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        1 600 m 雙塔自錨式斜拉橋結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析

        2021-10-27 05:51:04姜洋
        城市道橋與防洪 2021年9期
        關(guān)鍵詞:一階橋塔拉索

        姜洋

        [上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司,上海市 200092]

        0 引言

        斜拉橋是由塔、梁、索和基礎(chǔ)共同受力的結(jié)構(gòu)體系,因其跨越能力強、受力明確合理、力學(xué)性能好、造型優(yōu)美等優(yōu)點,在過去半個多世紀(jì)里取得了快速的發(fā)展。近年來,斜拉橋的主跨跨徑記錄不斷刷新,我國在建的常泰長江大橋主跨已達1 176 m。隨著斜拉橋主跨跨徑的增加,主梁的高跨比越來越小,橋塔高度越來越高,橋梁整體穩(wěn)定性問題已成為其主跨跨徑進一步增加的限制因素[1-4]。

        對于主跨1 600 m 的自錨式斜拉橋,橋塔處主梁承受巨大的軸向壓力,主梁的整體穩(wěn)定性成為控制結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵因素?,F(xiàn)以某公路通道方案為工程背景,對影響超大跨徑自錨式斜拉橋結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的一些主要因素開展參數(shù)研究。

        1 總體布置方案

        某公路通道位于河口變遷河段,河槽沖刷深度達40m 以上,由于河槽不穩(wěn)定,通航寬度不僅需要考慮深槽寬度,還必須為河槽的變遷預(yù)留足夠的空間。依據(jù)現(xiàn)有水文、通航資料和可選橋址進行研判,橋位處主橋跨徑需求為單主跨1 600 m。

        主橋設(shè)計方案的橋型結(jié)構(gòu)為雙塔自錨式斜拉橋,橋跨布置為3×110+390+1 600+390+ 3×110=3040(m),邊中跨比0.45。橋塔處主梁為豎向支撐體系,橫向設(shè)置抗風(fēng)支座,橋塔處設(shè)置塔梁間縱橋向彈性索,采用沉井基礎(chǔ),總體布置如圖1 所示。

        圖1 主跨1 600 m 雙塔自錨式斜拉橋總體布置圖(單位:m)

        橋塔高度為430 m,其中橋面以上橋塔高度為350 m,下塔柱高度為80 m。橋塔縱橋向為獨柱型,塔頂縱橋向尺寸為12 m,塔底為25 m;橫橋向為鉆石型,塔頂橫橋向尺寸為12 m,塔底為15 m,見圖2 所示。

        圖2 橋塔布置圖(單位:m)

        主梁采用分離式(中央開槽)扁平鋼箱梁斷面形式,全寬52 m,高度5.5 m。頂板板厚16 mm,底板板厚28~60 mm,腹板板厚20~50 mm,見圖3 所示。

        圖3 主梁標(biāo)準(zhǔn)斷圖(單位:cm)

        斜拉索為雙索面扇形布置,梁上拉索錨點位于主梁兩側(cè),塔中心處標(biāo)準(zhǔn)索距為2.5 m,梁上標(biāo)準(zhǔn)索距為20 m,邊跨梁端索距減小到16 m 和12 m。斜拉索采用平行鋼絲拉索,最大拉索規(guī)格φ7-547。

        2 結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性參數(shù)分析

        經(jīng)試算,結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)兩種失穩(wěn)模態(tài),分別為主跨和邊跨主梁失穩(wěn),失穩(wěn)模態(tài)分別見圖4 和圖5 所示。

        圖4 主跨主梁失穩(wěn)圖示

        圖5 邊跨主梁失穩(wěn)圖示

        接著,對影響斜拉橋結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的五個主要因素,即主梁梁高、輔助墩數(shù)量、塔梁約束、橋塔高度和塔上錨固間距進行參數(shù)分析,以確定各參數(shù)的合理取值。

        2.1 主梁梁高

        邊跨設(shè)置三個輔助墩,塔梁間縱橋向彈性索剛度為100 MN/m,主梁梁高分別取5.0 m、5.5 m 和6.0 m時,結(jié)構(gòu)的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)見表1 所列。

        表1 梁高對一階彈性穩(wěn)定系數(shù)的影響一覽表

        從表1 可以得出以下主要結(jié)論:

        (1)在邊跨設(shè)置三個輔助墩時,失穩(wěn)模態(tài)均為中跨主梁失穩(wěn);

        (2)隨著梁高的增加,中、邊跨一階彈性穩(wěn)定系數(shù)均隨之增加。

        增加梁高有利于提高結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性,但梁高增加將導(dǎo)致主梁迎風(fēng)面積增加,主梁承受的橫風(fēng)荷載增大,使得結(jié)構(gòu)在極限橫風(fēng)作用下的中跨跨中橫橋向位移增大,且橋塔的橫橋向彎矩也將增加。

        因此,在滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下,應(yīng)選取盡量小的梁高。當(dāng)梁高為5.5 m 時,結(jié)構(gòu)的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)為4.346,大于4.0,滿足規(guī)范要求。

        2.2 輔助墩數(shù)量

        塔梁間縱橋向彈性索剛度為100 MN/m,主梁梁高為5.5 m,輔助墩數(shù)量分別為1 個、2 個和3 個時,結(jié)構(gòu)的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)見表2 所列。

        表2 輔助墩數(shù)量對一階彈性穩(wěn)定系數(shù)的影響一覽表

        從表2 可以得出以下主要結(jié)論:

        (1)隨著輔助墩數(shù)量的增加,中、邊跨主梁的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)均增大;

        (2) 輔助墩數(shù)量對中跨主梁一階彈性穩(wěn)定系數(shù)的影響很小,對邊跨主梁一階彈性穩(wěn)定系數(shù)的影響相對更大;

        (3)當(dāng)輔助墩數(shù)量為1 個和2 個時,邊跨主梁先于中跨主梁失穩(wěn);當(dāng)輔助墩數(shù)量為3 個時,中跨主梁先于邊跨主梁失穩(wěn)。

        因此,輔助墩數(shù)量可選取為3 個,可顯著提高邊跨主梁的穩(wěn)定性。

        2.3 塔梁約束

        主梁梁高為5.5 m,邊跨設(shè)置3 個輔助墩,塔梁間縱橋向彈性索剛度選取為0~400 MN/m 以及縱向固定約束時,結(jié)構(gòu)的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)見表3 所列。

        從表3 可以得出以下主要結(jié)論:

        表3 塔梁約束對一階彈性穩(wěn)定系數(shù)的影響一覽表

        (1)彈性索縱向剛度對邊跨主梁的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)影響很小;

        (2)隨著彈性索縱向剛度的增加,中跨主梁的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)逐漸增加,但增加的速率越來越小。

        隨著彈性索縱向剛度的增加,主梁的梁端縱向位移逐漸減小,但塔底的縱向彎矩大幅增加,因此彈性索縱向剛度不宜取值過大。

        當(dāng)彈性索縱向剛度取50 MN/m 時,結(jié)構(gòu)的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)為4.188,大于4.0,滿足規(guī)范要求。

        2.4 橋塔高度

        主梁梁高為5.5 m,邊跨設(shè)置3 個輔助墩,塔梁間縱橋向彈性索剛度為50 MN/m,橋塔高度分別選取為430 m、420 m 和410 m 時,結(jié)構(gòu)的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)見表4 所列。

        表4 橋塔高度對一階彈性穩(wěn)定系數(shù)的影響一覽表

        從表4 可以得出以下主要結(jié)論:

        (1)隨著橋塔高度的降低,拉索的水平傾角變小,拉索的水平分力增加,使得主梁的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)也隨之降低;

        (2)橋塔高度對于中跨主梁的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)影響更大。

        增加橋塔高度可提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性,但也隨之增大了橋塔的施工難度,因此在滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下,應(yīng)選取小的橋塔高度,430 m 的橋塔高度是合適的。

        2.5 塔上錨固間距

        橋塔高度保持430 m 不變,塔上錨固間距分別為2.2 m、2.5 m 和2.8 m 時,結(jié)構(gòu)的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)見表5 所列。

        表5 塔上錨固間距對一階彈性穩(wěn)定系數(shù)的影響一覽表

        從表5 可以得出以下主要結(jié)論:

        (1)橋塔高度不變時,隨著塔上錨固間距的增加,拉索的水平傾角變小,拉索的水平分力增加,使得主梁的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)也隨之降低;

        (2)塔上錨固間距對于中、邊跨主梁的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)影響程度接近。

        減小塔上錨固間距可提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性,因此可根據(jù)斜拉索在塔上錨固構(gòu)造的空間要求確定斜拉索的塔上錨固間距。

        3 結(jié)語

        本文對1 600 m 雙塔自錨式斜拉橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行了參數(shù)分析,得到以下主要結(jié)論:

        (1)在滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下,應(yīng)選取盡量小的梁高;當(dāng)梁高為5.5 m 時,結(jié)構(gòu)的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)為4.346,大于4.0,滿足規(guī)范要求。

        (2)當(dāng)輔助墩數(shù)量為1 個和2 個時,邊跨主梁先于中跨主梁失穩(wěn);當(dāng)輔助墩數(shù)量為3 個時,中跨主梁先于邊跨主梁失穩(wěn),并可顯著提高邊跨主梁的穩(wěn)定性。

        (3)為了減小塔底的縱向彎矩,彈性索縱向剛度不宜取值過大;當(dāng)彈性索縱向剛度取50 MN/m 時,結(jié)構(gòu)的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)為4.188,大于4.0,滿足規(guī)范要求。

        (4)在滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下,應(yīng)選取小的橋塔高度,430 m 的橋塔高度是合適的。

        (5)減小塔上錨固間距可提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性,可根據(jù)斜拉索在塔上錨固構(gòu)造的空間要求確定斜拉索的塔上錨固間距。

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