廖宇芳 于孟生

摘要：文章以某座獨塔混合梁斜拉橋為研究背景，采用Midas Cival軟件建立有限元分析模型，分析總結(jié)了全橋靜力性能。結(jié)果表明：（1）荷載組合效應(yīng)下，橋梁主梁軸力和彎矩響應(yīng)大于剪力響應(yīng)，彎矩分布均勻比軸力響應(yīng)稍小;（2）鋼箱梁側(cè)主跨跨中斜拉索的應(yīng)力變化大于主跨兩端斜拉索應(yīng)力變化，最大變化量為90 MPa;（3）混凝土側(cè)斜拉索索力變化比較均勻，最小、最大變化量分別為15 MPa、34 MPa。

關(guān)鍵詞：橋梁工程;獨塔斜拉橋;有限元;靜力性能

0 引言

獨塔混合梁斜拉橋，具有上部結(jié)構(gòu)的基本受力特征，其主梁由鋼箱梁和混凝土梁組成，通過鋼箱梁與混凝土結(jié)合段共同受力。就下部結(jié)構(gòu)而言，通常需要設(shè)置輔助墩以提升混凝土梁的跨越能力。通過采用鋼箱梁與混凝土組合形式不僅改善了結(jié)構(gòu)受力形式，而且提升了其服役性能，具有廣泛的應(yīng)用前景。

為了保證橋梁成橋受力安全，給設(shè)計者提供合理的結(jié)構(gòu)選擇，本文以某獨塔斜拉橋為研究對象構(gòu)建了Midas Cival有限元模型，利用此模型考慮在成橋恒載、活載、荷載組合作用下對獨塔斜拉橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元靜力分析，分析了獨塔混合梁斜拉橋的主梁及一些結(jié)合部位區(qū)域在不同荷載工況下的受力狀態(tài)，總結(jié)了該特大橋的靜力性能。

1 工程概況

某特大橋為獨塔雙索面混合梁斜拉橋，主梁由混凝土梁和鋼箱梁組成，采用塔、梁、墩固結(jié)體系，橋梁孔跨布置為（36+265+55+68+65）m，橋梁全長為489 m。本橋在邊跨位置設(shè)置兩個輔助墩以提升跨越水平，另設(shè)置一個輔助跨以解決獨塔斜拉橋主跨梁端轉(zhuǎn)角超限問題。本橋梁立面布置如圖1所示。

本橋中鋼箱梁為分離式扁平鋼箱梁，混凝土梁為分離式PC箱形梁，箱體之間由密布PC橫梁連接，橫梁間距為3.2 m。在主跨段設(shè)置鋼箱梁與混凝土箱梁結(jié)合段，鋼箱梁與混凝土箱梁結(jié)合面距索塔中心位置19 m。

2 橋梁結(jié)構(gòu)分析計算

2.1 有限元計算模型

本文特大橋中除與橫梁相連接的箱梁外腹板采用Q345qD-Z25外，其余鋼箱梁主體結(jié)構(gòu)、鋼錨箱、拼接板、人行道及風(fēng)嘴等均采用主橋鋼材即Q345qD，主梁和索塔以及封端均采用C55混凝土，鋼箱梁與混凝土結(jié)合區(qū)域采用C55鋼纖維增強(qiáng)自密實混凝土。斜拉索鋼絲采用熱鍍鋅鋼絲，主梁、索塔與橫梁中所采用的預(yù)應(yīng)力鋼束均為1 860 MPa低松弛鋼絞線，直徑為15.2 mm。各主要材料力學(xué)性能如表1所示。

根據(jù)設(shè)計材料參數(shù)，運用Midas Cival有限元軟件建立全橋模型。在計算中，將主梁、主塔、斜拉索、墩柱等構(gòu)件按實際尺寸、材料特性、連接方式進(jìn)行模擬。全橋模型共有577個節(jié)點、454個單元，結(jié)構(gòu)模型圖如圖2所示。在Midas Cival模型計算中，構(gòu)件自重參照《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》（TB 1002-2017），預(yù)應(yīng)力混凝土梁上和鋼箱梁上二期恒載分別按180.4 kN/m和134.6 kN/m驗算?；A(chǔ)不均勻沉降除DP3號墩按20 mm檢算外，其余橋墩均按10 mm檢算。

2.2 荷載組合效應(yīng)計算分析

為研究橋梁在荷載組合效應(yīng)下內(nèi)力及應(yīng)力特點，選取恒載（自重+預(yù)應(yīng)力鋼束+混凝土收縮與徐變，組合系數(shù)均為1）+活載（汽車荷載+列車荷載+人群荷載，組合系數(shù)均為1），分析橋梁各部分的受力特點及規(guī)律。

2.2.1 對內(nèi)力的影響計算分析

荷載組合效應(yīng)下橋梁的軸力、彎矩和剪力包絡(luò)如圖3～5所示，計算結(jié)果如表2所示。

從圖3～5和表2分析可知，荷載組合效應(yīng)下，主梁以受壓和受彎為主，剪力比較小。鋼箱梁側(cè)的軸力要小于混凝土梁側(cè)。鋼箱梁側(cè)的最大彎矩和剪力都出現(xiàn)在DP2支點截面處，最大值分別為：-1.53×105 kN·m、1.6×104 kN。整個0#塊區(qū)域軸力最大值達(dá)到-5.1×105 kN，依然出現(xiàn)在塔梁固結(jié)處截面。

主塔上塔柱以軸力受壓為主，最大值為-3.3×105 kN，出現(xiàn)在雙塔柱交匯處截面。下塔柱特別是主塔塔底截面的彎矩和剪力響應(yīng)較大，最大值分別為：6.01×105 kN·m、5.37×104 kN。鋼混結(jié)合面最大彎矩為4.04×104 kN·m，最小彎矩為-1.7×104 kN·m。

綜上總結(jié)得出，荷載組合效應(yīng)下，橋梁主梁軸力和彎矩響應(yīng)要比剪力響應(yīng)大，彎矩分布較均勻且相對來說比軸力響應(yīng)稍小一點，說明斜拉索給予了主梁足夠的彈性支撐。主塔除了塔底截面主要受壓，0#塊范圍內(nèi)的內(nèi)力響應(yīng)較大。

2.2.2 對主梁應(yīng)力的影響計算分析

荷載組合效應(yīng)下，主梁包絡(luò)如圖6～9所示。

由圖6～9分析結(jié)果可知，荷載組合效應(yīng)下，鋼箱梁上緣應(yīng)力從DP2支點截面向DP3方向增大，在鋼箱梁與鋼混結(jié)合段連結(jié)處達(dá)到最大值，其值為-78.97 MPa，下緣最大應(yīng)力為-97.6 MPa，低于《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTJ 025-86）中的規(guī)定（210 MPa），說明鋼箱梁縱向應(yīng)力儲備充足。

混凝土梁全截面受壓，這有利于發(fā)揮混凝土的材料性能，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在鋼混結(jié)合段與混凝土梁相結(jié)處，其值為12.11 MPa，參照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362-2018）中的規(guī)定，說明混凝土梁縱向應(yīng)力的儲備較大。

2.2.3 對斜拉索應(yīng)力的影響計算分析

從表3可知，在荷載組合效應(yīng)下，鋼箱梁側(cè)主跨跨中斜拉索的應(yīng)力變化要大于主跨兩端斜拉索應(yīng)力變化，應(yīng)力最大變化量出現(xiàn)在P13，變化量為90 MPa，而最大應(yīng)力出現(xiàn)在端錨索P23，其值為609 MPa;混凝土側(cè)斜拉索索力變化較均勻，最小、最大變化量分別為15 MPa、37 MPa，應(yīng)力最大值也發(fā)生在端錨索C23，其值為579 MPa。

2.3 寬幅箱梁橫向應(yīng)力

2.3.1 鋼箱梁橫向應(yīng)力

由于橋面較寬（46.5 m），導(dǎo)致橋面橫向應(yīng)力較大，需對箱梁橫向應(yīng)力進(jìn)行計算。現(xiàn)從鋼箱梁中選取有斜拉索的標(biāo)準(zhǔn)梁段和無斜拉索的支點梁段分別進(jìn)行計算，以分析整個鋼箱梁橫向應(yīng)力情況。

對于有斜拉索的標(biāo)準(zhǔn)梁段，采用Midas Civil有限元軟件建立鋼箱梁板殼模型。模型選取了兩個標(biāo)準(zhǔn)梁段，一共劃分了10 364個單元和6 791個節(jié)點，在斜拉索錨固部位鉸支。經(jīng)分析，當(dāng)汽車荷載以及人群荷載加滿，列車荷載不加時，鋼箱梁橫向最不利，計算結(jié)果如圖10所示。其最大橫向應(yīng)力74.5 MPa，出現(xiàn)在鋼箱梁橫隔板下緣。

同理，對于無斜拉索的支點梁段，模型選取了第一跨鋼箱梁段，一共劃分了26 131個單元和16 752個節(jié)點，在支座位置鉸支。經(jīng)分析，當(dāng)汽車荷載以及人群荷載、列車荷載全滿布時，鋼箱梁橫向最不利，計算分析如圖11所示。其最大橫向應(yīng)力為66.7 MPa，出現(xiàn)在鋼箱梁支座位置。

本文選取了具有普遍代表性的有斜拉索支點標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段及無斜拉索支點的第一跨鋼箱梁作了寬幅鋼箱梁的橫向應(yīng)力計算分析。從計算結(jié)果可以看出，在最不利荷載效應(yīng)下，鋼箱梁的橫向應(yīng)力分布較均勻。當(dāng)荷載引起鋼箱梁橫向變形時，橫隔板和支點限制了鋼箱梁的變形趨勢，因而最大應(yīng)力往往出現(xiàn)在橫隔板和支點截面附近處，最大橫向應(yīng)力為74.5 MPa。

2.3.2 混凝土箱梁橫向應(yīng)力

對于混凝土箱梁的橫向應(yīng)力計算，選取箱梁跨中截面進(jìn)行建模，取箱梁跨中截面的縱橋向12 m，一共劃分了11 356個單元和13 025個節(jié)點。將邊界條件設(shè)置為拉索錨固處鉸支。本模型將箱梁橫向鋼束建模為桁架單元，如圖12所示，將預(yù)應(yīng)力張拉建模為單元溫度下降（556.4 ℃）。由此可計算得到鋼絞線張拉應(yīng)力為：

σ=EαT=1.95×108×1.2×10-5×556.4=1 302 MPa

本文中預(yù)應(yīng)力損失為初始張拉應(yīng)力的20%，即在計算建模中將預(yù)應(yīng)力荷載系數(shù)取為0.8，當(dāng)汽車荷載以及人群荷載布滿，列車荷載不加時，混凝土箱梁橫向最不利。計算結(jié)果如圖13所示。由圖13可見混凝土箱梁橫向應(yīng)力分布較為均勻，除錨固段位置周圍存在拉應(yīng)力9.5 MPa，其他地方均不受拉，最大壓應(yīng)力為10 MPa，位于橫隔板下緣處。

通過上述分析可知，由于本橋塔墩梁固結(jié)，因此在多種荷載作用下，塔梁固結(jié)處及主墩下塔柱的彎矩、剪力值較大。這也正是這種體系的獨塔斜拉橋的一個弱點，但在有限的跨度下，其內(nèi)力值是結(jié)構(gòu)可以承受的。同時，這種體系具有足夠的剛度，全橋在多種荷載作用下位移較小，且承載能力較強(qiáng)。主梁采用鋼混組合梁，其剛度介于鋼箱梁及混凝土梁之間，與混凝土梁相比，大大減小了自重，對下部結(jié)構(gòu)設(shè)計及全橋的經(jīng)濟(jì)性都會產(chǎn)生積極影響。

3 結(jié)語

獨塔斜拉橋在靜荷載作用下的各項性能一直是橋梁工作者最關(guān)心的問題，它從很大程度上反映了橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、合理性及經(jīng)濟(jì)性。通過以上靜力結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，可以得到這種獨塔混合梁斜拉橋的受力特點：

（1）荷載組合效應(yīng)下，橋梁主梁軸力和彎矩響應(yīng)大于剪力響應(yīng)，彎矩分布較均勻且相對來說比軸力響應(yīng)稍小。

（2）鋼箱梁側(cè)主跨跨中斜拉索的應(yīng)力變化大于主跨兩端斜拉索應(yīng)力變化，最大變化量為90 MPa;混凝土側(cè)斜拉索索力變化比較均勻，最小、最大變化量分別為15 MPa、34 MPa。

（3）由于本橋橋面較寬（46.5 m），鋼箱梁及混凝土梁橫向應(yīng)力較大，橫向彎曲應(yīng)力與縱向彎曲應(yīng)力的大小基本在同一量級，因此在進(jìn)行受力分析時一定要考慮橫向彎曲應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的不利影響。

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