非對稱獨塔斜拉橋塔梁墩固結(jié)區(qū)橫向分析

尚 晉

(大連理工大學(xué)土木建筑設(shè)計研究院有限公司 大連市 116024)

0 引言

斜拉橋因塔梁墩的不同連接方式，形成不同的結(jié)構(gòu)體系，即漂浮體系、支承體系、塔梁固結(jié)體系和塔梁墩固結(jié)體系[1-4]。其中塔梁墩固結(jié)形式的斜拉橋結(jié)構(gòu)整體剛度較大，可不用設(shè)置大型支座，特別適用于獨塔斜拉橋[5-6]。除了橋塔巨大的軸力傳遞給塔梁墩固結(jié)區(qū)外，主梁的彎矩、剪力和軸力也匯集于此，因此，塔梁墩固結(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)和受力均較為復(fù)雜，是該類型斜拉橋的設(shè)計關(guān)鍵部位[7-8]。以某三跨非對稱獨塔斜拉橋為工程背景，建立全橋模型以及塔梁墩固結(jié)區(qū)橫向受力模型，對其進(jìn)行分析設(shè)計。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

某三跨(30.5+56.5+170=257m)非對稱獨塔雙索面斜拉橋，橋?qū)?3m，采用塔梁墩固結(jié)體系。小里程側(cè)主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土單箱多室結(jié)構(gòu)，大里程側(cè)主梁采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)。由于體系為塔梁墩固接體系，在固接處做成鋼筋混凝土主梁以增大剛度，抵抗體系的不平衡力矩，結(jié)合段選在主跨側(cè)彎矩較小的位置。橋塔為空間結(jié)構(gòu)，采用鋼箱結(jié)構(gòu)，與橋墩結(jié)合處設(shè)鋼混結(jié)合段。小里程側(cè)設(shè)置6對背索，大里程側(cè)設(shè)置12對斜拉索。結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 總體布置示意圖(單位：cm)

1.2 塔梁墩固結(jié)區(qū)構(gòu)造

本橋塔梁墩固結(jié)區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，主梁在橋塔處直接與橋塔固結(jié)，與主墩形成一體，此區(qū)域設(shè)置縱橫豎向預(yù)應(yīng)力鋼束，鋼筋布置密集，其結(jié)構(gòu)形式如圖2、圖3所示。固結(jié)區(qū)不僅有橋塔傳遞的巨大軸力，而且縱橫向橫梁位置均產(chǎn)生較大的彎矩、剪力和軸力，受力也較為復(fù)雜[9-10]。

圖2 塔梁墩固結(jié)區(qū)立面圖(單位：cm)

圖3 塔梁墩固結(jié)區(qū)平面圖(單位：cm)

主梁在橋塔處無支座，通過橫梁使塔梁墩固結(jié)。此處橫梁既是主梁中的橫隔梁，又兼具塔柱橫向連接作用。橫梁主要承受由結(jié)構(gòu)自重和活載產(chǎn)生的彎矩和剪力，同時承受邊跨和主跨兩側(cè)不平衡彎矩所產(chǎn)生的扭矩，為彎剪扭受力構(gòu)件。橫梁與塔柱連接處的應(yīng)力集中較為明顯，由于自身為單箱雙室截面(高4m，寬約10m)，抗扭剛度較大，此位置處的主梁應(yīng)力水平不高。

塔柱在橫梁位置處為實心截面，上端連接鋼混結(jié)合段，下部橋墩為箱型空心截面，塔柱和橋墩固結(jié)成整體。除了縱橋向自重及拉索索力產(chǎn)生的墩底應(yīng)力外，橫橋向橋墩和橫梁形成橫向框架結(jié)構(gòu)，由于張拉橫梁預(yù)應(yīng)力及溫度的影響，易使墩底外側(cè)產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力，威脅結(jié)構(gòu)安全。

由此可知，塔梁墩固結(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)形式不僅復(fù)雜，而且其設(shè)置的合理與否直接影響結(jié)構(gòu)安全，是控制本橋設(shè)計的關(guān)鍵因素之一。

2 有限元分析

2.1 有限元模型

本橋采用通用有限元軟件Midas Civil建立全橋整體模型，對全橋進(jìn)行整體性分析，同時建立橋塔處橫梁框架模型進(jìn)行橫向分析，為橋塔處橫梁、橋墩及基礎(chǔ)設(shè)計提供依據(jù)。

全橋模型如圖4所示，模型共用節(jié)點530個，單元464個，其中梁單元428個，桁架單元36個，采用彈性連接模擬支座，樁采用節(jié)點彈性支撐約束，土彈簧剛度通過m法計算確定。通過整體模型可以得到傳遞到橋塔橫梁恒載及活載，同時得到橋塔處墩底及基礎(chǔ)的縱向受力情況。

圖4 全橋有限元模型示意圖

橋塔橫梁橫向分析模型如圖5所示，塔柱橋墩及橫梁形成橫向框架，橋位處在北方嚴(yán)寒地區(qū)，較大的溫差對結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生不利影響。通過對橋塔橫梁進(jìn)行有限元分析，可以確定橋塔橫梁受力情況，同時分析橋塔橋墩及基礎(chǔ)橫向受力，與縱向受力結(jié)果共同確定最終受力狀態(tài)。

圖5 橋塔橫梁有限元模型示意圖

2.2 計算荷載

(1)恒載：包括橫梁自重、主梁傳遞的恒載及二期荷載。

(2)收縮、徐變：按規(guī)范[11]計算。

(3)活載：考慮縱向傳遞后按橫向最不利布置。

(4)體系溫度：整體升溫24℃，整體降溫38℃。

(5)風(fēng)荷載：按規(guī)范[12]計算。

2.3 結(jié)果分析

(1)橋塔橫梁配置42根19Φs15.2mm規(guī)格的預(yù)應(yīng)力鋼束，橫梁計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 頻遇組合下正截面抗裂驗算包絡(luò)圖(單位：MPa)

由圖6可知，在使用階段頻遇組合下，截面最大拉應(yīng)力為0.96MPa，小于0.7ftk=1.855MPa，滿足規(guī)范[13]的要求。

圖7 準(zhǔn)永久組合下正截面抗裂驗算包絡(luò)圖(單位：MPa)

由圖7可知，在使用階段準(zhǔn)永久組合下，截面未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范[13]的要求。

圖8 斜截面主拉應(yīng)力驗算(單位：MPa)

圖9 斜截面主壓應(yīng)力驗算(單位：MPa)

由圖8、圖9可知，截面最大主拉應(yīng)力為1.22MPa，小于0.5ftk=1.325MPa，滿足規(guī)范[13]的要求；截面最大主壓應(yīng)力為10.48MPa，小于0.60fck=19.440MPa，滿足規(guī)范[13]的要求。

圖10 正截面壓應(yīng)力驗算包絡(luò)圖(單位：MPa)

由圖10可知，在標(biāo)準(zhǔn)組合下，截面最大壓應(yīng)力為10.48MPa，小于0.5fck=16.2MPa，滿足規(guī)范[13]的要求。

綜上所述，橋塔橫梁在恒載、活載、風(fēng)荷載以及溫度等共同作用下滿足規(guī)范[13]要求。

(2)橋墩橫向受力計算結(jié)果如表1所示。

表1 橋墩應(yīng)力結(jié)果(單位：MPa)

由表1結(jié)果可知，橫向受力分析引起的橋墩拉應(yīng)力較大，計算方面需綜合考慮縱橫向結(jié)果進(jìn)行設(shè)計分析；結(jié)構(gòu)方面可在橋墩受拉部位增設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼束，減小拉應(yīng)力；施工方面可以在橋塔橫梁結(jié)構(gòu)中部預(yù)留后澆段，采用頂推施工措施來改善橋墩受力，增加壓應(yīng)力儲備[14]。

3 結(jié)語

(1)本橋?qū)λ憾展探Y(jié)區(qū)進(jìn)行橫向計算分析，最終確定了橋塔橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束的配置情況，橋塔橫梁滿足規(guī)范要求；分析了橋墩橫向受力情況，為配置相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力鋼束及普通鋼筋提供依據(jù)。

(2)對結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件建立桿系模型進(jìn)行計算分析，簡單快捷，方法可靠，可方便指導(dǎo)工程設(shè)計；但無法分析橫梁與橋塔連接處的局部應(yīng)力增大情況，可以考慮采用實體局部模型進(jìn)一步分析[15]。

(3)橫向框架結(jié)構(gòu)在降溫、收縮徐變、風(fēng)荷載等作用下橋墩拉應(yīng)力不可忽略，構(gòu)件設(shè)計需綜合考慮縱橫向受力。

(4)橋塔橫梁預(yù)應(yīng)力的張拉可以改善自身受力情況，但是過大的預(yù)加力將使橋墩與橫梁連接處內(nèi)側(cè)受拉，因此需合理配置橋塔橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束。

(5)通過增設(shè)橋墩預(yù)應(yīng)力鋼束可以有效降低其拉應(yīng)力，同時可采用頂推施工措施來改善橋墩受力，增加壓應(yīng)力儲備。