某大跨鋼-混組合梁斜拉橋靜動力特性探究

張星宇 裴輝騰 劉語涵

（1.江西高速石化有限責任公司，江西 南昌 330013；2.江西省交通設計研究院有限責任公司，江西 南昌 330022；3.同濟大學，上海 200092）

0 引言

斜拉橋是現代橋梁主要結構形式之一，它以優異的跨度能力、良好的經濟性在大跨度橋梁的競爭中脫穎而出[1-3]。斜拉橋誕生之初，主梁多采用鋼材，鋼材強度高、自重輕使其成為主梁的首選材料。

目前，斜拉橋仍以采用鋼梁為主。但是相比于混凝土價格，鋼材的價格偏高，此外在大跨度斜拉橋中，因鋼主梁自重輕，抗風穩定性能有所不足，需要采取各種措施增加其抗風穩定性。此外，鋼主梁橋面鋪裝的耐久性問題也是困擾工程應用的一大難題[4-5]。用混凝土梁代替鋼梁可以解決橋面鋪裝的耐久性問題，但由于混凝土的自重較大且抗拉強度低，用于大跨度斜拉橋時，會導致斜拉橋和橋塔基礎的費用增加，使整個結構的經濟性降低[6]。

近年來，國內陸續建造了很多鋼-混組合梁斜拉橋。許多學者也展開了對鋼-混組合梁斜拉橋的受力特性分析，包括復雜受力情況下和持久荷載作用下組合梁的受力特性與設計方法研究。此外，亦有學者針對鋼主梁與混凝土橋面板應力分布不均勻效應、內力分配問題，以及混凝土橋面板徐變和收縮效應等展開研究[7-9]。本文以鄱陽湖二橋鋼-混組合梁斜拉橋為研究背景，仿真計算分析該橋型靜、動力特性，以期為后續同類型橋梁的設計、施工提供有益參考。

1 工程概況

鄱陽湖二橋為鋼-混組合梁斜拉橋，主跨徑布置為116.4m+420m+116.4m。主孔采用梁、塔分離的半漂浮體系結構形式；主梁為鋼-混組合的結構形式，鋼梁為”工“字形型斷面，包括縱橫梁及壓重縱梁，其中縱梁間距26m。主塔采用橫向剛度大的寶瓶型，該形式具有良好的橫向抗扭性能，塔高均為137.91m。采用midas-civil建立全橋三維空間模型，如圖1所示。

圖1 有限元分析模型

2 計算模型

為研究鄱陽湖二橋鋼-混組合梁斜拉橋的靜動力性能，采用Midas建立該橋型的空間計算模型，通過結構離散法，共劃分節點總數為1606個，單元總數為1825個。

3 主橋整體結構靜力性能分析

3.1 拉索受力分析

鄱陽湖二橋的拉索布置型式為空間雙索面扇形，大橋共144根拉索，其中最長拉索長度達223m，型號為253Φ7，鋼絲標準強度1670MPa，采用環氧涂層保護。為了了解拉索的受力性能，本文分析了主橋的斜拉索、主梁和主塔在成橋狀態、收縮徐變完成后，運營階段的受力性能。

3.1.1 成橋狀態及收縮徐變完成后拉索受力性能分析

成橋狀態及收縮徐變完成后的拉索索力如圖2所示。由圖2可以看出，成橋狀態及收縮徐變完成后拉索的最大索力為邊跨編號為AI8的拉索，并且拉索在收縮徐變完成后可以明顯發現索力有所減小，同時也可以計算出，成橋階段拉索最大應力值為585MPa，拉索安全系數為1670／585＝2.85>2.5滿足設計保障的安全系數，表明拉索有足夠的安全儲備。

圖2 成橋階段及收縮徐變完成后斜拉索索力

3.1.2 運營階段拉索受力性能分析

標準值組合作用下拉索的索力如圖3所示。由圖3可以看出，在標準值組合作用下，拉索的索力靠近塔梁結合處變化幅度較小，往邊跨及中跨方向變化幅度增大，此外邊跨方向的索力變化幅度比中跨方向的變化幅度大，同時也可以計算出運營階段斜拉索最大應力值達663MPa，為邊跨A18號拉索，計算值小于斜拉索最大應力限值，滿足設計要求。

圖3 標準值組合下斜拉索索力

荷載作用下拉索應力從塔梁結合處往邊跨及中跨方向，拉索應力呈先增大后減小的趨勢，同時也可以看出活載引起的最大應力幅值為110MPa，斜拉索的選型滿足規范要求。

3.2 主梁受力分析

3.2.1 成橋狀態、收縮徐變完成狀態下主梁受力性能

鄱陽湖二橋的主梁為鋼-混組合形式主梁，由鋼梁和混凝土橋面板組成。成橋狀態與收縮徐變完成后主梁的最大受壓區為兩邊邊跨輔助墩位置處，并且隨著收縮徐變的完成，主梁最大受壓區的軸力有所減小。主梁的剪力與彎矩在塔梁結合處和邊跨輔助墩處較大，且在收縮徐變完成后主梁在邊跨輔助墩處的剪力及彎矩有所增大。

3.2.2 運營階段受力性能分析

升降溫的變化對主梁的結構力學響應有較大的影響，因此，本文通過模擬溫度變化分析主梁的受力性能，結果顯示升溫與降溫對主梁的軸力和彎矩影響顯著。在運營階段升溫、降溫，以及索梁溫差對主梁的軸力與彎矩影響是整體相反的。升溫、降溫和索梁溫差的改變對塔梁結合處和邊跨輔助墩處主梁局部剪力影響明顯。

3.3 主塔受力分析

主塔需要承受自重引起的恒載，也需要承受拉索水平荷載產生的彎矩作用。本文分析了成橋狀態、收縮徐變完成后，以及標準值組合作用下主塔受力性能。結果顯示，主塔的軸力最大處均在塔底根部，并且可以看出在標準值組合作用下，主塔的大部分區域均受壓。同時，混凝土的收縮徐變對主塔的縱向剪力及橫向彎矩影響較小，而對主塔的縱向彎矩影響較大。

4 主橋整體結構動力性能分析

橋梁結構的動力特性與其結構剛度相關，結構的固有振動特性是對其抗風、抗震問題研究的基礎。本文動力分析考慮風荷載及地震荷載對橋梁主體結構動力響應的影響，采用有限元分析方法分析主橋整體結構的動力性能，在有限元模型中，模型主橋采用空間模型，縱梁、小縱梁、橫梁、塔、墩及樁基礎均采用梁單元模擬。

4.1 結構抗風性能分析

采用有限元軟件分析風荷載作用下橋梁主體結構的動力特性，得到鄱陽湖二橋成橋狀態的整體動力特性如表1所示。從計算得到的前六階頻率及對應的振型情況來看，鋼-混組合梁斜拉橋橋梁具有以下特點：

表1 成橋狀態動力特性

該斜拉橋的自振周期較短。一階振型對應的自振周期為8.2861s，這表明該斜拉橋的整體結構剛度大；由表1可以看出，前五階振型中有四階出現對稱和反對稱振型，這表明橋梁邊跨輔助墩及塔梁結合方式對橋梁的橫向剛度影響較大；三階到六階振型的自振頻率較為集中。從2.0450Hz～2.7242Hz之間分布了4個振型，頻帶比較窄，這表明多個振型可能被同時激發。因此，在分析該類橋行動力時，需要考慮各相近頻率振型之間的相關性，采取合適的動力分析方法以確保分析精度。

4.2 結構抗震性能分析

為了進一步研究該鋼-混組合梁斜拉橋的動力特性，本文根據目前抗震設計方法的發展水平，按設計要求采用兩水準設防的抗震設計方法分析主橋工程抗震性能。主橋結構地震響應采用非線性時程法計算分析，非線性分析采用直接積分法，時程類型為瞬態；其中分析時間為50s，分析時間步長為0.02s，此外非線性分析采用質量和剛度因子計算阻尼（瑞利阻尼），非線性分析時間積分采用常加速度法。

地震計算接續靜力分析結果，并考慮兩種組合：水平橫向+豎向；水平縱向+豎向。其中，豎向地震系數取水平向。

通過驗算鄱陽湖二橋主橋設計方案中的截面配筋可以得出，該鋼-混組合梁斜拉橋在地震荷載下，輔助墩、主塔，梁端及跨中等構件的承載力均大于結構的地震響應，而且處于基本彈性狀態，滿足規范要求，亦驗證了該體系斜拉橋優良的抵抗地震的能力。

5 結論

對于該鋼-混組合梁斜拉橋，可以得出如下結論：鋼-混組合梁采用空間雙索面的布置方式，在成橋狀態及運營階段大橋的拉索在各種荷載工況下，均具有足夠的安全儲備，此外收縮徐變對斜拉索的索力有所影響；運營階段，升溫與降溫對主梁的受力性能影響顯著，同時改變升溫、降溫和索梁溫差對塔梁結合處及邊跨輔助墩主梁局部剪力影響明顯；在動力荷載分析中，鋼-混組合斜拉橋自振周期較短且能在3283年重現期的地震荷載中保持基本彈性，這體現了鋼-混組合梁斜拉橋優良的抗力性能，表明鋼混組合梁自重較輕的特性，對減小橋梁的動力響應有明顯優越性。