獨塔雙邊箱梁斜拉橋結構分析

何錦權

(廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司 廣州市 510640)

斜拉橋是現代橋梁工程非常常見的橋梁形式之一，由橋塔、主梁和斜拉索組成，其跨越能力強，外形美觀大氣，適用性強，在交通建設領域發揮著重要作用。

從橋跨布置上，獨塔斜拉橋的跨徑相當于雙塔斜拉橋的一半，根據橋塔兩側的橋跨布置可分為等跨橋和不等跨橋。預應力混凝土斜拉橋主梁根據截面形式分為閉口截面形式和開口截面。閉口截面形式主要為箱形截面，開口截面形式主要有T形、n形、槽形等肋板截面。以實際工程為例，通過Midas Civil有限元軟件建模計算，分析獨塔雙邊箱梁斜拉橋的靜力計算結果和動力性能等。

1 工程概況

主橋主跨采用2×120m=240m獨塔PC 梁對稱斜拉橋方案，平行雙索面，全橋結構體系采用塔梁墩固結體系。主橋橋面為雙向六車道，并設有人行道，橫橋向斜拉索布置間距為28.5 m。主橋主梁采用PC 梁，順橋向錨固標準索距為6m；斜拉索按扇形布置，索塔索面由17 對高強度平行鋼絲拉索組成，共2×17對斜拉索。

圖1 主橋立面布置圖

主梁標準梁段采用預應力混凝土雙邊箱斷面結構，主梁中心梁高2.8m，全寬34.8m，箱梁寬7.45m，頂板厚0.3m，直腹板厚0.4m，斜腹板厚0.35m，底板厚0.35m。拉索錨梁寬1.8m，箱梁懸挑2.35m。0#塊主梁中心梁高2.8～3.6m，直腹板厚0.4～0.6m，箱梁挑臂在距離主梁中心線6.52m 處中斷，與橋塔回轉挑臂對齊，設置2cm 的伸縮縫，橋塔回轉挑臂2.8m。

索塔采用H 形鋼筋混凝土結構。塔底高程+4.36m，塔頂高程+90.075m，主塔自承臺頂以上塔高91.715m，主梁路冠頂面以上高75.0m。主梁結構頂面以上5m 處為材料分界線，分界線以下采用C55 混凝土，分界線以上采用C50 混凝土。為了減少塔柱自由長度，改善塔柱受力性能，增強大橋景觀效果，在距塔頂41m 處設置一上橫梁。上塔柱高41m，中塔柱高34m，下塔柱高16.715m。塔柱采用單箱單室截面。

拉索錨固區采用鋸齒塊構造，塔壁四周布置“井”形預應力；橫梁為預應力混凝土結構，其它部位均為普通鋼筋混凝土結構。

2 結構離散

主梁和主塔均按平面桿系理論，采用Midas Civil進行有限元建模，全橋共438個單元。主梁和主塔采用空間梁單元進行離散，拉索采用桁架單元模擬，斜拉索索端節點與主梁以及橋塔錨點通過剛臂連接。見圖2。

圖2 主橋三維計算模型

單元的劃分以及節點分布按照實際施工節段進行劃分橋塔和主梁單元，并且在截面變化的地方也應該進行劃分。斜拉索分別錨固在主塔和主梁上，因此在橋塔和主梁上與實際錨點對應的位置應該劃分節點，并與索端節點進行連接。在關心變形、內力情況的地方布置節點，以方便查看結構效應結果。

3 靜力計算

3.1 整體剛度

表1 主橋結構在汽車荷載的位移

在汽車荷載下，主橋主梁在車道荷載(不計沖擊力)作用下正負撓度之和62.5mm，小于豎向撓度容許120/500=240mm，滿足設計規范要求。

3.2 主梁強度

圖3 成橋主梁軸力圖(單位：kN)

圖4 成橋主梁彎矩圖(單位：kN·m)

基本組合作用下主梁根部最大軸向力為133830kN，主梁最大正彎矩為302222kN·m，最大負彎矩位于橋塔下橫梁位置，為102603kN·m；在頻遇組合作用下，主梁上緣最大壓應力為13.2MPa，下緣最大壓應力為7.3MPa。在標準組合作用下，主梁上緣最大壓應力為13.7MPa，下緣最大壓應力為7.5MPa。在標準組合作用下，主梁主壓應力最大值為13.6MPa。

3.3 主塔計算結果

圖5 成橋主塔內力圖

基本組合作用下主塔根部最大軸向壓力為230505kN，主塔最大彎矩為111878kN·m。在頻遇組合作用下，主塔最大壓應力為14.6MPa，位于中塔柱與下塔柱交界處，未出現拉應力。百年縱風組合作用下主塔根部最大軸向壓力為155215kN，主塔最大彎矩為55719.5kN·m；在百年橫風組合作用下，主塔最大壓應力為8.88MPa，位于上塔柱與中塔柱交界處。百年橫風組合作用下主塔根部最大軸向壓力為159451kN，主塔最大彎矩為71098.6kN·m；在百年橫風組合作用下，主塔最大壓應力為9.26MPa，位于中塔柱與下塔柱交界處。滿足相關規范要求。

3.4 斜拉索計算結果

圖6 成橋斜拉索索力圖(單位：kN)

斜拉索采用高強平行鋼絲成品索，抗拉強度標準值為1670MPa。從計算結果可知，拉索最大索力4562.1kN，最大應力561.6MPa，滿足設計規范要求。

4 結構的動力分析

4.1 邊界條件

表2 結構各部位邊界條件

△x、△y、△z分別表示沿縱橋向、橫橋向、豎橋向的線位移，θx、θy、θz分別表示繞縱橋向、橫橋向、豎橋向的轉角位移。1-約束，0-放松，K-基礎的彈簧剛度。

表3 基礎剛度表

kx、ky、kz分別表示沿縱橋向、橫橋向、豎橋向線剛度；kxx、kyy、kzz分別表示沿縱橋向、橫橋向、豎橋向轉角剛度。

4.2 結構動力特性

結構的動力特性分析是橋梁結構抗震計算分析的基礎，成橋狀態的動力特性前六階見表4成橋狀態動力特性，前四階振型圖見圖7主橋成橋狀態振型圖。

表4 成橋狀態動力特性

圖7 主橋成橋狀態振型圖

5 結構地震響應

5.1 抗震分析方法

本橋的地震響應按反應譜法計算。相應的反應譜采用《公路橋梁抗震設計細則》中的加速度反應譜。

水平設計加速度反應譜S由下式確定：

Smax=2.25C1CsCdA

式中：Tg—特征周期(s)；

T—結構自振周期(s)；

Smax—水平設計加速度反應譜最大值；

Ci—抗震重要性系數；

Cs—場地系數；

Cd—阻尼調整系數；

A—水平向設計基本地震加速度峰值。

計算用的加速度反應譜曲線見圖8。

圖8 地震影響系數曲線

5.2 反應譜計算分析結果

表5 E1地震作用下結構各主要部位地震響應

表6 E2地震作用下結構各主要部位地震響應

(1)E1地震作用下，橋墩和橋塔控制截面在縱、橫橋向的地震彎矩均小于結構的初始屈服彎矩，結構保持在彈性范圍，結構的抗震性能滿足規范要求。

(2)E2地震作用下，橋塔控制截面的地震彎矩均小于等效屈服彎矩，結構只發生可修復性損傷，滿足抗震性能目標要求。

6 結論

從主橋的計算結果可以得知，該橋主梁和主塔的剛度和強度均滿足規范要求，且有一定的安全儲備。斜拉索最大應力滿足大于2.5安全系數的要求，施工時應注意張拉順序和次數。主塔在地震作用下橋塔控制截面的內力小于首屈彎矩，為彈性狀態。經過計算分析，主橋結構受力合理，該算例對于橋梁設計人員具有一定的參考價值。