大跨徑部分斜拉橋拉索橫隔板的構造設計研究

趙 艷,羅富元,凌塑奇

(廣西交通設計集團有限公司,廣西 南寧,530029)

0 引言

部分斜拉橋是梁橋和斜拉橋的組合結構,與常規的斜拉橋相比,部分斜拉橋的拉索應力幅較小,后期運營換索的費用低;與梁橋相比,部分斜拉橋由于設置拉索,拉索可以作為體外預應力,有效解決大跨徑連續剛構后期運營中的跨中下撓、腹板開裂等常見病害[1-3]。部分斜拉橋為了降低工程造價,減少后期運營成本,主梁往往采用預應力混凝土結構。在拉索錨固位置處的主梁,受拉索集中力的作用,受力較為復雜[4-5]。在拉索錨固區采用合理的橫隔板構造來改善該區域的應力狀況,是工程設計的關鍵[6]。本文以主跨為280 m的部分斜拉橋作為研究背景,采用不同的橫隔板設計方案進行對比,從而得出最優方案。

1 項目概況

培森柳江特大橋主橋為(145+280+145) m的雙塔單索面的部分斜拉橋。該橋是廣西賀巴高速公路的控制性工程,是目前在建的世界最大跨度的公路預應力混凝土部分斜拉橋。

2 橫隔板方案設計

該主橋箱梁寬度為29 m,截面形式為整幅單箱三室直腹板箱梁,中間箱室寬度為2.2 m,兩邊箱室寬度為7.15 m。

每個塔的拉索共23對。拉索錨固在主梁的中間箱室處,索力通過錨固區傳至梁體,在錨固區通常需要設置橫隔板來改善該區域的受力。由于本橋拉索錨固在中間箱室,中間箱室橫隔板設置為整體式橫隔板。為了研究邊箱室橫隔板的剛度對梁體應力的影響,按照邊箱室橫隔板的挖空率由大至小,設置為以下3種方案。

方案一:采用整體橫隔板,僅在兩邊箱室橫隔板處各預留一個過人孔,該方案的橫隔板剛度最大。

方案二:邊箱室橫隔板在方案一的基礎上加大挖空率,采用橫隔板上緣厚2 m,兩側和下緣各厚0.5 m的回字形設計。該方案的橫隔板剛度較小。

方案三:考慮到拉索處橫隔板受力主要集中在上緣,邊箱室橫隔板只在靠近頂板的位置設置,高度為2 m。該方案的橫隔板剛度最小。

3個方案的橫隔板橫斷面如圖1～3所示。中橫隔板寬2.2 m,兩側邊橫隔板寬7.15 m。

圖2 橫隔板方案二示意圖(m)

圖3 橫隔板方案三示意圖(m)

3 計算模型

利用ANSYS軟件根據主梁、拉索處橫隔板結構實際尺寸建立主梁節段實體模型,選取根部附近至第7根拉索附近共36 m長主梁節段建立模型。根據3個橫隔板設計方案建立3種形式橫隔板節段實體模型并進行分析。對于拉索齒塊部分單元采用實體單元并進行自由網格劃分,總體單元尺寸0.2m。對于預應力索采用LINK8單元模擬。有限元模型(方案二、方案三僅示意1/2斷面)如圖4～6所示。

圖4 方案一有限元模型圖

圖5 方案二有限元模型圖

圖6 方案三有限元模型圖

本部分計算主要關注索力和車輛荷載作用橫隔板的局部應力情況,考慮的荷載主要包括自重、收縮徐變、二期恒載、預應力和汽車荷載。從全橋整體計算模型中提取成橋階段的梁端截面的軸力、剪力、彎矩等內力結果,如表1所示。將內力作為荷載邊界條件施加在局部分析模型中。拉索編號C1～C7按橋塔往跨中方向排序,如圖7所示。

表1 計算荷載取值表

圖7 拉索布置示意圖

計算荷載組合包括兩個工況:

(1)工況一:恒載+收縮徐變+預應力+汽車橫向偏載。

(2)工況二:恒載+收縮徐變+預應力+汽車橫向滿布。

4 三種橫隔板方案的受力分析

通過比較3種橫隔板方案的中橫隔板和邊橫隔板的主拉應力S1、豎向拉應力Sz、橫向應力Sy,對橫隔板的受力進行分析。同時為了評估橫隔板的剛度對主梁應力的影響,提取頂板的橫向應力St和底板的橫向應力Sb進行分析。為了對比不同拉索位置的橫隔板受力情況,選取了C1拉索橫隔板位置(靠近橋塔)、C7拉索橫隔板位置(靠近跨中)進行分析,同時對比中箱室橫隔板(以下簡稱中橫隔板)和邊箱室橫隔板(以下簡稱邊橫隔板)的受力。分析結果見表2～4。

表2 C1拉索橫隔板位置的應力計算結果表(MPa)

從表2、表3的應力計算結果可看出:隨著箱梁橫向剛度減弱,方案一到方案三的橫隔板主拉應力S1、豎向應力Sz、橫向應力Sy增加趨勢較明顯。例如C1拉索位置的邊箱橫隔板處主拉應力S1由2.07 MPa增加至10.4 MPa,豎向應力Sz由1.72 MPa增加至7.97 MPa,橫隔板的橫向應力Sy由0.93增加至9.80 MPa。對比C1拉索和C7拉索橫隔板位置的應力結果,可發現越靠近橋塔的位置,應力值越大。

表3 C7拉索橫隔板位置的應力計算結果表(MPa)

方案一采用挖空率較小的整體橫隔板,主拉應力最大位置發生在中橫隔板拉索錨固點處。各拉索橫隔板位置的最大主拉應力為2.07～3.52 MPa,越靠近橋塔處橫隔板應力越大。主拉應力主要分量為豎直方向。

方案二采用橫隔板挖空率加大,即橫隔板為回字形,橫隔板剛度較方案一弱,與方案一模型相比,最大主拉應力也發生在中橫隔板位置,垂直于拉索錨點傳力方向的兩側,主拉應力峰值超過10 MPa,且橫隔板的豎向應力和橫向應力與方案一相比,亦有較大的增加。由表4可知,由于橫隔板的傳力作用減小,使主梁橫向兩側撓曲增大,底板的橫向拉應力增大較為明顯,比方案一增加約2 MPa。

表4 主梁的橫向應力計算結果表(MPa)

方案三采用取消靠近底板處橫隔板,即橫隔板為扁擔形,該方案橫隔板剛度最弱。模型三結果和模型二結果相比,除了橫隔板的主拉應力、豎向應力和橫向應力均加大以外,相對于方案二的回字形橫隔板,底板橫向拉應力為7.83 MPa,底板受力最為不利。

5 結語

本文以某大跨徑部分斜拉橋為例,通過采用實體有限元軟件,對不同形式拉索橫隔板進行了受力分析,得到以下結論:

(1)隨著拉索處橫隔板挖空率加大,即箱梁的橫向剛度減弱時,橫隔板的主拉應力S1、豎向應力Sz、橫向應力Sy應力均加大,箱梁的底板受力更為不利。故對于寬幅箱梁來說,加大橫隔板的剛度是有必要的,建議采用僅設置過人洞的整體式橫隔板。

(2)橫隔板的剛度對于主梁頂板橫向應力影響不大,但對于梁底橫向應力有較大的影響,隨著橫隔板橫向剛度減弱,梁底橫向應力增加明顯。

(3)拉索錨固區處橫隔板的受力趨勢為越靠近橋塔位置的橫隔板應力越大。