地錨式獨(dú)斜塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系的受力研究

摘 要：以貴州芙蓉江大橋為工程背景，分別建立了剛構(gòu)、固結(jié)及支承3種結(jié)構(gòu)體系的斜拉橋有限元模型，分析3種體系在恒載和活載作用下主梁的內(nèi)力和變形，綜合確定其較優(yōu)的結(jié)構(gòu)體系。結(jié)果表明，剛構(gòu)體系的塔梁剛度較大，主塔偏位及主梁撓度最小，但主梁根部會出現(xiàn)較大的負(fù)彎矩；支承體系的主梁跨內(nèi)恒載正彎矩非常大，主梁受力性能差；活載對3種體系的主梁跨內(nèi)正彎矩影響不大。綜合分析得，獨(dú)斜塔斜拉橋采用塔墩梁固結(jié)體系較優(yōu)。

關(guān)鍵詞：斜拉橋；獨(dú)斜塔；結(jié)構(gòu)體系；變形；內(nèi)力

基金項目：地錨式獨(dú)斜塔斜拉橋受力性能與結(jié)構(gòu)體系（19KJX016）

20世紀(jì)60年代，德國建成了世界上第一座主跨301 m的獨(dú)塔斜拉橋（Severin橋）。據(jù)統(tǒng)計，在世界上已建成的斜拉橋中，獨(dú)塔斜拉橋占1/6～1/4[1]。1981年，四川金州縣曾達(dá)橋建成，這是我國第一座獨(dú)塔斜拉橋，其跨徑為39 m+71 m。據(jù)統(tǒng)計，目前，我國已建成的獨(dú)塔斜拉橋約占國內(nèi)斜拉橋的1/3[2]。可知，獨(dú)塔斜拉橋的發(fā)展雖然滯后于雙塔斜拉橋，但其后期發(fā)展還是比較迅速的。獨(dú)塔斜拉橋造型輕巧且美觀[3]，在大多數(shù)情況下其高聳的主塔與周圍的環(huán)境能良好地融合在一起。目前，修建的獨(dú)塔斜拉橋跨度都不大，其主梁不僅采用混凝土梁或者鋼梁。當(dāng)獨(dú)塔斜拉橋的懸臂長度超過150 m時，超過部分應(yīng)考慮用輕質(zhì)混凝土梁來建造，可獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益[4]。根據(jù)主塔與主梁連接方式的不同，斜拉橋結(jié)構(gòu)體系分為漂浮體系、支承體系、剛構(gòu)體系及固結(jié)體系[5-8]。國內(nèi)很多學(xué)者對結(jié)構(gòu)體系開展了研究[9-12]。本研究主要通過數(shù)值分析的方法對獨(dú)斜塔斜拉橋的剛構(gòu)體系、固結(jié)體系和漂浮體系進(jìn)行受力對比分析，研究了3種結(jié)構(gòu)體系在恒活載作用下的受力性能，確定獨(dú)斜塔斜拉橋受力最優(yōu)的結(jié)構(gòu)體系形式。

1 芙蓉江大橋概況

芙蓉江大橋是一座單跨地錨式獨(dú)斜塔混凝土斜拉橋，采用塔墩梁固結(jié)體系[11]（見圖1）。主橋跨徑長170.0 m，橋面全寬29.0 m，橋塔高98.5 m，采用倒“Y”形，與水平向呈71.57°。雙向六車道布置，公路-I級。

2 體系參數(shù)選取與有限元模型

2.1 結(jié)構(gòu)體系

針對本橋結(jié)構(gòu)體系分別進(jìn)行支承體系、固結(jié)體系及剛構(gòu)體系的設(shè)置，其邊界模擬和輔助墩處主梁邊界如表1所示。

2.2 有限元模型

采用MIDAS/Civil建立芙蓉江大橋分析模型，主梁、主塔、承臺及樁基礎(chǔ)均采用梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬，模型中未建出輔助墩。視地錨箱為剛體，主梁采用魚骨刺模型，橫隔梁以集中力方式施加在主梁上。斜拉索與主梁之間采用彈性連接中的剛性連接，樁基與地基之間采用固結(jié)，其余構(gòu)件之間均采用剛性連接。有限元模型如圖2所示。

3 計算結(jié)果分析

3.1 結(jié)構(gòu)體系對主梁變形的影響

分別對剛構(gòu)體系、固結(jié)體系及支承體系的主梁變形進(jìn)行對比分析，梁塔變形分別是活載和恒載作用下的值，具體情況如圖3所示。

由圖3可知，剛構(gòu)體系的主梁撓度f1在恒載和活載作用下都是最小的，在恒載工況下的主梁撓度分別較固結(jié)體系及支承體系小5.43%和9.34%，在活載工況下的主梁撓度f1分別較固結(jié)體系及支承體系小5.58%和7.49%。這也可以看出，剛構(gòu)體系的主梁剛度最大主要是由于塔墩梁固結(jié)。

3.2 結(jié)構(gòu)體系對主梁內(nèi)力的影響

對3種體系的斜拉橋塔梁活載和恒載內(nèi)力進(jìn)行分析，得到恒載、活載作用對3種體系的斜拉橋塔梁內(nèi)力的影響規(guī)律，塔梁的彎矩是分別在恒載、活載作用下的值，如圖4所示。

由圖4可知，活載作用對主梁彎矩的影響較小，而恒載作用對主梁彎矩的影響較大。在活載作用下，3種結(jié)構(gòu)體系的主梁跨內(nèi)最大正彎矩M1基本一致。在恒載作用下，剛構(gòu)體系的主梁跨內(nèi)正彎矩最小，固結(jié)體系次之，支承體系最大，剛構(gòu)體系的跨內(nèi)正彎矩分別較固結(jié)體系及支承體系小71.41%和93.67%。

在恒載、活載作用下，剛構(gòu)體系的主梁根部負(fù)彎矩值M2的絕對值分別較固結(jié)體系大75.09%和54.75%。主要是由于剛構(gòu)體系的塔墩梁固結(jié)。支承體系主梁根部都出現(xiàn)較大的正彎矩，且恒載下的彎矩絕對值很大，分別較剛構(gòu)體系及支承體系大62.88%和90.75%。由分析可知，在恒載作用下，支承體系的主梁受力性能最差。

4 結(jié)語

剛構(gòu)體系的主梁撓度偏位最小，活載作用對結(jié)構(gòu)體系的主梁跨內(nèi)正彎矩影響不大，剛構(gòu)體系的主梁跨內(nèi)恒載正彎矩最小，在恒活載作用下，其主梁根部會出現(xiàn)較大負(fù)彎矩峰值，支承體系的主梁跨內(nèi)恒載正彎矩非常大，主梁受力性能差。綜合分析可得，獨(dú)斜塔斜拉橋采用塔墩梁固結(jié)體系是較優(yōu)的。

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