斜拉橋主塔橫梁設計參數(shù)對結構靜力性能的影響

李德旭 喬文靖 彭晶蓉

（西安工業(yè)大學，陜西 西安 710014）

無背索斜拉橋以獨特的造型成為城市橋梁的首選橋型之一。獨塔無背索斜拉橋主塔只有單側有斜拉索，以塔身的自重力矩來抵消斜拉索的傾覆力矩。如果主梁采用自重較大的混凝土結構，則需要主塔提供相應較大的傾覆力矩，可以在主塔上部增加主塔橫梁以滿足要求，既能增加塔身的自重以達到結構整體靜力平衡，還能加強兩側主塔之間的聯(lián)系剛度。

一、工程概況

橋梁全長120m，橋寬30.5m，跨徑為80m+40m雙索面無背索斜拉橋，橋梁主跨80m，橋塔高65.9m，主梁為預應力混凝土梁，主塔為實心混凝矩形截面，主塔傾角為59°，全橋布置13對斜拉索，塔梁墩固結形式。橋型如圖1所示。

圖1 橋型布置圖

表1 4種橫梁設置參數(shù)表

二、設計方案及模型建立

（一）4種橫梁設置方案

為更加直觀地對比橫梁設置對結構體系靜力特性的影響，共擬定4種對比方案，4種方案的設計參數(shù)，如表1所示，表中有橫梁方案均為三道橫梁，三道橫梁均設置在主塔無索區(qū)，且相對位置不改變。由于4種方案設計參數(shù)的不同，必然引起成橋時刻索力、應力、變形的不同，影響成橋狀態(tài)。

（二）模型建立

利用有限元軟件Midas Civil建立無背索斜拉橋有限元分析模型，主梁和主塔采用梁單元，斜拉索采用只受拉的桁架單元。全橋共劃分為296個節(jié)點，165個單元。橫梁與主塔之間采用剛性連接。按照實際的施工順序建立施工階段。

三、靜力性能分析

（一）斜拉索受力分析

斜拉橋的高次超靜定結構特點決定了結構任意參數(shù)的變化，均可引起施工階段索力值的變化，而成橋索力值對應著最不利荷載組合下的索應力值。

待橋塔有索區(qū)施工完畢，施工主塔上部無索區(qū)開始進行主塔橫梁施工。4種施工方案對應最不利荷載組合作用下的索應力值，如圖2所示。

由圖2可知，方案1與方案2的橫梁壓重相同，斜拉索成橋時刻索應力值相同，而方案3較前兩者壓重小，故索應力力值有所減小，方案4中無橫梁時，索應力值最小；橫梁配重越大，長索索應力值越大；而4種方案對短索索應力值的影響很小，可忽略不計。4種方案全橋索應力分布規(guī)律基本一致。

圖2 4種方案成橋時刻拉索應力值

圖3 主梁變形圖

（二）主梁變形及應力分析

主塔橫梁的設置會增加橋塔的自重從而引起索力的增加，主梁受到的向上的豎向分力就會增加，同時主梁受到的向主塔方向的軸力也會增加，因此，主塔橫梁的設置會對主梁的應力和變形構成影響。

分析4種方案在承載能力極限狀態(tài)下的受力，4種方案主梁均全截面受壓，且滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG3362-2018)中關于抗壓強度的規(guī)定。

由圖3可知，方案1、方案2的主塔橫梁自重相同，故主跨主梁變形相同；方案3主塔橫梁自重小于方案1，故主跨主梁的變形值大于方案1；方案4無橫梁，故主跨主梁變形值最大。4種方案對邊跨主梁的變形影響不大。4種方案的變形值均滿足《公路斜拉橋實施細則》（JTG/T D65-01-2007）中關于不對稱獨塔斜拉橋最大豎向撓度不大于主跨L/500=16cm的要求。

（三）主塔應力及變形分析

圖4 方案1～方案4主塔應力圖

圖5 方案1收縮徐變變形圖

圖6 方案4收縮徐變變形圖

表2 4種方案收縮徐變主塔變形值（單位：mm）

主塔的應力和位移是由自重和索力決定的，主塔橫梁的設置增加了主塔的自重，從而對主塔應力和變形造成影響，塔根處的應力對橋塔自重的影響最為敏感，塔頂位移在長期荷載作用下，由于收縮徐變作用有所增加。

方案1和方案2中主塔橫梁自重相同，塔根處邊跨側壓應力均為2.6MPa；方案3中小空心橫梁自重小于方案1，塔根處邊跨側壓應力為1.5MPa；方案4中無橫梁，由于壓重不足，故引起主塔根部邊跨側出現(xiàn)1.7MPa拉應力，具體如圖4所示。

在長期荷載作用下，結構由于材料收縮徐變而產(chǎn)生的變形值如圖5、圖6所示，變形數(shù)值如表2所示。主塔向邊跨側變形時方向為正。

如圖5、圖6和表2所示，方案4由于沒有設置橫梁，主塔在長期荷載作用下向主跨側發(fā)生了偏移，從而引起主跨側斜拉索松弛；方案1、方案2、方案3由于上部有橫梁壓重，結構即使發(fā)生收縮徐變變形，主塔也不會向主跨側發(fā)生位移。可見，全混凝土無背索斜拉橋，主塔上橫梁的設計十分必要，在滿足結構整體靜力平衡的前提下，對于同樣重量的實心橫梁與空心橫梁靜力性能相差無幾，且實心橫梁更便于施工。