(西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 陜西 西安 710021)

一、前言

無(wú)背索斜拉橋與常規(guī)的直塔斜拉橋除在外形上有所不同外，二者的力學(xué)行為和傳力途徑也有很大的差異。在常規(guī)的直塔斜拉橋中，由于斜拉索產(chǎn)生的水平力在塔的根部可以相互平衡；而在無(wú)背索斜拉橋中，由斜拉索產(chǎn)生的水平力在塔根部只能與塔柱的水平分力相平衡。同時(shí)，無(wú)背索斜拉橋由于取消岸側(cè)背索，依靠塔柱傾斜來(lái)平衡橋面恒載和活載，所以受力性能變得更為復(fù)雜，尤其是塔、梁、墩固接節(jié)點(diǎn)部位，需承受來(lái)自主梁的巨大軸力、剪力、彎矩及扭矩的共同作用[1]。

本文以某大橋?yàn)橐劳型ㄟ^主塔傾角、主塔橫梁設(shè)置等多種參數(shù)來(lái)分析全混凝土無(wú)背索斜拉橋設(shè)計(jì)參數(shù)的改變對(duì)結(jié)構(gòu)靜力性能的影響。在進(jìn)行參數(shù)分析時(shí)，一般使被考察的參數(shù)變化一定的幅度，其他參數(shù)采用設(shè)計(jì)時(shí)的基準(zhǔn)值，在這個(gè)條件下來(lái)分析設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響程度。

二、主塔傾角影響分析

無(wú)背索斜拉橋主塔的傾斜角度不僅影響斜拉索的長(zhǎng)度和索力還在很大程度上影響主梁和索塔的位移以及塔根彎矩，所以主塔的傾斜角度是一個(gè)不可忽視的關(guān)鍵參數(shù)。在此保證結(jié)構(gòu)其他參數(shù)不變將斜塔的傾角[7]修改為44°、49°、54°、59°、64°、69°、74°，關(guān)注結(jié)構(gòu)塔根處應(yīng)力、全橋最大斜拉索索力及主邊跨主梁變形值等，其計(jì)算結(jié)果如圖1～6所示。

圖1 不同塔傾斜角的塔根應(yīng)力圖

圖2 不同塔傾斜角的最大斜拉索索力

圖3～6為不同橋塔傾斜角度的結(jié)構(gòu)在活載作用下主跨主梁最大變形、邊跨主梁最大變形、主塔最大變形及斜拉索索力最大幅值的變化規(guī)律。

圖3 主跨主梁最大變形值圖

圖4 邊跨主梁最大變形值圖

由圖1～6可知，隨著塔柱傾角θ的增加，塔根處壓應(yīng)力先減小后增大，而成橋最大橋索力的分布呈逐漸減小的趨勢(shì)。在活載作用下，主跨跨中撓度值隨塔柱傾角增大而減小、邊跨撓度變化趨勢(shì)相反；隨塔柱傾角增大，主塔塔頂順橋向變位值先增大后減小，而索力變化的幅值則呈單調(diào)遞增的趨勢(shì)。

圖5 主塔最大變形值

圖6 拉索應(yīng)力最大幅值

綜上所述，本依托工程主塔角度的主塔角度在試算區(qū)間[44°，74°]內(nèi)有最優(yōu)解，最優(yōu)解為57°，與計(jì)算結(jié)果59°十分接近，該設(shè)計(jì)與計(jì)算十分吻合。

三、塔梁剛度比的影響分析

主塔剛度的變化只對(duì)主塔的彎矩偏位有影響而對(duì)主梁的影響不大[2]，但主梁剛度的變化對(duì)斜拉橋的整體受力影響較大[3]。斜塔的施工比較復(fù)雜，其剛度更容易產(chǎn)生較大誤差。故在此保持主梁剛度不變，修改主塔剛度來(lái)研究塔梁剛度比分別為0.8、1.0、1.2時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響。主塔的剛度的改變通過修改混凝土的彈性模量E來(lái)實(shí)現(xiàn)。

結(jié)構(gòu)在活載作用下的計(jì)算結(jié)果如圖7～10所示：

圖7 不同塔梁剛度比的跨中撓度

圖8 不同塔梁剛度比的塔頂偏位

圖9 不同塔梁剛度比的塔底彎矩

圖10 不同塔梁剛度比的索力值

由圖7～10可知：跨中撓度、塔頂偏位均隨塔梁剛度比的增大而減小,這說明塔梁剛度比的增加有利于結(jié)構(gòu)的變形；塔底彎矩、索力值均隨塔梁剛度比的增大而增大，由于本橋是超靜定形式，橋塔的剛度的變化對(duì)結(jié)構(gòu)的受力影響比較復(fù)雜，所以塔底彎矩、索力值會(huì)有所增加。

四、不同結(jié)構(gòu)體系的受力比較

對(duì)于全混凝土結(jié)構(gòu)，由于自重較大，半漂浮體系比較難實(shí)施，應(yīng)用較少。故以下分析僅比較剛構(gòu)體系與塔梁固結(jié)體系的受力特點(diǎn)。分析中結(jié)構(gòu)的其他參數(shù)均不改變，塔梁固結(jié)體系僅去掉墩柱與主梁的連接，在墩頂設(shè)置支座以支撐結(jié)構(gòu)受力。結(jié)構(gòu)受力比較如圖11～12所示。

圖11 塔梁固結(jié)不同傾斜角度的索力值

圖12 塔梁墩固結(jié)不同傾斜角度的索力值

由圖11～12可知：塔梁固結(jié)形式下6～13號(hào)索的索力隨橋塔傾斜角度的增加而增加，塔梁墩固結(jié)形式下3～13號(hào)索的索力隨橋塔傾斜角度的增加而增加，故塔梁墩固結(jié)形式索的受力更加均勻。對(duì)于全混凝土的無(wú)背索斜拉橋設(shè)計(jì)，考慮混凝土的結(jié)構(gòu)自重引起的長(zhǎng)期撓度、斜拉索索力的均勻程度等因素，采用塔墩梁固結(jié)的結(jié)構(gòu)形式更加合理。

五、結(jié)論

本文以某大橋?yàn)橐劳蟹治隽恕⑺膬A斜角度、塔梁剛度比、不同結(jié)構(gòu)體系、主塔橫梁設(shè)置等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)靜力性能的影響。結(jié)論如下：

(1)本依托工程主塔角度的主塔角度在試算區(qū)間[44°，74°]內(nèi)有最優(yōu)解，最優(yōu)解為57°，與計(jì)算結(jié)果59°十分接近，該設(shè)計(jì)與計(jì)算十分吻合。

(2)塔梁剛度比的增加有利于結(jié)構(gòu)的變形但是塔梁剛度比的增大可能引起塔底彎矩、索力值的而增大。

(3)對(duì)于全混凝土的無(wú)背索斜拉橋設(shè)計(jì)，考慮混凝土的結(jié)構(gòu)自重引起的長(zhǎng)期撓度、斜拉索索力的均勻程度等因素，采用塔墩梁固結(jié)的結(jié)構(gòu)形式更加合理。