某高速公路雙塔斜拉橋成橋狀態(tài)與斷索工況有限元數(shù)值模擬分析

摘 要：大跨度斜拉橋是跨越深溝峽谷的山區(qū)橋梁常見的結(jié)構(gòu)型式之一。文章為研究斜拉橋運(yùn)營狀態(tài)下斷索后結(jié)構(gòu)響應(yīng)變化的情況，以某高速公路大跨度雙塔斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，利用有限元軟件?duì)成橋索力和斷索工況進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果表明：基于彎曲能最小法得到雙塔斜拉橋成橋索力，索力由近塔處向遠(yuǎn)塔處逐漸增大，整體分布較為均勻；根據(jù)斷索時(shí)索力整體變化情況，建議拉索設(shè)計(jì)時(shí)邊索安全系數(shù)應(yīng)適當(dāng)提高，雙塔斜拉橋在進(jìn)行斷索計(jì)算時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注中跨長拉索斷裂工況。此外，實(shí)橋中應(yīng)避免斷2根拉索以確保足夠的安全儲(chǔ)備。

關(guān)鍵詞：山區(qū)橋梁；雙塔斜拉橋；有限元軟件；合理成橋狀態(tài)；斷索工況

中圖分類號(hào)：U448.27

0 引言

雙塔斜拉橋是大跨度橋梁的重要組成部分。相比于連續(xù)剛構(gòu)、拱橋，雙塔斜拉橋跨越能力更大，結(jié)合橋位地形地質(zhì)能夠應(yīng)用于200～1 200 m跨度橋梁當(dāng)中，相比于大跨度懸索橋，雙塔斜拉橋的抗風(fēng)穩(wěn)定性更優(yōu)，并且不需要大尺寸錨碇克服主纜拉力，同時(shí)塔梁受力明確、整體景觀性較好、施工工藝成熟等，21世紀(jì)以來得到了廣泛的應(yīng)用。

雙塔斜拉橋發(fā)展初期主要由疏索體系組成，主梁以壓彎為主，整體截面較大且造價(jià)高，隨著斜拉橋設(shè)計(jì)方法的不斷成熟，雙塔斜拉橋逐步由疏索體系向密索體系轉(zhuǎn)變，拉索和主梁受力更為明確，結(jié)構(gòu)更加美觀輕盈。拉索是密索體系斜拉橋的關(guān)鍵構(gòu)件，也是近年來相關(guān)學(xué)者研究的熱點(diǎn)。戴杰等［1］系統(tǒng)研究了斜拉橋成橋索力分析方法并對(duì)索力優(yōu)化進(jìn)行了深入探索；劉兆豐等［2］以甬江特大斜拉橋?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)拉索位置、數(shù)量和索力情況進(jìn)行了室內(nèi)模型試驗(yàn)研究；仇發(fā)［3］借助ANSYS軟件，從應(yīng)變能角度對(duì)贛江二橋施工過程合理索力控制進(jìn)行了計(jì)算分析；劉精山［4］探討了國內(nèi)外雙塔斜拉橋施工監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展過程，結(jié)合實(shí)際工程建立了一套考慮有限元修正的施工控制系統(tǒng)并對(duì)索力進(jìn)行了監(jiān)測分析；陳一赫等［5］基于RSM響應(yīng)面法對(duì)安徽六安市某雙塔斜拉橋索力及其參數(shù)敏感性進(jìn)行了分析。目前針對(duì)斜拉橋拉索的相關(guān)研究主要聚焦于拉索設(shè)計(jì)、索力優(yōu)化、索力監(jiān)測等方面，對(duì)于拉索本身的損傷，尤其是斷索前后結(jié)構(gòu)響應(yīng)的變化研究相對(duì)缺少。近年來，惡劣天氣出現(xiàn)的概率明顯增加，對(duì)于沿海及山區(qū)峽谷大跨度橋梁運(yùn)營安全性分析研究較為重要。本文基于某山區(qū)高速公路320 m大跨度雙塔斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘埃芯苛死髟跀嗨鞴r下的受力變化，以期提高相關(guān)設(shè)計(jì)人員對(duì)雙塔斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算分析的全面認(rèn)識(shí)。

1 工程背景

某高速公路主跨跨越深溝峽谷，橋面至深溝設(shè)計(jì)水位高210 m，溝谷兩岸地勢起伏較大，經(jīng)橋型方案比選，根據(jù)地形特征，此處不宜設(shè)置拱橋，此外兩岸跨度＞300 m，超過連續(xù)剛構(gòu)適宜跨度范圍，因此主橋采取（130+325+130）m雙塔斜拉橋方案，邊主跨比為0.41，距邊支點(diǎn)48 m處設(shè)置輔助墩以改善結(jié)構(gòu)受力性能，橋塔整體高度分別為198 m和159 m，橋塔采用花瓶形，邊中跨主梁采用預(yù)應(yīng)力雙主梁形式，橋面總寬為36 m，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，按照雙向六車道設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級(jí)。引橋采用40 m裝配式T梁，簡支橋面連續(xù)，主橋橋型布置圖如圖1所示。

主梁中心高度為3.5 m，單側(cè)拉索區(qū)寬度為1.5 m，主梁和橋塔混凝土強(qiáng)度標(biāo)號(hào)分別為C55和C50，邊支點(diǎn)至輔助墩在箱梁內(nèi)按照30 t/m灌入鐵砂混凝土壓重，根據(jù)拉索錨固位置按照拉索在主梁上的間距設(shè)置橫隔板，單側(cè)橋面一個(gè)橋塔處共設(shè)置24對(duì)拉索，邊跨拉索根據(jù)橋塔至邊支點(diǎn)方向依次按照S1～S24進(jìn)行編號(hào)，中跨拉索按照橋塔至跨中方向依次按照M1-M24進(jìn)行編號(hào)，拉索采用s15.2鍍鋅鋼絞線，雙塔斜拉橋各構(gòu)件材料力學(xué)性能指標(biāo)按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG3362-2018）進(jìn)行選取［6］，拉索布置如圖2所示。

2 合理成橋狀態(tài)分析

2.1 有限元模型

該橋?yàn)榘肫◇w系，未設(shè)置0號(hào)拉索。主要施工過程為：橋塔施工、主梁和拉索施工和中跨合龍成橋。考慮實(shí)際施工過程，主梁和橋塔采用梁單元模擬，拉索采用只受拉桁架單元模擬，橋塔底、塔梁相交處、交界墩和輔助墩按照實(shí)際約束情況對(duì)邊界條件進(jìn)行模擬，所建立的有限元模型如圖3所示。全橋共653個(gè)節(jié)點(diǎn)、638個(gè)單元，建模時(shí)考慮拉索的非線性效應(yīng)和塔梁混凝土收縮徐變效應(yīng)。結(jié)合相近跨度斜拉橋拉索規(guī)格，在成橋索力確定前全橋拉索統(tǒng)一按照s15.2-61型鍍鋅鋼絞線進(jìn)行考慮，待索力確定后對(duì)鋼絞線規(guī)格進(jìn)行調(diào)整。活載考慮應(yīng)急車道，按照八車道進(jìn)行加載。

2.2 合理成橋狀態(tài)

結(jié)合相關(guān)研究文獻(xiàn)，本次采用彎曲能最小法確定合理成橋狀態(tài)。合理成橋狀態(tài)下斜拉橋表現(xiàn)為“塔直梁平”狀態(tài)，即橋塔和主梁處受壓狀態(tài)，橋塔基本無偏位，主梁上下?lián)隙容^小。結(jié)合文獻(xiàn)［7］，當(dāng)EI→0或EA→∞時(shí)，斜拉橋一次落架的內(nèi)力狀態(tài)與調(diào)索目標(biāo)為彎曲能最小時(shí)的內(nèi)力狀態(tài)一致?？紤]結(jié)構(gòu)自重和二期恒載，令成橋狀態(tài)下拉索截面剛度增大1×104倍，求解得到一組索力，即彎曲能最小法模型對(duì)應(yīng)索力，根據(jù)索力分布情況對(duì)突變處進(jìn)行修正，然后將拉索剛度恢復(fù)成實(shí)際剛度，考慮車道荷載，輸入修正后的索力，經(jīng)計(jì)算分析后得到成橋狀態(tài)下的實(shí)際索力分布，通過試算塔梁應(yīng)力及變形滿足要求，此時(shí)的成橋狀態(tài)可認(rèn)為是合理的。兩處橋塔拉索索力相差不大，此處取高塔一側(cè)邊中跨拉索進(jìn)行分析，以上計(jì)算過程的邊中跨索力分布分別如圖4和圖5所示。

基于彎曲能最小法得到的實(shí)際成橋索力在輔助墩處出現(xiàn)波動(dòng)，這與主梁在輔助墩處豎向剛度大，變形小有關(guān)，與端錨索一樣對(duì)拉索起到一定的錨固作用。邊跨和中跨拉索索力整體分布較為均勻，遠(yuǎn)離橋塔的拉索索力相對(duì)較大。

3 斷索工況分析

根據(jù)成橋索力計(jì)算結(jié)果，對(duì)拉索規(guī)格進(jìn)行調(diào)整，近塔處取37、43和55根鍍鋅鋼絞線規(guī)格，遠(yuǎn)塔處取61和73根鍍鋅鋼絞線規(guī)格。斜拉橋運(yùn)營過程中，受拉索制造缺陷、疲勞損傷、極端氣候等內(nèi)外因素影響，實(shí)橋拉索可能出現(xiàn)斷裂情況，按照《公路斜拉橋設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGT 3365-01-2020）相關(guān)要求［8］，換1根拉索期間，結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足強(qiáng)度要求。考慮邊中跨第1、4、8、12、16、20、24及其相鄰拉索分別斷裂，以此分析斷1根和2根拉索對(duì)索力變化的影響，如圖6～9所示。

計(jì)算結(jié)果表明：（1）在斷裂1根拉索時(shí)，相比于中間拉索，邊索斷裂對(duì)相鄰索索力影響較大，邊中跨24號(hào)拉索斷裂時(shí)，23號(hào)索力均增加約10%，拉索安全系數(shù)由2.5降低至2.27，斷1根拉索對(duì)拉索安全性影響較小；（2）在斷裂2根拉索時(shí)，拉索索力分布均發(fā)生一定范圍的變化，與邊跨拉索相比，中跨拉索變化更為明顯，拉索索力最大增幅約30%，發(fā)生在中跨M23-24號(hào)拉索斷裂時(shí)的M22號(hào)拉索處，拉索安全性明顯較低；（3）通過分析發(fā)現(xiàn)，斷索發(fā)生時(shí)，全橋索力按照拉索剛度進(jìn)行了重分布，斷索附近索力均有所增加，遠(yuǎn)離斷索位置的拉索索力有所降低，但索力的整體分布規(guī)律不會(huì)改變。

4 結(jié)語

本文以某高速公路（130+325+130）m雙塔斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，基于有限元軟件?duì)成橋索力和斷索工況進(jìn)行了計(jì)算分析，得出主要結(jié)論如下：

（1）基于彎曲能最小法得到了雙塔斜拉橋成橋索力，索力由近塔處向遠(yuǎn)塔處逐漸增大，整體分布較為均勻。

（2）根據(jù)斷索時(shí)索力整體變化情況，建議拉索設(shè)計(jì)時(shí)邊索安全系數(shù)應(yīng)適當(dāng)提高。雙塔斜拉橋在進(jìn)行斷索計(jì)算時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注中跨長拉索斷裂工況。此外，實(shí)橋中應(yīng)避免斷2根拉索以確保足夠的安全儲(chǔ)備。

參考文獻(xiàn)：

［1］戴 杰，秦鳳江，狄 謹(jǐn)，等.斜拉橋成橋索力優(yōu)化方法研究綜述［J］.中國公路學(xué)報(bào)，2019，32（5）：17-37.

［2］劉兆豐，戴顯榮，趙人達(dá)，等.雙塔聯(lián)體分幅斜拉橋塔結(jié)構(gòu)模型實(shí)驗(yàn)索力測試結(jié)果分析［J］.實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2009，24（6）：573-578.

［3］仇 發(fā).雙塔雙索面斜拉橋施工索力分析與優(yōu)化［J］.鐵道建筑技術(shù)，2017（6）：23-26，71.

［4］劉精山.雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋施工監(jiān)控技術(shù)研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2021.

［5］陳一赫，孫亭亭，梁亞蘭，等.有間索的雙塔無背索斜拉橋索力參數(shù)敏感性［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版），2018，42（6）：1 059-1 062，1 067.

［6］JTG 3362-2018，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［7］梁 鵬，肖汝誠，張雪松.斜拉橋索力優(yōu)化實(shí)用方法［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003（11）：1 270-1 274.

［8］JTGT 3365-01-2020， 公路斜拉橋設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.20240426