雙斜塔無背索斜拉橋拉索溫度效應分析*

楊吉新 楊蔣鶴立 周興宇 陳一赫 梁亞蘭

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

0 引 言

縱觀國內國外橋梁，無背索斜拉橋橋塔大多為獨塔斜拉橋，它只有主塔，塔上往往僅有單側索，橋塔通過單側索與主梁直接相連[1-2].橋塔的受力表現為在斜拉索索力及自身重力作用下的懸臂梁.為確保主塔處于良好的受力狀態，無背索斜拉橋的塔身一般都設計成傾斜的，依靠塔身的自重力矩來平衡斜拉索的傾覆力矩，因此組成了梁塔結構的平衡體系.而雙斜塔無背索斜拉橋主塔后無背索，副塔與主塔間以塔間斜拉索相連，分別錨固于主塔與副塔上，同時副塔與主梁以斜拉索相連，充分地利用了主副塔的自重[3-4].其獨特、新穎和復雜的構造與受力特點，造就了這種獨一無二的橋型.但是由于橋塔雙向傾斜，高而柔，因而容易受到溫度所引起的斜拉索熱脹冷縮的影響.斜拉索溫度效應對橋塔所產生的應力和結構變形將會給施工和施工監控帶來了很大的難度.目前國內外對這種橋型的斜拉索溫度效應分析的研究較少，大多集中于常規的斜拉橋和多塔的大跨度斜拉橋的溫度效應分析，即便是獨塔的無背索斜拉橋國內外對于其溫度效應的研究也是甚少的.雙斜塔無背索斜拉橋在國內建造尚屬首次，而當下國內對于其溫度效應研究幾乎沒有[5-6].人們往往更多的關注于它的梁體和橋塔的溫度效應，很少的去研究在無背索的情況下斜拉索的溫度效應所可能產生的影響[7]，因此，本文將以六安壽春西路橋為背景，通過有限元軟件Midas Civil 2015，建立全橋的空間有限元模型，對雙斜塔無背索斜拉橋的斜拉索溫度效應進行分析，為這一獨特橋型的施工和監控提供參考依據.

1 工程概況

壽春西路橋的主橋為雙斜塔無背索斜拉橋，主橋采用V型塔雙索面斜拉橋，橋梁整幅布置，標準寬度為47 m,主梁采用108 m+70 m的鋼混混合梁.塔柱采用矩形塔，主塔上塔柱高70 m，副塔上塔柱高50 m，下塔柱高約18.5 m塔柱順橋向為V型,橫橋向為∧型，主跨及邊跨側均設置8對斜拉索.

塔柱高低塔不對稱布置，塔柱縱、橫向均為傾斜布置且橋面以上塔間無橫梁，順橋向主塔無背索，副塔頂部亦無背索塔柱順橋向剛度小，變形大，橫橋向，塔柱無拉索支承，相當于豎向梁式結構，塔頂及塔梁固結位置外側受有較大的橫向彎矩，塔身中部內側受有較大的橫向彎矩，塔柱以壓彎受力為主.

下塔柱順、橫方向均為傾斜布置，考慮到橋面較寬，橫向變形較大，下塔柱塔肢間距寬約為31 m，設置成4肢布置以改善橫向受力，同時，下塔柱高約18.5 m，高度較矮，剛度大，受溫度變化，梁體軸線變形大等影響較大.

斜拉索均為空間索面且主塔為無背索布置，M1～M8斜拉索一端錨于主塔、一端錨于副塔、S1～S8斜拉索一端錨于副塔一端錨于鋼梁、B1～B8斜拉索一端錨于副塔一端錨于混凝土梁.所有斜拉索均于副塔位置存在錨固端，縱橫交錯布置.

2 有限元建模

本文結合了壽春西路橋的結構特點，利用有限元分析軟件Midas Civil 2015建立了全橋的實體模型，見圖1.全橋共747個節點、687個單元，其中包括639個梁單元(梁和塔)和48個桁架單元(斜拉索).模型以縱橋向(東西)為X方向，橫橋向(南北)為Y方向，豎向為Z方向.

圖1 雙斜塔無背索斜拉橋整體有限元模型

對于斜拉索而言，由于拉索的截面積較小且拉索內鋼絲的傳熱速度很快，溫度梯度可以忽略， 因此可以認為斜拉索內的溫度是均勻變化的.六安市屬于北亞熱帶向暖溫帶轉換的過渡帶，季風顯著，四季分明，氣候溫和，雨量充沛，光照充足，無霜期長.全區年平均氣溫14.6～15.6 ℃，但年內季間氣溫變化較大.最熱月七月份，月平均氣溫28.4 ℃，極端最高氣溫達43.3 ℃；最冷月元月份，月平均氣溫1.4 ℃，多數年份最低氣溫為-7～12 ℃.按JTG D60-2015《公路橋涵設計通用規范》規定，鋼箱梁部分溫熱地區最高溫度取 46 ℃，最低溫度取-9 ℃，體系溫度按 20 ℃ 考慮，為模擬該橋在實際溫度變化的情況，建立了兩個溫度荷載工況：升溫溫差取最高溫度與體系溫度差值26 ℃，降溫溫差取體系溫度與最低溫度差值19 ℃.

3 溫度效應分析

3.1 應力分析

根據雙斜塔無背索斜拉橋的受力特點，分別在主塔和副塔上選取了塔底、塔梁固結處，拉索錨固區起始處、1/2拉索錨固區、拉索錨固區末端為相應的控制截面，見圖2a).取其東西兩側的應力情況進行對比，見圖2b).其計算結果見表1～2.溫度效應所引起的橋塔應力圖見圖3.

圖2 斜拉橋示意圖

表1 主塔控制截面應力計算結果Pa

表2 副塔控制截面應力計算結果MPa

注：受拉為正，受壓為負.

圖3 溫度效應所引起的橋塔應力圖

由表1～2及圖3a)～d)可知，在整體升溫的荷載作用下，主塔東側主要承受拉應力，西側承受壓應力.副塔的應力在塔底至塔梁固結處東側主要承受壓應力，西側主要承受拉應力.在塔梁固結處至塔頂東西兩側應力以曲線變化，東側應力在1/2拉索錨固區附近達到拉應力的峰值，而西側應力在1/2拉索錨固區附近達到壓應力的峰值；在整體降溫的荷載作用下，主塔東側主要承受壓應力，西側承受拉應力.副塔的應力在塔底至塔梁固結處東側主要承受拉應力，西側主要承受壓應力.在塔梁固結處至塔頂東西兩側應力以曲線變化，東側應力在1/2拉索錨固區附近達到壓應力的峰值，而西側應力在1/2拉索錨固區附近達到拉應力的峰值.

由圖3e)～f)可知，在升溫作用下，主塔部分自塔梁固結段至拉索錨固區拉應力起主要作用，最大值出現在塔梁固結處附近，最大拉應力為1.35 MPa.而副塔整體以受拉為主，其最大拉應力位于1/2拉索錨固區附近，最大拉應力為1.45 MPa；在降溫作用下，主塔部分自拉索錨固區至塔頂以拉應力為主，最大值位于拉索錨固區起始處，最大值為1.12 MPa.副塔主要以承受壓應力為主.

3.2 變形分析

主塔與副塔在升溫與降溫作用下的結構位移情況見圖4,根據橋塔節點的位移情況，統計分析其X方向和Z方向的結構變形圖見圖5.

圖4 橋塔位移等值線

圖5 溫度作用下橋塔結構變形圖

由圖5可得出以下結論.

1) 無論是在整體升溫還是整體降溫的作用下，主塔和副塔的橫向結構變形量均很小.

2) 在橋塔結構受斜拉索溫度效應影響而產生變形的過程中，無論是主塔還是副塔其結構變形量，由塔底至塔頂逐漸增大.

3) 在整體升溫和整體降溫作用下，主塔和副塔的縱橋向結構變形方向為相向變化.即在整體升溫情況下主塔朝X正方向變化其最大值出現在塔頂為42 mm.副塔朝X負方向變化，其最大值同樣出現在副塔塔頂為-15 mm；整體降溫時，主塔朝X負方向變化其最大值為-47 mm.副塔朝X正方向變化其最大值為18 mm.

4)Z方向上，整體升溫時均產生朝Z負方向的結構變形，主塔為-26 mm,副塔為-9 mm;在整體降溫時均產生朝Z正方向的結構變形，主塔為29 mm，副塔為11 mm.

4 結 束 語

根據計算結果的比對分析，雙斜塔無背索斜拉橋的主副塔在斜拉索溫度效應作用下均承受了較大的拉應力，且出現于橋塔關鍵截面.主塔于塔梁固結處承受了1.35 MPa的拉應力，副塔于1/2錨固區承受了1.45 MPa的拉應力.這將會對橋塔的混凝土結構產生破壞開裂的不利影響.在合理求解塔梁固結處應力時應該充分考慮溫度作用，使其具備足夠充分的壓應力儲備.對于副塔塔體錨固區也是如此，以防止混凝土受到索溫度效應的影響而產生開裂，同時由于副塔存在多向交錯錨固，對錨固的位置也要做到精確定位施工，相關單位要加強施工和監控工作力度.

對比主副塔分析可知，主副塔的變形量由塔底至塔頂線性增大，最大值均出現在塔頂，其中X方向最大變形為47 mm，Z方向最大變形為29 mm.而副塔相對產生的變形量較少，X方向最大變形為18 mm，Z方向最大變形為11 mm.由此可見，其主塔由于無背向斜拉索，在斜拉索溫度效應的作用下相較于多向錨固的副塔更容易產生了大的結構變形.同時主副塔在拉索的溫度效應作用下，以縱向的結構變形為主，豎向次之，且主副塔的縱向結構變形趨勢為相向變化.鑒于其明顯的結構變形影響，本文認為應該在施工時充分考慮所處環境的溫度狀況，實時監控，準確對比和擬合其實際的變形情況.