無背索斜拉橋設計參數與結構靜力性能研究

(西安工業大學建筑工程學院 陜西 西安 710021)

一、前言

無背索斜拉橋與常規的直塔斜拉橋除在外形上有所不同外，二者的力學行為和傳力途徑也有很大的差異。在常規的直塔斜拉橋中，由于斜拉索產生的水平力在塔的根部可以相互平衡；而在無背索斜拉橋中，由斜拉索產生的水平力在塔根部只能與塔柱的水平分力相平衡。同時，無背索斜拉橋由于取消岸側背索，依靠塔柱傾斜來平衡橋面恒載和活載，所以受力性能變得更為復雜，尤其是塔、梁、墩固接節點部位，需承受來自主梁的巨大軸力、剪力、彎矩及扭矩的共同作用[1]。

本文以某大橋為依托通過主塔傾角、主塔橫梁設置等多種參數來分析全混凝土無背索斜拉橋設計參數的改變對結構靜力性能的影響。在進行參數分析時，一般使被考察的參數變化一定的幅度，其他參數采用設計時的基準值，在這個條件下來分析設計參數對結構的影響程度。

二、主塔傾角影響分析

無背索斜拉橋主塔的傾斜角度不僅影響斜拉索的長度和索力還在很大程度上影響主梁和索塔的位移以及塔根彎矩，所以主塔的傾斜角度是一個不可忽視的關鍵參數。在此保證結構其他參數不變將斜塔的傾角[7]修改為44°、49°、54°、59°、64°、69°、74°，關注結構塔根處應力、全橋最大斜拉索索力及主邊跨主梁變形值等，其計算結果如圖1～6所示。

圖1 不同塔傾斜角的塔根應力圖

圖2 不同塔傾斜角的最大斜拉索索力

圖3～6為不同橋塔傾斜角度的結構在活載作用下主跨主梁最大變形、邊跨主梁最大變形、主塔最大變形及斜拉索索力最大幅值的變化規律。

圖3 主跨主梁最大變形值圖

圖4 邊跨主梁最大變形值圖

由圖1～6可知，隨著塔柱傾角θ的增加，塔根處壓應力先減小后增大，而成橋最大橋索力的分布呈逐漸減小的趨勢。在活載作用下，主跨跨中撓度值隨塔柱傾角增大而減小、邊跨撓度變化趨勢相反；隨塔柱傾角增大，主塔塔頂順橋向變位值先增大后減小，而索力變化的幅值則呈單調遞增的趨勢。

圖5 主塔最大變形值

圖6 拉索應力最大幅值

綜上所述，本依托工程主塔角度的主塔角度在試算區間[44°，74°]內有最優解，最優解為57°，與計算結果59°十分接近，該設計與計算十分吻合。

三、塔梁剛度比的影響分析

主塔剛度的變化只對主塔的彎矩偏位有影響而對主梁的影響不大[2]，但主梁剛度的變化對斜拉橋的整體受力影響較大[3]。斜塔的施工比較復雜，其剛度更容易產生較大誤差。故在此保持主梁剛度不變，修改主塔剛度來研究塔梁剛度比分別為0.8、1.0、1.2時對結構受力的影響。主塔的剛度的改變通過修改混凝土的彈性模量E來實現。

結構在活載作用下的計算結果如圖7～10所示：

圖7 不同塔梁剛度比的跨中撓度

圖8 不同塔梁剛度比的塔頂偏位

圖9 不同塔梁剛度比的塔底彎矩

圖10 不同塔梁剛度比的索力值

由圖7～10可知：跨中撓度、塔頂偏位均隨塔梁剛度比的增大而減小,這說明塔梁剛度比的增加有利于結構的變形；塔底彎矩、索力值均隨塔梁剛度比的增大而增大，由于本橋是超靜定形式，橋塔的剛度的變化對結構的受力影響比較復雜，所以塔底彎矩、索力值會有所增加。

四、不同結構體系的受力比較

對于全混凝土結構，由于自重較大，半漂浮體系比較難實施，應用較少。故以下分析僅比較剛構體系與塔梁固結體系的受力特點。分析中結構的其他參數均不改變，塔梁固結體系僅去掉墩柱與主梁的連接，在墩頂設置支座以支撐結構受力。結構受力比較如圖11～12所示。

圖11 塔梁固結不同傾斜角度的索力值

圖12 塔梁墩固結不同傾斜角度的索力值

由圖11～12可知：塔梁固結形式下6～13號索的索力隨橋塔傾斜角度的增加而增加，塔梁墩固結形式下3～13號索的索力隨橋塔傾斜角度的增加而增加，故塔梁墩固結形式索的受力更加均勻。對于全混凝土的無背索斜拉橋設計，考慮混凝土的結構自重引起的長期撓度、斜拉索索力的均勻程度等因素，采用塔墩梁固結的結構形式更加合理。

五、結論

本文以某大橋為依托分析了、塔的傾斜角度、塔梁剛度比、不同結構體系、主塔橫梁設置等設計參數對結構靜力性能的影響。結論如下：

(1)本依托工程主塔角度的主塔角度在試算區間[44°，74°]內有最優解，最優解為57°，與計算結果59°十分接近，該設計與計算十分吻合。

(2)塔梁剛度比的增加有利于結構的變形但是塔梁剛度比的增大可能引起塔底彎矩、索力值的而增大。

(3)對于全混凝土的無背索斜拉橋設計，考慮混凝土的結構自重引起的長期撓度、斜拉索索力的均勻程度等因素，采用塔墩梁固結的結構形式更加合理。