地錨式獨斜塔斜拉橋剛構體系的受力分析

周玲玲

(閩南理工學院土木工程學院 福建泉州 362700)

地錨式獨斜塔斜拉橋剛構體系的受力分析

周玲玲

(閩南理工學院土木工程學院 福建泉州 362700)

以貴州省已建的地錨式獨斜塔斜拉橋為研究背景，運用有限元分析軟件MIDAS/ CIVIL建立有限元模型，研究了橋塔日照溫差、橫向風、收縮徐變效應、主梁日照溫差、體系溫差、索梁溫差及公路I級等7種荷載工況對獨斜塔斜拉橋剛構體系受力性能的影響。研究表明：汽車荷載對塔梁受力性能及索力的影響最為敏感，其次是收縮徐變的影響。不同溫度對塔梁內力及索力的影響各不相同且不容忽視；橫向風主要影響主塔的受力性能，對主梁受力性能的影響較弱。

地錨式斜拉橋；獨斜塔；剛構體系；變形；內力；索力

0 引言

20世紀60年代，世界上第一座主跨301m的獨塔斜拉橋Severin橋在德國建成，至今為止，世界上已建成的斜拉橋中獨塔斜拉橋約占1/6～1/4[1]。在隨后的1981年，我國第一座獨塔斜拉橋一四川金州縣曾達橋建成，跨徑39m+71m，據統計，目前我國已建成的獨塔斜拉橋約占國內斜拉橋的1/3[2]。可知，獨塔斜拉橋的發展雖然較滯后于雙塔斜拉橋，但其后期發展還是比較迅速。獨塔斜拉橋只有一座高聳的主塔，大多數情況下與周圍環境易于融合在一起，造型輕巧且美觀[3]。獨塔斜拉橋既有混凝土梁，也有鋼梁，但跨度都不大，由于其懸臂過長、重量過大，使得獨塔斜拉橋難以向大跨度方向發展。日本學者研究認為：獨塔斜拉橋，當其懸臂長度超過150m時，考慮用輕質混凝土梁來做超過部分，可獲得經濟效果。同時，主跨長與邊跨短的預應力混凝土斜拉橋，將主梁采用輕質混凝土后，可以減少不平衡彎矩，更好發揮獨塔斜拉橋的優勢[4]。

斜拉橋結構體系研究目的是改善結構在靜力、動力荷載作用下的反應,減小伸縮縫、支座等裝置的位移量和動力磨損[5]。根據主塔與主梁連接方式不同，斜拉橋結構體系分為漂浮體系、支承體系、剛構體系及固結體系[6-9]。國內很多學者對結構體系開展了研究。史海濤[10]，張霞忠[11]都對矮塔斜拉橋的結構體系做了相關研究，朱斌[5]、苗家武[12]、陳憶前[13]及劉芳平[14]等也研究了大跨度直塔斜拉橋結構體系對結構受力性能的影響。而本文主要通過數值分析的方法對地錨式獨斜塔斜拉橋的剛構體系進行受力分析，分析其剛構體系在不同荷載工況下的受力性能。研究結果可為類似工程的設計與施工提供參考。

1 芙蓉江大橋概況

芙蓉江大橋是一座單跨地錨式預應力混凝土獨斜塔斜拉橋，塔墩梁固結體系如圖1所示。主跨170m，主跨索間距為8m，采用對稱的空間雙索面呈扇型布置，共18對拉索，地錨索間距為1.65m，采用單索面呈豎琴型布置，共17根拉索，塔上拉索間距為1.5m～3.0m，拉索強度標準值1670MPa。主梁為預應力混凝土肋板式斷面，采用C55高性能混凝土，橫梁間距為8m，橫梁間距與斜拉索索距相對應，為預應力混凝土結構，預應力鋼絞線標準強度為1860MPa。橋塔采用倒“Y”形橋塔，C50混凝土，與水平向呈71.57°布置。地錨箱基本斷面形式為單箱三室箱型截面，中間設兩道0.6m的橫隔板，中間錨室為斜拉索錨固區，錨索端構造采用凸齒式。主塔處承臺采用C40混凝土，為整體式結構，承臺尺寸為47×13.5m，高5m。主塔墩基礎采用10根樁徑4.0m的基樁，C30混凝土，順橋向兩排，一排采用豎向基樁，一排采用與豎向成20°的斜樁。

橋面全寬29.0m，雙向六車道，設計荷載等級為公路-I級。

圖1 斜拉橋總體布置圖(單位：cm)

2 有限元模型建立及工況分析

2.1有限元模型

采用橋梁通用分析軟件MIDAS/CIVIL建立芙蓉江大橋分析模型，如圖2所示。主梁、主塔、承臺、地錨箱及樁基礎均采用桿系梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬。主梁采用魚骨刺模型，橫隔梁以集中力方式施加在主梁上。樁基礎與土體之間采用彈簧單元模擬限制樁身水平和橫向的位移，樁底采用固結，地錨箱與土體之間采用彈簧單元模擬限制其水平、橫向及側向的位移且約束繞豎向和橫向的轉動，斜拉索與主梁之間采用彈性連接中“剛性”，約束主梁端部的橫向和豎向平動，其余構件之間均采用剛性連接。

對于樁-土及地錨箱-土相互作用，本文選用《公路橋涵地基與基礎設計規范》(JTG D63-2007)[15]附錄P中的“m”法來模擬，以彈簧單元模擬結構-土的相互作用。由于樁及地錨箱處于中風化灰巖中，巖質堅硬，巖體較完整，工程地質條件良好，巖石的飽和抗壓強度標準值為55.52MPa，巖石地基抗力系數不隨巖層埋深變化，因此根據上述地基規范取巖石地基抗力系數為15×106kN/m4[15]。

圖2 斜拉橋有限元模型

2.2工況分析

主要在以下荷載工況下進行結構的受力分析：

(1)體系升、降溫：按實際合龍溫度15℃，經綜合考慮后計算體系升溫20℃，體系降溫20℃；

(2)主梁與拉索結構溫差：±10℃；

(3)主塔兩側溫差：±5℃；

(4)收縮徐變：按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62-2004)[16]的相關規定進行計算，混凝土線膨脹系數取為0.00001；

(5)混凝土主梁梯度溫差按《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2004)[17]4.3.10條規定的梯度溫度計算；

(6)風力：橋位處10m 高處100 年一遇基本風速24.9m/s。與汽車組合的風速按橋面高度處25m/s 計算，超過25m/s 不與汽車荷載組合。

(7)汽車荷載：按公路Ⅰ級荷載計算，考慮多車道折減系數，6 車道按影響線加載。

3 計算結果分析

分別在橋塔日照溫差、橋塔受橫向風、收縮徐變效應、主梁日照溫差、體系溫差、索梁溫差及公路I級等7種荷載工況下對結構進行受力分析，分別取這些工況下結構最大計算結果的絕對值進行比較。為了研究方便，引入如下幾個結構敏感參數：

(1)主梁豎向最大位移f1/(mm)；

(2)塔頂的縱向水平位移f2/(mm)；

(3)主梁跨內最大彎矩M1/(kN·m)；

(4)塔梁連接處主梁彎矩M2/(kN·m)；

(5)橋塔所受最大彎矩M3/(kN·m)；

(6)斜拉索最大索力值T/(kN)。

3.1不同荷載對結構變形的影響

分別在不同荷載工況下對剛構體系的塔梁變形進行對比分析，計算值如表1～表2所示。此處只給出最不利荷載工況對結構變形云圖，公路I級和收縮徐變對主梁撓度、主塔偏位的影響如圖3～圖6所示。

表1 主梁撓度變形 f1/(mm)

表2 主塔偏位變形 f2/(mm)

由表1和表2可知，剛構體系的主梁撓度和主塔偏位在汽車荷載作用下都是最大的，其次是收縮徐變效應的影響，而主梁撓度在橋塔日照溫差作用下最小，主塔偏位在主梁日照溫差作用下最小。主梁撓度最大變化幅度為97.9%，主要是因為汽車荷載作用下，斜拉索索力變化最大，使得斜拉索對主梁的支承剛度最小，主梁產生的撓度最大，主塔最小偏位較最大值小了94.7%。說明汽車荷載對塔梁剛度的影響最大，其次是收縮徐變效應的影響，設計中應重點考慮汽車荷載和收縮徐變效應對塔梁變形的影響。

圖3 公路I級對主梁撓度影響

圖4 收縮徐變效應對主梁撓度的影響

圖5 公路I級對主塔偏位的影響

圖6 收縮徐變效應對主塔偏位的影響

3.2不同荷載對結構內力的影響

分別在不同荷載工況下對剛構體系的塔梁內力進行對比分析，計算值如表3～表5所示。此處只給出最不利荷載工況對結構變形云圖，公路I級、收縮徐變效應和橋塔日照溫差等對主梁彎矩、主塔彎矩的影響如圖7～圖10所示。

表3 主梁跨內最大彎矩值 M1/(kN·m)

表4 塔梁交接處主梁彎矩 M2/(kN·m)

圖7 公路I級對主梁彎矩的影響

圖8 收縮徐變效應對主梁彎矩的影響

圖9 公路I級對主塔彎矩的影響

圖10 橋塔日照溫差對主塔彎矩的影響

由表3～表4可知，汽車荷載作用對主梁彎矩的影響最大，其次是收縮徐變效應的影響，索梁溫差和主梁日照溫差的影響也達到了較大，橋塔日照溫差對主梁彎矩的影響最小。汽車荷載作用下，主梁跨內最大正負彎矩的最大變化幅度達到了97.9%和98.3%，而在收縮徐變作用下，主梁跨內最大正負彎矩最大變化幅度達到了96.4%和97.7%。這是因為汽車荷載作用使得主梁下緣受拉的程度最大，跨內彎矩達到最大，而塔梁交接處固結，使得該處的主梁上緣受拉程度最大，引起塔梁交接處的主梁彎矩最大。同時，該結構屬于多次超靜定結構，在收縮徐變作用下，限制了主梁的變形，使得在主梁內部產生了較大的次內力。結構設計中，汽車荷載反映了結構的合理性[18]，可通過降低汽車荷載對主梁內力的影響達到較為合理的結構形式，從而減小塔梁交接處的主梁彎矩，使得交接處的鋼筋量大大減小，有利于結構的施工，同時收縮徐變效應、索梁溫差和主梁日照溫差對主梁內力的影響也非常大，也應予以重點考慮。

表5 主塔所受最大彎矩值 M3/(kN·m)

由表5可知，在汽車荷載和橋塔日照溫差作用下，主塔的最大彎矩值基本相近，達到最大值，其次是收縮徐變效應、橋塔橫向風和體系溫差的影響，主梁日照溫差的影響最小，主塔彎矩最大變化幅度值達到了96.8%。主塔不平衡彎矩最大，主塔受壓性能最弱，因此主塔在汽車荷載和橋塔日照溫差作用的影響下受力最差，設計中應重點考慮該工況對主塔內力的影響，而橋塔橫向風、收縮徐變效應和體系溫差的影響也不容忽視。

3.3不同荷載對拉索最大索力值的影響

分別在不同荷載工況下對剛構體系的斜拉索最大索力值進行對比分析，計算值如表6～表7所示。

表6 主跨斜拉索的最大索力值 T/(kN)

表7 地錨斜拉索的最大索力值 T/(kN)

由表6～表7可知,在汽車荷載作用下,剛構體系的主索和背索最大索力值均達到最大，其次是收縮徐變效應和索梁溫差的影響，橋塔日照溫差對主索最大索力值的影響最小，主梁日照溫差對背索最大索力值的影響最小，體系溫差和橫向風的影響也不容忽視。這說明了汽車荷載作用對拉索的影響最為敏感，收縮徐變效應和索梁溫差對其影響也非常大，使得最大索力值較大。

4 結論

本文僅在橋塔日照溫差、橋塔受橫向風、收縮徐變效應、主梁日照溫差、體系溫差、索梁溫差及公路I級等7種荷載工況下，從塔梁內力、變形及索力3個方面對芙蓉江獨斜塔斜拉橋的剛構體系進行了研究，研究結果可得：

(1)汽車荷載作用對結構的內力、變形及索力的影響均達到最大，直接反映了結構設計的合理性，應予以重點考慮。

(2)斜拉橋屬于多次超靜定結構，收縮徐變效應引起了結構內部較大的次內力及變形，結構分析中應重視。

(3)拉索對溫度的影響較為敏感，使得索梁溫差引起了較大的主梁變形、內力及索力值。體系溫差對塔梁內力的影響均較大，主梁日照溫差主要影響主梁的內力及變形，對主塔的影響較小，橋塔日照溫差則剛好相反。由此可得，不同溫度對結構的影響極大且各不相同，設計中不可忽視溫度的影響。

(4)橫向風主要影響主塔的受力及背索索力，對主梁受力及主索索力的影響較小。

[1] 韓威.獨斜塔斜拉橋合理成橋索力及參數敏感性分析[D].成都：西南交通大學，2010.

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[8] 林元培.斜拉橋[M].北京：人民交通出版社，2004.

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[18] 李曉莉.獨塔斜拉橋的設計理論研究[D].上海:同濟大學,2006.

MechanicsAnalysisoftheRigidSystemofEarth-AnchoredCable-StayedBridgewithSingleInclinedPylon

ZHOULingling

(Minnan University of Science and Technology，Department of Civil Engineering，Quanzhou 362700)

Based on the constructed earth-anchored cable-stayed bridge with single inclined pylon in Guizhou,the software MIDAS CIVIL was used to set up the finite element modelto study on mechanical properties about the rigid system of earth-anchored cable-stayed bridge with single inclined pylon under the condition of seven loading cases,namely,tower temperature gradient,crosswind,shrinkage and creep,main girder temperature gradient,systems temperature variation,cable-beam temperature variation and vehicle loads,etc.The results of the analysis demonstrate that the influence of vehicle loads on cable force and the mechanical properties of the tower and beam is the most sensitive,then the influence of shrinkage and creep; the influence of different temperatures on cable force and the inner forces of the tower and beam is different and can not be ignored; the influence ofcrosswind on the mechanical properties of the tower is the primary but on the mechanical properties of the beam is the secondary.

Earth-anchored cable-stayed bridge；Single inclined pylon；Rigid system；Deformation；Inner forces；Cable forces

U448.27

A

1004-6135(2017)10-0081-05

周玲玲(1989- )，女，助教。

E-mail:448789385@qq.com

2017-06-13