某獨斜塔斜拉橋主梁剛度對結構的影響分析

鄭報文， 夏 偉， 張安林

(安徽省交通勘察設計院有限公司，安徽 合肥 230011)

某獨斜塔斜拉橋主梁剛度對結構的影響分析

鄭報文， 夏 偉， 張安林

(安徽省交通勘察設計院有限公司，安徽 合肥 230011)

斜塔斜拉橋的主梁作為主要受力構件，其剛度的大小對結構受力起到至關重要的作用。文章結合某在建獨斜塔斜拉橋，分析該類斜拉橋的主梁剛度對該橋梁結構的影響，以期為同類橋型的設計提供參考。

斜拉橋；獨塔；斜塔；剛度

0 引 言

隨著人類物質文明和精神文明的發展，人們對橋梁的要求往往不再局限于其交通功能的要求，還需體現當地人文景觀、歷史文化、時代風貌等[1-3]。鑒于此，斜塔斜拉橋應運而生，它不僅繼承了普通斜拉橋的輕盈美觀、線條流暢，更帶給人們強烈的不對稱美感和視覺沖擊力[4-6]。

斜塔斜拉橋的主梁作為主要受力構件，其剛度的大小對結構受力起到至關重要的作用[7]。本文結合某在建獨斜塔斜拉橋，分析該類斜拉橋的主梁剛度對該橋的影響，以期為同類橋型的設計提供參考。

1 工程背景

某跨徑為100 m+75 m的獨塔斜拉橋，寬度為24.0 m，橋梁整幅布置，塔梁墩固結。主梁采用單箱五室斜腹板預應力混凝土連續箱梁，采用滿堂支架現澆施工工藝，主跨側梁長100 m，邊跨側75 m。為切合當地歷史文化背景，鋼管混凝土主塔采用雙柱的形式，橋面以上塔高為60 m，且向邊跨傾斜10°。

本文通過MIDAS/CIVIL 2015建立全橋有限元模型進行計算分析，其中主梁采用梁單元進行離散，斜拉索采用只受拉桿單元進行模擬，主塔采用聯合截面進行梁單元模擬。

考慮恒載、活載、施工荷載、溫度荷載和基礎沉降等因素，按施工順序，全橋共劃分為66個施工階段對全橋進行結構計算。

2 主梁剛度對結構影響分析

斜塔斜拉橋的主梁作為主要受力構件，其剛度的大小對結構受力起到至關重要的作用[8]。本文保持其他參數不變，僅調整主梁剛度EI，分別將其調整為原設計剛度的0.5倍、0.87倍、0.94倍、1.04倍、1.1倍、1.5倍和2.0倍來建立模型，分別計算，并提取各剛度下恒載作用、活載作用、成橋十年和標準組合下的特征數據，進行比較分析。

2.1 對塔頂縱向位移和主梁最大撓度的的影響

由圖1各工況下塔頂縱向位移圖(圖中橫軸為主梁剛度EI，豎軸為塔頂縱向位移δ，負號表示向主跨側傾斜)可以看出：隨著主梁剛度EI的增加，成橋10 a工況下的塔頂縱向位移δ增加顯著；恒載作用和標準組合工況下，隨著EI增加，δ略有增大，但增幅不明顯；活載作用下，隨著EI增加，δ明顯減小。

圖1 各工況下塔頂縱向位移

根據計算結果可知，各工況下主梁最大位移均發生在跨中位置，選擇主梁跨中節點位移數據，并制成各工況下主梁最大位移圖，如圖2所示。圖中橫軸為主梁剛度EI，豎軸為主梁豎向位移δ，負號表示下撓。由圖2可看出：各工況下主梁最大位移均隨著主梁剛度EI的增大而減小。

圖2 各工況下主梁最大撓度

2.2 對主梁和主塔彎矩的影響

由圖3和圖4(圖中橫軸為主梁剛度EI，豎軸為主梁彎矩M)可以看出：各工況下主梁跨中及支點彎矩均隨著主梁剛度EI的增加而增加。

由圖5可以看出：各工況下塔根彎矩隨主梁剛度的增加而減小。

圖3 各工況下主梁跨中負彎矩

圖4 各工況下主梁支點彎矩

圖5 各工況下塔根彎矩

結合圖4和圖5各工況下主梁支點和塔根彎矩圖可知，隨著主梁剛度的增加，主梁對整個結構的剛度貢獻逐漸增加，而橋塔對整個結構的剛度貢獻相對減小，表現為主梁所分配的內力(彎矩)增加，主塔所分配的內力減小[9-10]。由此說明，對于剛構體系獨塔斜拉橋結構，塔梁結合處內力分配是由塔和梁的剛度比決定的。

2.3 對主梁應力的影響

根據計算結果可知，各工況下主梁最大應力均發生在主梁變截面位置，選擇該處主梁應力，并制成各工況下主梁最大應力圖，如圖6所示。圖6中橫軸為主梁剛度EI，豎軸為主梁最大應力σ，負號表示壓應力。由圖可看出：各工況下主梁上緣和下緣最大應力σ均隨著主梁剛度EI的增大而增大。

圖6 各工況下主梁上、下緣最大應力

3 結 論

(1) 隨著主梁剛度的增加，主梁彎矩增大，跨中撓度減小。

(2) 隨著主梁剛度的增加，主塔彎矩和塔頂位移均減小。

(3) 隨著主梁剛度的增加，主梁最大應力隨之增大。

(4) 對于剛構體系獨塔斜拉橋結構，塔梁結合處內力分配是由塔和梁的剛度比決定的。故而在該類橋型結構設計時，需合理選擇塔梁剛度。

[1] 楊 靖.斜塔無背索部分斜拉橋靜力性能與動力性能分析[D].西安：長安大學,2008.

[2] 孫 超.斜塔有背索斜拉橋的受力行為研究[D].西安：長安大學，2012.

[3] 陳海樺.獨塔斜拉橋合理成橋索力及設計參數研究[D].成都：西南交通大學，2005.

[4] 樓旦豐.獨塔雙跨不對稱矮塔斜拉橋受力特性分析[D].杭州：浙江大學，2015.

[5] 李忠三.基于靜動力特性的多塔長跨斜拉橋結構體系剛度研究[D].北京：北京交通大學，2014.

[6] 陳海浪.組合體系橋梁構件協作受力特性研究[D].杭州：浙江大學，2011.

[7] 李曉莉.獨塔斜拉橋的設計理論研究[D].上海：同濟大學，2007.

[8] 韓 威.獨斜塔斜拉橋合理成橋索力及參數敏感性研究[D].成都：西南交通大學，2013.

[9] 江德增.斜塔斜拉橋施工與運營過程中的力學行為研究[D].廣州：華南理工大學,2010.

[10] 楊 勇，劉英偉.不對稱斜塔斜拉橋的受力和設計分析研究[J].特種結構，2014，31(6)：68～72.

2016-10-25

鄭報文(1987-)，男，江西德興人，碩士，安徽省交通勘察設計院有限公司工程師．

U448.27

A

1673-5781(2016)05-0587-03