楊夢月

(西南交通大學(xué)， 四川成都 610036)

矮塔斜拉橋是一種組合體系橋，它是介于連續(xù)梁(剛構(gòu))與斜拉橋兩者之間的一種過渡形式，它的特點(diǎn)是塔矮、梁剛、索集中。其主梁剛度較大，主梁受彎是主要的承重方式，斜拉索以體外預(yù)應(yīng)力的形式起加勁、調(diào)整的作用，僅分擔(dān)部分荷載所以又叫做部分斜拉橋[1]。該橋型與連續(xù)梁(剛構(gòu))相比較具有結(jié)構(gòu)形式新穎、跨徑更大、經(jīng)濟(jì)性能好等優(yōu)點(diǎn)；與斜拉橋相比較具有施工維修方便、降低塔高、拉索用量少且應(yīng)力變化小等優(yōu)點(diǎn)。矮塔斜拉橋同時(shí)具有連續(xù)梁和斜拉橋的優(yōu)點(diǎn)使其在跨徑是100 m到200 m時(shí)具較大的有競爭力?？梢哉f連續(xù)梁(剛構(gòu))是剛性的，斜拉橋是柔性的，矮塔斜拉橋是“剛?cè)嵯酀?jì)”的。從連續(xù)梁、到矮塔斜拉橋再到傳統(tǒng)斜拉橋，主梁的承受的彎矩值在減小，但是軸向壓力在增大。

矮塔斜拉橋在我國的建造開始較晚，蕪湖長江大橋(2000年)是國內(nèi)首座。一年之后建成的漳州戰(zhàn)備大橋，以及此后十多座該類型橋梁相繼建成通車，我國的矮塔斜拉橋建設(shè)水平躋身世界前列。

1 工程概況

本橋位于直線、平坡上，線間距5.0 m。采用(90+180+90) m矮塔斜拉加勁連續(xù)梁組合結(jié)構(gòu)，全長361.6 m，塔梁固結(jié)、梁底設(shè)支座。有砟橋面，橋面寬13.6 m。本橋是空間雙索面體系，斜拉索在梁上的錨固間距6.0 m，主梁內(nèi)設(shè)置錨固梁，張拉端設(shè)置在梁上，端索水平夾角為21.73 °。斜拉索在塔端采用分絲管索鞍貫通，間距為1.0 m。斜拉索規(guī)格分為55-7φ5 mm，43-7φ5 mm兩種。斜拉索(錨固點(diǎn)至橋塔理論交點(diǎn))最長約76.43 m，最短約41.5 m，采用單根張拉。

本橋采用雙柱式橋塔形式，橋面以上塔高28.0 m，橋面以上塔的高跨比為1/6.43。塔柱采用矩形實(shí)體截面，順橋向?qū)?.8 m，橫橋向?qū)?.4 m。

設(shè)計(jì)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：

(1)荷載標(biāo)準(zhǔn)：中—活載。

(2)速度目標(biāo)值：客車200 km/h，貨車120 km/h。

(3)雙線間距：5.0 m。

(4)線路平立面：平坡、直線、軌底標(biāo)高為180.7 m。

箱梁及橋塔采用C55高性能混凝土；斜拉索采用雙索面單絲涂覆環(huán)氧涂層鋼絞線拉索，公稱直徑φ15.2 mm，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1860MPa，彈性模量E=1.95×105MPa；主梁縱、橫向預(yù)應(yīng)力采用低松弛高強(qiáng)鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 860MPa，公稱直徑15.2mm ，公稱截面積140 mm2，Ep=1.95×105MPa。豎向預(yù)應(yīng)力筋采用φ32mm螺紋鋼筋，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=830MPa。本橋采用懸臂對稱澆筑施工，先進(jìn)行邊跨合龍?jiān)龠M(jìn)行中跨合龍。

2 全橋模型建立

本次結(jié)構(gòu)檢算利用Midas/Civil軟件建立全橋模型?？紤]了懸臂對稱澆筑施工過程中的各類施工荷載以及成橋以后的荷載組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)的受力計(jì)算、變形驗(yàn)算以及動(dòng)力特性計(jì)算。

主梁和索塔定義為梁單元，斜拉索定義為桁架單元?？紤]到的施工階段包括：懸澆筑階段、張拉斜拉索、邊跨現(xiàn)澆、成橋之后，施工過程中共經(jīng)歷2次體系轉(zhuǎn)換。

結(jié)合本橋?qū)嶋H工程背景，模型中添加荷載見表1。分別以主力、主力+附加力進(jìn)行組合。全橋模型如圖1所示。

圖1 全橋模型

3 結(jié)構(gòu)靜力驗(yàn)算

3.1 內(nèi)力計(jì)算

結(jié)構(gòu)從逐步施工到最后成橋，各個(gè)階段不同的內(nèi)力，是進(jìn)行縱向預(yù)應(yīng)力、豎向預(yù)應(yīng)力、斜拉索布置以及進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算的重要依據(jù)。本橋采用懸臂澆注施工，共經(jīng)歷了兩次體系轉(zhuǎn)換，成橋之后與施工階段受力差別很大。

表1 本橋主要荷載

在施工階段，由恒載作用產(chǎn)生的彎矩如圖2所示。

(a)最大懸臂階段恒載彎矩

(b)邊合龍恒載彎矩

(c)中合龍恒載彎矩

(d)成橋恒載彎矩圖2 各階段恒載彎矩(單位：kN·m)

整個(gè)施工過程中，恒載作用下，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在最大懸臂階段墩頂截面，這是在進(jìn)行施工期頂板束配筋時(shí)需要著重考慮的地方。底板束的數(shù)量則要取決于成橋之后跨中最大正彎矩的大小。

3.2 截面驗(yàn)算

正截面混凝土壓應(yīng)力(扣除應(yīng)力損失后)應(yīng)符合下列要求：

主力組合作用下：

σc≤0.5fc

主力加附加力組合作用下：

σc≤0.55fc

式中：σc為運(yùn)營荷載和預(yù)應(yīng)力束有效預(yù)應(yīng)力引起的正截面混凝土最大壓應(yīng)力值；fc為混凝土抗壓強(qiáng)度極限值，本橋采用C55混凝土，為37 MPa。

除此之外，對于全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，正截面混凝土在扣除應(yīng)力損失后，不能出現(xiàn)拉應(yīng)力即：

σct≤0

式中：σct為運(yùn)營荷載和預(yù)應(yīng)力束的有效預(yù)應(yīng)力引起的正截面混凝土拉應(yīng)力最大值。

運(yùn)營階段在“主力組合和“主力+附加力組合”作用下，梁單元應(yīng)力如圖3所示。

(a)主力作用上翼緣應(yīng)力包絡(luò)

(b)主力作用下翼緣應(yīng)力包絡(luò)

(c)主+附上翼緣應(yīng)力包絡(luò)

(d)主+附下翼緣應(yīng)力包絡(luò)圖3 運(yùn)營階段梁單元單元應(yīng)力包絡(luò)(單位：MPa)

在主力荷載組合作用下，混凝土受拉區(qū)未出現(xiàn)拉應(yīng)力。壓應(yīng)力最大值為15.57 MPa，小于規(guī)范要求的0.5fc=0.5×37=18.5MPa，未出現(xiàn)拉應(yīng)力。壓應(yīng)力最大值為15.37 MPa，小于規(guī)范要求的0.5fc=0.5×37=20.35MP。所以在營階段本橋的混凝土拉、壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

在施工階段，混凝土可以出現(xiàn)拉應(yīng)力，但不超過1.0 MPa。關(guān)鍵施工階段結(jié)構(gòu)的梁單元應(yīng)力見圖4。

(a)最大懸臂段上翼緣應(yīng)力

(b)最大懸臂段下翼緣應(yīng)力

(c)邊合龍上翼緣應(yīng)力

(d)CS邊合龍下翼緣應(yīng)力

(e)中合龍上翼緣應(yīng)力

(f)中合龍下翼緣應(yīng)力

(g)調(diào)索后上翼緣應(yīng)力

(h)調(diào)索后下翼緣應(yīng)力圖4 各施工階段梁單元應(yīng)力(單位：MPa)

在邊合龍和中合龍之后，下翼緣出現(xiàn)了拉應(yīng)力且壓應(yīng)力較大，故其為最不利施工階段，應(yīng)予以重視。調(diào)索之后，下翼緣的不利受力狀態(tài)明顯改善，本橋調(diào)索過程對全橋受力影響較為顯著。在整個(gè)施工階段，出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力為0.55 MPa，未出現(xiàn)大于1 MPa的拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

3.3 變形驗(yàn)算

豎向撓度按雙線“中-活載”加載計(jì)算，本橋主跨180 m，邊跨90 m。豎向撓度限值采用L/900。靜活載作用下，本橋變形見圖5。

圖5 靜活載作用下豎向變形(單位：mm)

按照規(guī)范，還需驗(yàn)算結(jié)構(gòu)橫向變形以及梁端轉(zhuǎn)角，驗(yàn)算結(jié)果如表2所示，所有項(xiàng)目驗(yàn)算均滿足規(guī)范要求。

表2 結(jié)構(gòu)變形驗(yàn)算

4 結(jié)構(gòu)分析

4.1 動(dòng)力特性計(jì)算

為了搞清楚結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，先使結(jié)構(gòu)無阻尼自由振動(dòng)。將結(jié)構(gòu)的自重以及帶有質(zhì)量的二期恒載轉(zhuǎn)化為順橋X、橫橋Y、豎向Z方向的質(zhì)量。使用多重Ritz向量法計(jì)算結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性值。由上表可知，本橋基頻為0.018 cycle/s，振動(dòng)最大周期為54.522 s。結(jié)構(gòu)的前四階振型模態(tài)如圖6所示。

(a)1階振型模態(tài)

(b)2階振型模態(tài)

(c)3階振型模態(tài)

(d)4階振型模態(tài)圖6 前四階振型模態(tài)

4.2 反應(yīng)譜分析

本橋抗震設(shè)防烈度8度，Ⅱ類場地，鋼筋砼阻尼比為0.05，根據(jù)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性值，在模型中輸入規(guī)范中的反應(yīng)譜后進(jìn)行分析，考慮地震作用方向：順橋X、橫橋Y、豎向Z，采用CQC振型組合(表3、表4)。

由上表可知橫橋向地震引起的內(nèi)力較大，豎向地震引起的順橋向位移較大。

表3 地震作用墩頂位移 mm

表4 地震作用墩頂內(nèi)力

5 結(jié)論

(1)本橋在施工以及運(yùn)營階段的剛度、強(qiáng)度均滿足于規(guī)范要求且有一定富余，設(shè)計(jì)合理，受力得當(dāng)。

(2)通過本橋的內(nèi)力彎矩圖可知，矮塔斜拉橋的受力行為更加類似于連續(xù)梁橋，豎向荷載作用下，主梁受彎、壓和斜拉索受拉，斜拉索對主梁起加勁作用，受力主體是主梁。

(3)調(diào)索前后主梁受力有所改善，但是影響并不顯著。由于橋塔高度不大，斜拉索和預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的偏心距較傳統(tǒng)斜拉橋都較小，故為了優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力，可以聯(lián)合預(yù)應(yīng)力以及斜拉索索力同時(shí)進(jìn)行調(diào)整。