詹璐， 李淵， 丁望星， 廖原

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司， 湖北 武漢 430051)

高低塔不對(duì)稱(chēng)斜拉橋結(jié)構(gòu)，因地形、通航條件等限制，跨徑布置不對(duì)稱(chēng)，造成兩半橋體系剛度差異較大，在中跨分界附近區(qū)域主梁響應(yīng)等存在突變、過(guò)渡不平順等現(xiàn)象。因此，有必要采取措施，減小兩側(cè)剛度差異。斜拉橋結(jié)構(gòu)根據(jù)索塔與主梁之間的支承方式，結(jié)構(gòu)支承體系通常分為全漂浮、半漂浮和塔梁固結(jié)等。塔梁之間的支承方式，影響了荷載在塔、梁、索之間的傳遞。通常，對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)多采用半漂浮支承體系，塔梁之間分別通過(guò)斜拉索于塔端及支座在塔梁交界處傳遞荷載。塔梁固結(jié)則增強(qiáng)了塔梁交界處聯(lián)結(jié)剛度，更多荷載效應(yīng)在此處直接傳遞，塔梁協(xié)同受力。

對(duì)于高低塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，多采用大跨側(cè)設(shè)置輔助墩、調(diào)節(jié)端錨索或增加小跨側(cè)塔高等方式。該文以湖北省丹江口漢江公路大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，采用數(shù)值分析方法，對(duì)比分析高低塔不對(duì)稱(chēng)斜拉橋結(jié)構(gòu)在不同支承方式下的汽車(chē)荷載(以下簡(jiǎn)稱(chēng)汽車(chē)荷載)響應(yīng)，通過(guò)優(yōu)化支承方式提高結(jié)構(gòu)在荷載傳遞和結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布方面的合理性和均衡性，減小高低塔兩半橋剛度差異。

1 項(xiàng)目介紹

1.1 工程概況

丹江口漢江公路大橋位于湖北省丹江口市境內(nèi)。圖1為主橋橋型布置示意圖。受到兩岸地形條件和通航要求限制，漢江在該河段西岸(土關(guān)埡側(cè))受到?jīng)_刷，地勢(shì)高陡，東岸(丹江口側(cè))淤積則平緩，深泓和主航道均偏于西岸，最終主橋采用主跨260 m雙塔三跨不對(duì)稱(chēng)預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋方案，跨度組合為(145+260+85) m；邊、中跨比為0.558、0.327，兩側(cè)邊跨受通航限制均未設(shè)置輔助墩。

圖1 主橋橋型布置示意圖(單位：cm)

1.2 支承方案

根據(jù)該橋東西側(cè)邊跨跨徑差異大、東塔高西塔矮、結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)、東西半橋剛度差異大等特點(diǎn)，擬通過(guò)采用塔梁固結(jié)的支承方式提高結(jié)構(gòu)剛度，改善結(jié)構(gòu)力學(xué)行為，同時(shí)因橋塔塔墩較矮，結(jié)構(gòu)對(duì)塔梁固結(jié)引起的對(duì)主梁及橋塔變形的限制作用適應(yīng)能力有限，綜合以上考慮，提出3種支承方案。方案1：東西雙塔半漂浮；方案2：東西雙塔塔梁固結(jié)；方案3：東塔塔梁固結(jié)+西塔半漂浮。該文主要對(duì)3種支承方案下高低塔斜拉橋在汽車(chē)荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力分配等力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析。

1.3 計(jì)算模型

采用三維梁?jiǎn)卧M索塔、橋墩、主梁，采用索單元模擬斜拉索。邊界條件：過(guò)渡墩處為豎向約束；索塔塔柱底和墩底考慮基礎(chǔ)出口剛度。全橋計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 全橋計(jì)算模型示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)變形

計(jì)算汽車(chē)荷載作用下的主梁梁端縱向位移和塔頂偏位，其結(jié)果如表1所示。

表1 汽車(chē)荷載作用下梁端位移與塔頂偏位

由表1可以看出：方案1東西半橋梁端位移較大且基本一致，東西塔塔頂偏位最大值接近，西塔塔頂偏位最小值接近東塔的2.9倍，說(shuō)明在半漂浮支承體系下，塔梁分離，主梁剛度較小，東西側(cè)主梁變形連續(xù)，主梁承擔(dān)的汽車(chē)荷載效應(yīng)主要通過(guò)斜拉索在塔頂傳遞至塔身，西塔因塔柱較矮，西半橋整體剛度相對(duì)更大，產(chǎn)生的響應(yīng)較大；方案2主梁梁端位移均顯著降低，東側(cè)塔頂偏位最大值增加21%，西側(cè)塔頂偏位最大值則減小了66%，東塔偏位是西塔的3.7倍，說(shuō)明雙塔塔梁固結(jié)，梁端位移受限，對(duì)塔頂偏位，尤其是西塔影響顯著，西塔受汽車(chē)荷載效應(yīng)影響明顯減??；方案3東側(cè)梁端位移與方案2接近，西側(cè)梁端位移相對(duì)方案2有大幅增加，但仍遠(yuǎn)小于方案1，東西側(cè)塔頂偏位均有小幅增加，東塔偏位是西塔的3.4倍，說(shuō)明方案3西半橋塔梁聯(lián)結(jié)剛度降低對(duì)東半橋梁端位移、東西橋塔偏位影響有限，相對(duì)方案2，結(jié)構(gòu)整體剛度降低。

主梁在汽車(chē)荷載作用下的豎向位移如圖3所示。

圖3 汽車(chē)荷載作用下主梁豎向撓度

由圖3可知：汽車(chē)荷載作用下，方案1中跨主梁撓度最大為0.08 m，最小為-0.18 m,跨中上撓極值點(diǎn)距中跨中心23.5 m，下?lián)蠘O值點(diǎn)位置偏離中跨中心點(diǎn)9.5 m，且中跨上撓撓度曲線在靠近西塔的位置撓度曲線有明顯的凹陷，撓度值下降。由此可見(jiàn)，東西半橋主梁剛度差距較大，西邊跨的錨固作用明顯，使得中跨在靠近西側(cè)的區(qū)域剛度過(guò)渡不平順。方案2全橋主梁撓度降低，撓曲曲線也更加平滑，東側(cè)邊跨撓度最大減少0.08 m，西側(cè)邊跨最大減少0.04 m,中跨撓度峰值為-0.15 m，與方案1相比，減小17%。同時(shí)東、西半橋邊跨峰值位置分別向遠(yuǎn)塔端移動(dòng)4.4、3 m，中跨撓度峰值位置向跨中移動(dòng)17.8 m。由此可見(jiàn)，東半橋塔梁固結(jié)對(duì)東半橋的剛度影響明顯，使得中跨撓度極值點(diǎn)向跨中中點(diǎn)方向移動(dòng)，使中跨受力特性更接近對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，對(duì)結(jié)構(gòu)更為有利。方案3東半橋主梁撓度與方案2撓度曲線基本重合，略有增大。中跨撓度峰值的位置也基本重合。自跨中撓度峰值點(diǎn)處向西，撓度有小幅增加，撓度曲線相對(duì)方案2更加平順。西半橋邊跨側(cè)，主梁撓度曲線接近方案1的撓度曲線，但略小于方案1，表明方案3單獨(dú)取消西半橋塔梁固結(jié)使得東西半橋剛度差異進(jìn)一步減小，對(duì)中跨在汽車(chē)荷載下的撓度變化總體規(guī)律影響有限，僅西半橋主梁撓度有小幅增加。

2.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

計(jì)算得到不同荷載作用下的塔底順橋向彎矩結(jié)果如表2所示。

由表2可知：汽車(chē)荷載作用下，方案1西塔塔底彎矩最大值為東塔的1.7倍，東塔最小值為西塔的1.4倍；方案2東塔塔底彎矩最大值增加11%，最小值降低17%，西塔塔底彎矩最大、最小值分別降低50%、59%，東塔塔底彎矩最大、最小值分別為西塔的1.3、2.9倍；方案3東塔底彎矩最大值增加幅度較方案2更大，相對(duì)方案1增加了69%，西塔最大、最小值則分別降低了30%、52%，東塔塔底彎矩最大、小值分別為西塔的1.4、4.2倍。由此可見(jiàn)，方案2同時(shí)增加了東西半橋的塔梁協(xié)同剛度，顯著降低了汽車(chē)荷載作用下剛度較小的西塔的塔底彎矩，剛度較大的東半橋東塔塔底彎矩小幅增加，內(nèi)力重分配效果明顯，結(jié)構(gòu)受力趨于合理。方案3東西塔底彎矩差距進(jìn)一步增大，其中東塔承擔(dān)的荷載效應(yīng)增幅明顯，西塔則增幅不大，在進(jìn)一步發(fā)揮東塔剛度優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，對(duì)西塔的影響也在可控范圍內(nèi)。

計(jì)算得到汽車(chē)荷載作用下的塔梁交界處主梁軸力和順橋向彎矩，其結(jié)果如表3所示。

表3 塔梁交界處主梁軸力和順橋向彎矩

2.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力

(1) 主梁應(yīng)力。計(jì)算得到汽車(chē)荷載作用下的主梁應(yīng)力如表4所示。由表4可知:與方案1相比，方案2因塔梁固結(jié)，東半橋主梁邊中跨應(yīng)力分別降低約20%、27%，西半橋主梁邊中跨應(yīng)力分別降低約39%、21%；東西半橋塔梁交界處主梁應(yīng)力幅值相對(duì)方案1都提高近1倍，說(shuō)明方案2雙塔塔梁固結(jié)對(duì)邊中跨主梁受力更為有利；方案3與方案2東西半橋中跨應(yīng)力幅值接近，僅在西半橋邊跨小幅增加37%，但仍小于方案1西半橋邊跨應(yīng)力幅，與此同時(shí)西半橋主梁塔梁交界處應(yīng)力幅降低約64%，且略小于方案1，說(shuō)明方案3取消西塔塔梁固結(jié)，對(duì)西半橋塔根部主梁受力有利，且對(duì)邊中跨主梁應(yīng)力幅影響有限。

表4 汽車(chē)荷載作用下的主梁應(yīng)力 MPa

(2) 斜拉索應(yīng)力。計(jì)算汽車(chē)荷載作用下斜拉索應(yīng)力幅，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 汽車(chē)荷載作用下斜拉索應(yīng)力幅

由圖4可知：汽車(chē)荷載作用下，方案1斜拉索應(yīng)力幅同比最大；方案2因東西塔塔梁固結(jié)，斜拉索應(yīng)力幅下降，其中以邊中跨尾索區(qū)和近塔區(qū)斜拉索應(yīng)力幅降幅更為明顯，均值達(dá)到23%左右，東半橋近塔區(qū)最大達(dá)到35%，西半橋近塔區(qū)最大達(dá)到57%；方案3西半橋中跨斜拉索應(yīng)力幅降幅較方案2有小幅增大，近塔區(qū)及邊跨尾索區(qū)應(yīng)力幅與方案1相近，個(gè)別拉索應(yīng)力幅增加5%左右。說(shuō)明方案3東塔固結(jié)對(duì)西半橋中跨區(qū)拉索應(yīng)力幅仍有一定控制作用，對(duì)提高整個(gè)中跨區(qū)剛度有利，其影響隨著遠(yuǎn)離中跨區(qū)而逐漸減小。

3 結(jié)論

依托丹江口漢江公路大橋?qū)嶋H工程項(xiàng)目，對(duì)比分析了高低塔不對(duì)稱(chēng)斜拉橋結(jié)構(gòu)在不同支承體系下的汽車(chē)荷載響應(yīng)，主要結(jié)論如下：

(1) 方案1為常規(guī)斜拉橋支承方案。在汽車(chē)荷載作用下，主梁中跨撓度不平順、局部存在突變，且極值點(diǎn)位置偏離中跨中心點(diǎn)最遠(yuǎn)；西塔塔底順橋向彎矩是東塔的1.7倍，不能很好地發(fā)揮高橋塔的承載能力；主梁及斜拉索應(yīng)力幅同比最大。對(duì)于高低塔的不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，采用常規(guī)支承方案不利于結(jié)構(gòu)內(nèi)力的合理分布。

(2) 方案2雙塔塔梁同時(shí)固結(jié)，提高了兩半橋剛度，塔梁協(xié)同受力，使得橋塔能較好地參與到汽車(chē)荷載作用下的內(nèi)力分配中，相比方案1，東塔塔底彎矩最大值增加11%，西塔塔底彎矩最大值減少50%。主梁撓度中跨峰值降低約17%且峰值位置向中跨中心點(diǎn)移動(dòng)。說(shuō)明中跨主梁受不對(duì)稱(chēng)布跨影響減弱，主梁在汽車(chē)荷載下的變形更加平順，接近對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，主梁邊中跨應(yīng)力幅降低，塔梁交界處主梁應(yīng)力幅值均提高近一倍，對(duì)塔梁交界處主梁承載能力要求相應(yīng)提高。

(3) 方案3僅東塔塔梁固結(jié)，東塔塔底彎矩大幅增加，最大、最小值分別為西塔的1.4、4.2倍，進(jìn)一步發(fā)揮了東塔的承載能力。同時(shí)，東半橋邊中跨及西半橋中跨主梁撓度、應(yīng)力幅值等皆與方案2接近，僅在西半橋邊跨小幅增加，且塔梁交界處主梁內(nèi)力顯著降低，應(yīng)力幅降低約64%，說(shuō)明相對(duì)方案2，西半橋剛度削弱，東西半橋的剛度差異減小，結(jié)構(gòu)的整體剛度降低，東西半橋塔梁交界處主梁承載力需求降低，且對(duì)中跨影響有限，主梁的內(nèi)力分布更合理。

綜上所述，方案3采用不對(duì)稱(chēng)的支承方式，很好地適應(yīng)了該橋的高低塔不對(duì)稱(chēng)布跨，塔墩較矮的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，減小了主梁在汽車(chē)荷載作用下因布跨不對(duì)稱(chēng)引起的應(yīng)力突變等不利效應(yīng)，高塔的承載能力優(yōu)勢(shì)也得以充分發(fā)揮。