼絞線更換。主梁預應力采用φs15.2鋼絞線,包括縱向及橫向兩個方向。

2 斜拉橋空間有限元模型

斜拉橋是一種高次超靜定結構,其靜力和動力結構行為與一般橋梁有所不同。目前,斜拉橋最有效的結構分析方法是有限元法。桿系結構有限元法是對斜拉橋空間效應的簡化和近似,是一種行之有效的計算方法。它將結構離散化,把索以直桿代替,垂度對變形的影響采用換算彈性模量的方法使之線性化,按小撓度理論進行計算［3］。對于斜拉橋,首先是確定其合理的成橋狀態,即合理的線形和內力狀態,其中最重要的是斜拉橋的初張力,然后通過施工階段的結構分析,使結構在施工階段和運營階段均達到合理狀態。一座斜拉橋理想的成橋狀態為:主塔不受或只受較小的彎矩作用;主梁彎矩均勻分布;主梁的變形最小;最終索力不集中在幾根拉索,而是均勻分布在每根拉索上。

圖1 橋型布置圖(單位:mm)

該橋結構在設計之初采用無輔助墩的常規布置形式,由于橋梁邊主跨相差較大,且邊主跨材料均為混凝土,無法通過配重來改善結構受力,橋梁很難達到理想的成橋狀態。后經過分析,改用增設輔助墩的布置形式,以改善橋梁的受力,力求達到較理想的成橋狀態。本文主要研究了輔助墩對斜拉橋成橋狀態的受力影響。

使用有限元法對斜拉橋進行空間分析時,需要對結構進行空間靜力離散。主梁通常被簡化為“魚刺梁”模型［4］,斜拉索被簡化為空間桿單元,橋塔通常被簡化為空間梁單元。每根斜拉索采用一個桿單元模擬,主梁和橋塔采用梁單元,在斜拉索和主梁之間使用主從節點。

本文采用大型有限元通用計算軟件MIDAS CIVIL建立了全橋三維模型,如圖2所示。主梁和主塔采用梁單元模擬,由于該橋跨度不大,未考慮斜拉索的垂度效應,故斜拉索采用桁架單元。拉索和主梁聯系用剛性連接即主從約束。橫梁用加在主梁上的等效荷載模擬。

圖2 結構計算模型圖

針對輔助墩的設置,本文分析研究了兩種輔助墩方案［5］:不設輔助墩及邊跨增設一個輔助墩。輔助墩的作用通過一般支撐來模擬。

3 輔助墩對斜拉橋的內力影響

由于斜拉橋成橋狀態下主梁內力可通過調整斜拉索張拉力來調整,故本文主要針對在主梁內力圖形狀相近的情況下輔助墩對橋塔、主梁和斜拉索的內力影響。

3.1 輔助墩對橋塔、主梁的內力影響

由圖3可以看出,通過增設輔助墩,在保證斜拉橋主梁內力形狀合理的情況下,橋塔和主梁的內力均有很大程度的改善。

圖3 結構內力圖(單位:kN·m)

表1為輔助墩對結構的內力影響比較表。從表1中可以看出,設置輔助墩后,橋梁橋塔和主梁的彎矩值大幅度下降,分別為不設輔助墩情況下相應位置內力的85.1%和88.1%,尤其是在設置輔助墩后,橋塔內力以軸力為主,彎矩很小,這對于以受壓為主的橋塔來說是比較有利的。總之,對于獨塔不對稱斜拉橋,尤其是邊主跨相差較大時,設置輔助墩可以有效減小橋塔和主梁的彎矩。

表1 輔助墩對結構的內力影響(單位:kN·m)

3.2 輔助墩對斜拉索的內力影響

圖4為斜拉索內力圖,圖5為輔助墩影響下斜拉索內力對比圖。可以看出,對比不設輔助墩情況,輔助墩的設置大大減小了索塔尾索區斜拉索的內力值,邊跨輔助墩一側斜拉索內力值明顯減小,甚至最大索力由邊跨背索轉移到主跨邊索。同時,在設置輔助墩之后,斜拉索受力較為均勻,達到了我們期望的狀態。總之,輔助墩的設置對減小斜拉索的內力值是有利的,這對均布斜拉索索力,避免出現過大背索有著極大的幫助作用。

圖4 斜拉索內力圖(單位:kN)

圖5 斜拉索內力對比圖(單位:kN)

4 輔助墩對斜拉橋的變形影響

由圖6可以看出,通過增設輔助墩,在保證斜拉橋主梁內力形狀合理的情況下,橋塔和主梁的變形均有很大程度的改善。

圖6 結構變形圖(單位:mm)

表2為輔助墩對結構的變形影響比較表。從表2中可以看出,設置輔助墩后,橋梁橋塔和主梁的變形大幅度下降,分別為不設輔助墩情況下相應位置內力幅的98.2%和97.3%。可以說,對于獨塔不對稱斜拉橋,尤其是邊主跨相差較大時,輔助墩對減小橋塔和主梁變形的影響是顯著的。

表2 輔助墩對結構的變形影響(單位:mm)

5 結論

通過以上對斜拉橋增設輔助墩的分析,可以看出:(1)對于獨塔不對稱斜拉橋,尤其是邊主跨相差較大的情況,設置邊跨輔助墩可以降低橋塔和主梁的內力,達到優化的目的;(2)設置輔助墩可以減小斜拉索的內力值,尤其對邊跨設置輔助墩一側的斜拉索效果非常明顯;(3)設置邊跨輔助墩還可以降低橋塔和主梁的變形,這對提高結構剛度有積極意義。

綜上所述,對于獨塔不對稱斜拉橋,尤其是邊主跨相差較大時,為了確定橋梁的合理成橋狀態,往往通過設置強大的背索來實現。對于有條件設置輔助墩的斜拉橋來說,輔助墩的設置對改善斜拉橋結構受力不失為一種有效的手段。

［1］ 林元培.斜拉橋［M］.北京:人民交通出版社,2004.

［2］ 劉士林.斜拉橋［M］.北京:人民交通出版社,2002.

［3］ 嚴國敏.現代斜拉橋［M］.成都:西南交通大學出版社,2000.

［4］ 周孟波.斜拉橋手冊［M］.北京:人民交通出版社,2004.

［5］ 裴炳志,葉見曙,李學文,等.輔助墩對大跨度高低塔PC斜拉橋的受力影響分析［J］.橋梁建設,2005(6):23-26.

U448.27

A

1009-7716(2015)03-0054-03

2014-12-01

龐偉(1982-),男,甘肅武山人,工程師,從事橋梁、隧道工程設計研究工作。