殷任宏, 范學(xué)定, 李 淵, 鄔曉光

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710064; 2. 西安公路研究院, 陜西 西安 710065; 3. 商洛市公路管理局機(jī)械站, 陜西 商洛 726000)

斜拉橋結(jié)構(gòu)成橋后的剛度及各構(gòu)件的受力狀態(tài)與其構(gòu)件配置密切相關(guān),各構(gòu)件剛度搭配合理與否反應(yīng)了結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)劣[1].其剛度問題往往控制設(shè)計(jì),剛度參數(shù)的確定在橋梁總體設(shè)計(jì)中顯得非常重要[2-3].張國泉等[4]以廣東省佛山市石灣特大橋?yàn)橐劳?采用數(shù)值法分析矮塔斜拉橋的主梁高度、索塔截面尺寸、斜拉索面積和墩梁連接方式等剛度參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響;劉昊蘇等[5]對(duì)矮塔斜拉橋主梁、索塔及斜拉索三者的剛度敏感性進(jìn)行對(duì)比分析,并確定出三者剛度設(shè)計(jì)的次序安排;李樂永[6]結(jié)合某大跨度鋼桁梁鐵路斜拉橋設(shè)計(jì)方案,采用數(shù)值計(jì)算方法研究梁、索、輔助墩等構(gòu)件剛度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)及行車性能的影響.

V形雙拱獨(dú)塔斜拉橋是近幾年出現(xiàn)的新橋型,國內(nèi)已先后修建了沈陽市三好橋、延吉市新園橋、貴州官塘大橋、遼寧省新城東街大橋及西安灃河大橋等5座實(shí)橋,其發(fā)展勢(shì)頭迅猛[7-10].目前還沒有關(guān)于V形雙拱獨(dú)塔斜拉橋剛度參數(shù)方面的研究.因此,本文以西安富裕路灃河大橋?yàn)楣こ瘫尘?分析主梁、拱塔、拉索等構(gòu)件剛度對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響規(guī)律,為V形雙拱獨(dú)塔斜拉橋總體設(shè)計(jì)提供參考.

1 工程背景

西安灃河大橋主橋?yàn)閂形雙拱獨(dú)塔斜拉橋(圖1),跨徑為(80+80)m,半漂浮體系.拱軸線在拱腳采用直線,在拱塔中部采用橢圓線,在拱頂采用圓弧線.主梁采用高1.8 m單箱多室的扁平鋼箱梁;鋼拱塔高51.466 m,橫向2.5 m,縱向2.8 m;主塔和塔座的剛性連接段為鋼混組合結(jié)構(gòu),為使鋼混結(jié)合段更好地傳力,將鋼塔深入混凝土塔座內(nèi)一定距離.拉索采用空間雙索面,共8對(duì)拉索,每對(duì)拉索由1根水平索和2根斜拉索組成,塔上豎向上水平索間距2.8 m,主梁上斜拉索縱向間距8 m.

2 有限元模型建立

利用MIDAS/Civil 2015建立灃河大橋的仿真計(jì)算模型,如圖2所示.建模過程中,鋼主梁、鋼拱塔采用梁?jiǎn)卧M,拉索采用只受拉力單元模擬,并采用換算彈性模量計(jì)入重度的影響.通過“剛性連接”模擬鋼箱主梁和斜拉索吊點(diǎn),采用共節(jié)點(diǎn)模擬索塔與水平索的連接,并采用一般支承對(duì)墩頂支座進(jìn)行模擬,對(duì)拱塔底部固結(jié)處理.

圖1 灃河大橋立面圖(單位:cm)Fig.1 Overall arrangement of Fenghe River Bridge(Unit: cm)

圖2 灃河大橋有限元模型圖Fig.2 Finite element model of Fenghe River Bridge

3 各構(gòu)件剛度參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響分析

斜拉橋恒載受力狀態(tài)可通過拉索索力調(diào)整,而活載內(nèi)力不受索力調(diào)整的影響.活載產(chǎn)生的主梁、索塔彎矩遠(yuǎn)超過恒載，同時(shí)活載撓度是斜拉橋剛度的主要指標(biāo),往往活載控制斜拉橋結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì).為研究活載作用下各構(gòu)件剛度對(duì)V形雙拱獨(dú)塔斜拉橋結(jié)構(gòu)靜力性能的影響規(guī)律, 不改變主梁、拉索及拱塔的結(jié)構(gòu)形式及幾何尺寸, 僅將主梁、拱塔的抗彎剛度EI及拉索的軸向剛度EA改變?yōu)樵O(shè)計(jì)的0.7、0.8、0.9、1.1、1.2和1.3倍, 在研究某構(gòu)件剛度參數(shù)過程中, 其他構(gòu)件剛度參數(shù)保持不變, 分別建立模型,采用Ernst公式考慮拉索的垂度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響, 并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析.

3.1主梁剛度對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響

(1) 主梁剛度對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

主梁抗彎剛度變化對(duì)主梁內(nèi)力、拱塔內(nèi)力、斜拉索及水平索索力變幅的影響見圖3～圖5.

圖3 主梁EI對(duì)主梁彎矩的影響

圖4 主梁EI對(duì)拱塔彎矩的影響

由圖3～圖5可知,隨著主梁抗彎剛度的增大, 主梁最大正負(fù)彎矩絕對(duì)值呈遞增的趨勢(shì), 而拱塔底部的最大正負(fù)彎矩絕對(duì)值、水平索和斜拉索索力最大相對(duì)變幅均減小; 主梁剛度對(duì)主梁、拱塔彎矩影響較大, 而對(duì)拉索索力影響很小. 主要原因是隨著主梁剛度的增大, 拉索對(duì)主梁支承的作用逐漸減小, 主梁分配的載荷比例增大, 所以主梁的彎矩增大, 而拱塔的彎矩減小, 拉索索力減小.

圖5 主梁EI對(duì)拉索索力變幅的影響

(2) 主梁剛度對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響

主梁剛度對(duì)主梁撓度、拱頂水平位移的影響見圖6、圖7.

圖6 主梁EI對(duì)主梁撓度的影響

圖7 主梁EI對(duì)拱塔位移的影響

由圖6、圖7可知,主梁抗彎剛度對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響很大,隨著主梁抗彎剛度的增大,主梁最大撓度、拱塔最大水平位移均呈遞減的趨勢(shì).因?yàn)殡S著主梁抗彎剛度的增大,主梁撓度必然減小,則拉索對(duì)主梁支承的作用隨之減弱,分配的載荷比例降低,拉索對(duì)拱塔的作用減小,因此拱頂水平位移減小.

3.2 拱塔剛度對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響

(1) 拱塔剛度對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

圖8～圖10為拱塔抗彎剛度對(duì)主梁內(nèi)力、拱塔內(nèi)力及拉索索力變幅的影響.

圖8 拱塔EI對(duì)主梁彎矩的影響

圖9 拱塔EI對(duì)拱塔彎矩的影響

圖10 拱塔EI對(duì)斜拉索索力變幅的影響

由圖8～圖10可知,隨拱塔抗彎剛度增大,主梁最大正負(fù)彎矩絕對(duì)值、拱塔最大負(fù)彎矩絕對(duì)值、水平索索力變幅均減小,拱塔底部的最大正彎矩和斜拉索索力最大相對(duì)變幅趨于線性增加;拱塔剛度僅對(duì)拱塔彎矩影響較大,而對(duì)主梁彎矩、拉索索力影響很小.因?yàn)殡S著拱塔剛度的增大,斜拉索對(duì)主梁支承的作用相對(duì)增強(qiáng),則斜拉索索力增大,主梁的彎矩減小,而拱塔最大正彎矩增大;但水平索對(duì)拱塔的約束作用相對(duì)減弱,水平索力減小,拱塔最大負(fù)彎矩絕對(duì)值減小.

(2) 拱塔剛度對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響

拱塔抗彎剛度對(duì)主梁撓度、拱頂水平位移的影響見圖11、圖12.

圖11 拱塔EI對(duì)主梁撓度的影響

圖12 拱塔EI對(duì)拱塔位移的影響

由圖11、圖12可知,拱塔抗彎剛度對(duì)結(jié)構(gòu)變形有一定影響,隨拱塔抗彎剛度增大,主梁最大撓度、拱頂最大水平位移均呈遞減的趨勢(shì).因?yàn)殡S著拱塔抗彎剛度的增大,拱塔水平位移減小,拱塔對(duì)斜拉索的約束作用增強(qiáng),斜拉索對(duì)主梁的支承作用也相對(duì)增強(qiáng),則主梁撓度逐漸減小.

3.3 斜拉索剛度對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響

(1) 斜拉索剛度對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

斜拉索軸向剛度EA對(duì)主梁內(nèi)力、拱塔內(nèi)力及拉索索力變幅的影響見圖13～圖15.

由圖13～圖15可知,隨著斜拉索軸向剛度的增大,主梁最大正負(fù)彎矩絕對(duì)值均急劇減小,拱塔的最大正負(fù)彎矩絕對(duì)值緩慢減小,而水平索及斜拉索最大相對(duì)變幅則均呈增大趨勢(shì).因?yàn)殡S著斜拉索軸向剛度的增大,拉索索力增加,拉索對(duì)主梁支承的作用增強(qiáng),所以主梁的彎矩減小.

圖13 斜拉索EA對(duì)主梁彎矩的影響

圖14 斜拉索EA對(duì)拱塔彎矩的影響

圖15 斜拉索EA對(duì)拉索索力變幅的影響

(2) 斜拉索剛度對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響

斜拉索軸向剛度EA對(duì)主梁撓度、拱頂水平位移的影響見圖16、圖17.

由圖16、圖17可知,斜拉索軸向剛度對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響很大,隨著斜拉索軸向剛度的增大,主梁最大撓度、拱頂最大水平位移均呈遞減的趨勢(shì).因?yàn)殡S著斜拉索軸向剛度的增大,拉索對(duì)主梁支承作用增強(qiáng),主梁撓度、拱塔位移均會(huì)減小.

圖16 斜拉索EA對(duì)主梁撓度的影響

圖17 斜拉索EA對(duì)拱塔位移的影響

3.4 水平索剛度對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響

(1) 水平索剛度對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

圖18～圖20分別為水平索軸向剛度EA對(duì)主梁內(nèi)力、拱塔內(nèi)力及拉索索力變幅的影響.

圖18 水平索EA對(duì)主梁彎矩的影響

由圖18～圖20可以看出,水平索軸向剛度對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響相對(duì)較小,隨水平索軸向剛度的增大,主梁的最大正負(fù)彎矩絕對(duì)值、拱塔底部的最大正彎矩絕對(duì)值均減小,但拱塔最大負(fù)彎矩絕對(duì)值、水平索和斜拉索索力變幅均呈增大的趨勢(shì).因?yàn)殡S著水平索軸向剛度的增大,水平索對(duì)拱塔的約束增強(qiáng),拱塔變形減小,斜拉索對(duì)主梁支承的作用增強(qiáng),所以主梁的彎矩減小,拱塔的最大正彎矩減小、最大負(fù)彎矩絕對(duì)值增大.

圖19 水平索EA對(duì)拱塔彎矩的影響

圖20 水平索EA對(duì)拉索索力變幅影響

(2) 水平索剛度對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響

水平索軸向剛度EA對(duì)主梁撓度、拱頂水平位移的影響見圖21、圖22.

圖21 水平索EA對(duì)主梁撓度的影響

圖22 水平索EA對(duì)拱塔水平位移影響

由圖21、圖22可知,隨著水平索軸向剛度的增大,主梁最大撓度、拱頂最大水平位移呈遞減的趨勢(shì),但減小的幅度不大.水平索軸向剛度對(duì)主梁撓度的影響相對(duì)較小,而對(duì)拱頂水平位移的影響很大.因?yàn)殡S著水平索軸向剛度的增大,拱塔的整體剛度增大,拱頂水平位移減小,且使斜拉索對(duì)主梁的支承作用增強(qiáng),主梁撓度減小.

4 各構(gòu)件剛度的敏感性分析

根據(jù)文獻(xiàn)[5,11-12]提出的各構(gòu)件剛度影響因子的概念,定義V形雙拱獨(dú)塔斜拉橋的各構(gòu)件剛度敏感因子為:各構(gòu)件原設(shè)計(jì)剛度1.3倍時(shí)的計(jì)算結(jié)果和原設(shè)計(jì)剛度0.7倍時(shí)的計(jì)算結(jié)果之差與原設(shè)計(jì)值計(jì)算結(jié)果的比值.各構(gòu)件的敏感因子見表1.

由表1可知,同一構(gòu)件剛度對(duì)不同結(jié)構(gòu)力學(xué)性能指標(biāo)影響程度不同.綜合來看:主梁剛度對(duì)大部分結(jié)構(gòu)力學(xué)性能指標(biāo)的敏感因子均遠(yuǎn)大于拱塔、斜拉索及水平索,說明在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)首先選擇主梁剛度;拱塔剛度對(duì)與拱塔相關(guān)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響較大,對(duì)其他響應(yīng)影響較小;斜拉索對(duì)主梁的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能指標(biāo)影響較大,對(duì)拱塔受力也有很大影響;水平索對(duì)主梁受力影響較小,對(duì)拱塔受力影響較大,甚至超過拱塔剛度對(duì)拱塔受力的影響.

5 結(jié) 論

以灃河大橋?yàn)橐劳?通過V形雙拱獨(dú)塔斜拉橋主梁、拱塔、斜拉索及水平索等構(gòu)件剛度變化對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響,可得以下結(jié)論.

(1) 各構(gòu)件剛度對(duì)V形雙拱獨(dú)塔斜拉橋的力學(xué)性能均有相當(dāng)程度的影響,V形雙拱獨(dú)塔斜拉橋主梁剛度對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響最大,斜拉索次之,而拱塔和水平索剛度對(duì)拱塔受力影響較大,但對(duì)其他構(gòu)件受力影響較小.

(2) 在V形雙拱獨(dú)塔斜拉橋設(shè)計(jì)過程中,由于拱塔力學(xué)性能易受其他構(gòu)件剛度影響,宜最后確定其尺寸;而水平索受其他構(gòu)件剛度影響較小,其尺寸宜最先擬定,且應(yīng)優(yōu)先通過調(diào)整水平索剛度來調(diào)整拱塔受力.