PC斜拉橋主梁箱形截面優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

燕松波，李偉平，蔡鎖德

（1.中石化勝利建設(shè)工程有限公司，山東東營 257000；2.中石化西南油氣分公司，四川德陽 618000）

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PC斜拉橋主梁箱形截面優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

燕松波1，李偉平1，蔡鎖德2

（1.中石化勝利建設(shè)工程有限公司，山東東營 257000；2.中石化西南油氣分公司，四川德陽 618000）

摘要：近年P(guān)C斜拉橋即預(yù)應(yīng)力砼斜拉橋的應(yīng)用越來越廣泛，但現(xiàn)行斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則關(guān)于斜拉橋設(shè)計(jì)的相關(guān)條文內(nèi)容不夠全面，對(duì)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意義相對(duì)較小，設(shè)計(jì)大多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，從橋梁建設(shè)的科學(xué)性和經(jīng)濟(jì)性角度來講有待提高。文中針對(duì)PC斜拉橋主梁箱形截面設(shè)計(jì)中存在的不足，以改善其橫向受力性能及提高局部穩(wěn)定性為目標(biāo)，以截面高度、頂?shù)装搴穸?、腹板厚度、箱梁寬度等參?shù)為變量，對(duì)PC斜拉橋常用主梁箱形截面的局部優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究，并根據(jù)有限元模型計(jì)算得到的箱形截面優(yōu)化參數(shù)值給出合理化設(shè)計(jì)建議。

關(guān)鍵詞：橋梁；PC斜拉橋；主梁；箱形截面；優(yōu)化設(shè)計(jì)

PC斜拉橋（預(yù)應(yīng)力砼斜拉橋）因其跨越能力強(qiáng)、橋面結(jié)構(gòu)高度小、適應(yīng)性強(qiáng)、造價(jià)經(jīng)濟(jì)等顯著優(yōu)點(diǎn)，目前在國內(nèi)外有著廣泛的應(yīng)用。但國內(nèi)相關(guān)規(guī)范對(duì)斜拉橋設(shè)計(jì)的條款較少，且基本為定性的指導(dǎo)原則，對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)的指導(dǎo)作用相對(duì)較小，設(shè)計(jì)人員大多還是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

作為PC斜拉橋重要組成部分的主梁，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力性能、施工組織、投資等具有重要的控制作用。目前PC斜拉橋主梁截面有空心板截面、整體箱形截面（包括加斜撐箱形截面）、雙邊箱截面和單箱多室截面等形式，其中最常用的是箱形截面。如何選取PC斜拉橋主梁合理的箱形截面對(duì)于控制成橋應(yīng)力、施工難度、施工工期及工程造價(jià)等均影響重大，甚至起決定性的作用。目前國內(nèi)外針對(duì)PC斜拉橋主梁截面開展的相關(guān)研究較少，這與PC斜拉橋應(yīng)用日趨廣泛的狀況差距較大。該文對(duì)PC斜拉橋箱形截面的適用性、受力性能、經(jīng)濟(jì)性、耐久性等進(jìn)行研究，以成橋應(yīng)力狀態(tài)作為目標(biāo)對(duì)各種截面尺寸、構(gòu)造等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，為PC斜拉橋設(shè)計(jì)決策提供科學(xué)依據(jù)。

1　分析模型

以某獨(dú)塔雙跨斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘敖NSYS有限元分析模型，結(jié)構(gòu)形式對(duì)稱布置。該獨(dú)塔斜拉橋采用密索體系，結(jié)構(gòu)布置見圖1。

PC斜拉橋的箱形截面形式主要有雙邊箱截面、單箱加斜撐式截面和單箱多室截面3種（見圖2）。這里采用單箱三室截面，截面形式及各參數(shù)的初始取值見圖3。

圖1　某獨(dú)塔雙跨斜拉橋結(jié)構(gòu)布置示意圖

圖2　主梁典型截面形式示意圖

圖3　箱形主梁截面示意圖（單位：cm）

2　箱形截面優(yōu)化分析結(jié)果

對(duì)截面各尺寸控制參數(shù)進(jìn)行單變量分析，采用彎曲能量最小法得到對(duì)應(yīng)取值的斜拉橋合理成橋狀態(tài)。主梁頂、底板的寬度通常受橋涵凈空的限制，在此不作參數(shù)分析。

2.1箱形主梁截面高度w3參數(shù)分析

圖4為截面高度為1 m時(shí)斜拉橋成橋狀態(tài)。截面高度取其他值時(shí)，斜拉橋成橋狀態(tài)與圖4類似。優(yōu)化結(jié)果見表1、圖5。其中用索量用索力×索長表示，以下相同。

圖4　截面高度為1 m時(shí)斜拉橋成橋狀態(tài)

表1　箱形主梁截面高度的參數(shù)分析結(jié)果

圖5　箱形主梁截面高度參數(shù)分析結(jié)果

從圖4、表1和圖5可以看出：采用彎曲能量最小法得到的分析模型的主梁和塔的彎矩分布合理、斜拉索索力均勻、成橋位移較小。隨著截面高度的增大，成橋時(shí)主梁的彎曲應(yīng)變能和最大位移均呈減小趨勢(shì)，且減小幅度漸趨平緩。說明過高的主梁截面對(duì)于減小斜拉橋成橋時(shí)的主梁彎曲應(yīng)變能和豎向位移并無太大的幫助。截面高度的增大將導(dǎo)致斜拉索用索量增加，但影響并不是很大。

2.2箱形主梁底板厚度t1參數(shù)分析

圖6為底板厚度為0.1 m時(shí)斜拉橋成橋狀態(tài)。底板厚度取其他值時(shí)，斜拉橋成橋狀態(tài)與圖6類似。優(yōu)化結(jié)果見表2、圖7。

從圖6、表2和圖7可以看出：底板厚度取值過大與過小均不可行，存在一個(gè)合理的底板厚度取值使得主梁彎曲應(yīng)變能和主梁最大位移最小，該橋底板厚度取0.3 m比較合理；斜拉索的用索量隨著底板厚度增加顯著增大。

圖6　底板厚度為0.1 m時(shí)斜拉橋成橋狀態(tài)

表2　箱形主梁底板厚度參數(shù)分析結(jié)果

2.3箱形主梁頂板厚度t2參數(shù)分析

圖8為頂板厚度為0.1 m時(shí)斜拉橋成橋狀態(tài)。頂板厚度取其他值時(shí)，斜拉橋成橋狀態(tài)與圖8類似。優(yōu)化結(jié)果見表3、圖9。

從圖8、表3和圖9可以看出：頂板厚度取值過大與過小均不可行，存在一個(gè)合理的頂板厚度取值使得主梁彎曲應(yīng)變能和主梁最大位移最小，該橋頂板厚度取0.3 m比較合理；斜拉索用索量隨著頂板厚度的增加顯著增大。

3　參數(shù)靈敏度分析

為研究不同參數(shù)變化對(duì)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)及全橋經(jīng)濟(jì)性的影響，對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸增大50%對(duì)斜拉橋成橋時(shí)箱形截面主梁受力性能和全橋用索量的影響進(jìn)行分析，結(jié)果見表4。

圖7　箱形主梁底板厚度參數(shù)分析結(jié)果

圖8　頂板厚度為0.1 m時(shí)斜拉橋成橋狀態(tài)

表3　箱形主梁頂板厚度參數(shù)分析結(jié)果

圖9　箱形主梁頂板厚度參數(shù)分析結(jié)果

由表4可知：1）梁高取值對(duì)斜拉橋成橋時(shí)主梁彎曲應(yīng)變能及主梁最大位移的影響最大，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮。梁高大于2 m時(shí)，影響程度稍微有所降低。2）頂、底板厚度取值應(yīng)適中，過大或過小對(duì)主梁受力均不利。相比其他變量，頂、底板厚度取值對(duì)全橋用索量的影響更大。3）腹板厚度取值應(yīng)著重考慮構(gòu)造要求，其對(duì)成橋時(shí)主梁受力性能及用索量的影響較小。

表4　結(jié)構(gòu)尺寸增大50%對(duì)箱形截面主梁受力性能及全橋用索量的影響　%

4　結(jié)論

（1）主梁截面設(shè)計(jì)參數(shù)及細(xì)部尺寸的選取對(duì)斜拉橋合理成橋狀態(tài)影響較大。

（2）從使斜拉橋成橋狀態(tài)更為合理的角度考慮，箱形主梁截面高度宜取較大值，腹板厚度宜取較小值，頂、底板厚度存在一合適取值使得成橋時(shí)主梁彎曲應(yīng)變能和主梁最大位移最小。

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中圖分類號(hào)：U448.27

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-2668（2016）03-0154-04

收稿日期：2015-07-16