祁朝相， 張春明， 劉少天

(長安大學(xué) 公路學(xué)院， 陜西 西安 710064)

混凝土獨塔斜拉橋結(jié)構(gòu)參數(shù)對比分析

祁朝相， 張春明， 劉少天

(長安大學(xué) 公路學(xué)院， 陜西 西安 710064)

斜拉橋的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計以及混凝土收縮徐變均對斜拉橋的力學(xué)特性產(chǎn)生一定影響。以某已建獨塔斜拉橋為研究背景，采用有限元程序Midas/Civil建立有限元對比分析計算模型，對獨塔斜拉橋結(jié)構(gòu)參數(shù)、收縮徐變進(jìn)行單因素敏感性分析，分析得出獨塔斜拉橋設(shè)計中的合理理論，為正確分析獨塔斜拉橋的正常運營狀態(tài)下力學(xué)特性提供參考。

混凝土斜拉橋； 獨塔； 結(jié)構(gòu)參數(shù)； 收縮徐變； 力學(xué)特性

0 引言

橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)如主梁混凝土重度、收縮徐變、斜拉索剛度等參數(shù)的變化對混凝土斜拉橋的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。橋梁在實際施工過程中，由于各種原因，使得混凝土澆筑密度與設(shè)計有所差別，從而對斜拉橋主塔偏位、主橋撓度，以及其他力學(xué)性能產(chǎn)生影響；運營期的混凝土斜拉橋受到收縮徐變效應(yīng)的影響，橋梁結(jié)構(gòu)的位移、力學(xué)特性處于不斷的變化中，結(jié)構(gòu)的強度和剛度會隨時間增加而有所下降，對橋梁結(jié)構(gòu)的適用性、安全性均有較大的影響；斜拉索的剛度會涉及到主梁、橋塔的剛度分配問題，從而影響斜拉橋的力學(xué)性能[1，2]。

針對上述三種問題，筆者通過對獨塔混凝土斜拉橋進(jìn)行分析，為正確分析獨塔斜拉橋在運營狀態(tài)下的力學(xué)性能提供參考。

1 結(jié)構(gòu)模型

1.1 橋梁概況

某在建斜拉橋為塔梁固結(jié)的兩跨獨塔混凝土斜拉橋，跨徑分配為113 m+53 m，主梁采用箱型截面形式，橋塔采用寶石型，全橋共設(shè)18對空間索。橋梁總體布置如圖1所示。

圖1 橋梁概況(單位： m)

1.2 結(jié)構(gòu)模型

對于該橋結(jié)構(gòu)模型，本文采用有限元分析軟件Midas/Civil按照實際施工過程模擬，其中全橋共建有208個單元，分116個施工階段。主梁、主塔采用梁單元進(jìn)行模擬，斜拉索通過恩斯特公式對拉索非線性進(jìn)行模量修正，采用桁架單元模擬。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析

2.1 主梁混凝土自重分析

由于在實際施工過程中，混凝土的澆筑密度不易控制，從而引起梁段的自重產(chǎn)生一定的偏差[3]，主梁的設(shè)計密度為2.6 g/cm3。對主梁的實際密度分別增減5%、10%時，對主梁施工最大懸臂狀態(tài)下的豎向位移值、索塔無索區(qū)水平位移值、斜拉索索力、主梁懸臂端最大彎矩應(yīng)力的變化量進(jìn)行對比分析，其結(jié)果如圖2～圖5所示。

由圖2～圖5可知，當(dāng)混凝土實際澆筑密度在±5%、±10%范圍內(nèi)變化時，主梁的撓度最大增大了85 mm；對于主塔的偏位影響較??；對于斜拉索索力的變化相對較大，主要集中在跨中部分。因此，在實際施工控制中，應(yīng)該將混凝土密度作為重要的控制參數(shù)。

圖2 主梁相對撓曲線

圖3 索塔無索區(qū)偏位差值

圖4 斜拉索索力變化值

2.2 主梁混凝土收縮徐變分析

收縮徐變的持續(xù)作用使混凝土斜拉橋的主梁影響不斷加大，筆者按照斜拉橋?qū)嶋H施工過程建模計算，均采用設(shè)計荷載計算了某大橋施工過程中最大懸臂狀態(tài)和成橋10 a后的狀態(tài)下，考慮收縮徐變和不考慮收縮徐變的效應(yīng)，通過對比2種不同狀態(tài)下的斜拉橋的最大撓度及斜拉索索力，分析收縮徐變對斜拉橋施工過程、成橋運營階段的影響。

圖5 主梁懸臂端主應(yīng)力

由圖6、圖7知，混凝土收縮徐變對于施工最大懸臂狀態(tài)下的主梁撓度最大增加40 mm、索力變化最大60 kN，即混凝土收縮徐變對于施工最大懸臂狀態(tài)下的主梁撓度增加45%、索力增加4.3%。

圖6 最大懸臂狀態(tài)主梁撓度

圖7 最大懸臂狀態(tài)斜拉索索力差值

圖8 成橋10 a主梁撓度

圖9 成橋10 a斜拉索索力差值

由圖8、圖9可知，混凝土收縮徐變對于成橋運營10 a的主梁撓度最大增加60 mm、索力最大變化為360 kN，即混凝土收縮徐變對成橋運營10 a的主梁撓度增加51.2%、索力增加為17.3%。

2.3 主梁斜拉索剛度分析

斜拉索剛度的主要參數(shù)為結(jié)構(gòu)材料彈性模量。將中跨斜拉索鋼絞線的彈性模量增減5%、10%，通過計算分析得出主梁施工最大懸臂階段時的主梁最大豎向撓度、索塔水平位移值、斜拉索索力值、主梁應(yīng)力值，對比分析計算結(jié)果如下：

由圖10～圖13可知，斜拉索剛度對于橋梁施工最大懸臂狀態(tài)下的主梁撓度最大增加3 mm；塔端無索區(qū)偏位幾乎無影響；索力最大增大20 kN，相對變化值不到2%；因此，斜拉索剛度在施工過程中作為非敏感性參數(shù)控制。

圖10 主梁相對撓曲線

圖11 索塔無索區(qū)偏位相對值

圖12 斜拉索索力變化值

圖13 主梁懸臂端最大彎矩應(yīng)力

3 結(jié)語

通過混凝土斜拉橋結(jié)構(gòu)參數(shù)對比分析，可得出：

1) 在最大懸臂施工階段，主梁混凝土澆筑密度為施工過程中的敏感性參數(shù)，因此，在監(jiān)控過程中應(yīng)當(dāng)特別關(guān)注該類參數(shù)，以獲得更好的效果；斜拉索剛度作為非敏感性參數(shù)，對主梁結(jié)構(gòu)影響較小。

2) 混凝土收縮徐變不論是在橋梁的施工階段還是在成橋運營階段都會引起主梁的持續(xù)下?lián)稀ｋS著橋梁建筑時間的增加，在持續(xù)性荷載作用下，主梁混凝土的彈性模量折減，從而引起主梁有效剛度折減，這額外增大了主梁的下?lián)稀?/p>

[1] 嚴(yán)國敏.現(xiàn)代斜拉橋[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，1996.

[2] 陳德偉，范立礎(chǔ)，張權(quán).獨塔斜拉橋的總體布置和參數(shù)研究[J].土木工程學(xué)報，1999(3)：34-40.

[3] 劉旭政，黃平明，許漢錚.獨塔斜拉橋參數(shù)敏感性分析[J].長安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007，27(6)：63-66.

2016-08-02

祁朝相( 1992-) ，男，研究方向: 橋梁工程。

1008-844X(2017)01-0096-03

U 448.27

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