汪吉豪，魏慶慶 （1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000；2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230000）

1 部分斜拉橋結(jié)構(gòu)體系簡介

部分斜拉橋是介于斜拉橋與連續(xù)梁之間的一種結(jié)構(gòu)體系，具有斜拉橋和連續(xù)梁橋的雙重特點(diǎn)，屬于剛?cè)嵯酀?jì)的新橋型[1]。根據(jù)部分斜拉橋結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)和墩、塔、梁的結(jié)合方式，部分斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系可分為塔梁固結(jié)體系、支承體系和剛構(gòu)體系3 種[2]。塔墩固結(jié)、塔梁分離的結(jié)構(gòu)體系類似普通斜拉橋中的半漂浮體系，此種結(jié)構(gòu)布置下主梁需要在塔墩上設(shè)置豎向支承，支座均為活動(dòng)支座，在此模式下主梁接近具有彈性支承的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，我國最早的矮塔斜拉橋-蕪湖長江大橋采用即為此種支承體系[3]，但該體系在部分斜拉橋結(jié)構(gòu)中目前已較少采用；其次為塔梁固結(jié)、塔墩分離、梁底和橋墩之間設(shè)置支座為塔梁固結(jié)體系，此種橋型斜拉索同樣提供為彈性支承，斜拉索的傾角決定了彈性支撐的剛度。這種結(jié)構(gòu)體系一般主梁受力比較均勻，同時(shí)由于約束的減少，溫度變形對(duì)結(jié)構(gòu)影響也較小，對(duì)于下塔柱的受力改善明顯，而且得益于自由度的釋放，下塔柱的彎矩得到很大的改善，利于下部墩柱的配筋。但由于該體系結(jié)構(gòu)整體剛度較小，而且通常需要在主梁下設(shè)置較大噸位的支座，同時(shí)根據(jù)影響線的分布可知，當(dāng)在中跨加載時(shí)會(huì)造成主塔塔柱的傾斜變形，使塔頂產(chǎn)生較大的水平位移，從而進(jìn)一步增大主梁的跨中撓度。

無論是何種體系的部分斜拉橋，從連續(xù)梁、部分斜拉橋到斜拉橋的過渡過程中，主梁承受的彎矩逐漸減小，而軸力卻逐漸增加，一般而言主梁需承擔(dān)恒載的75%左右以及活載的大部分，因此部分斜拉橋的主梁為了滿足結(jié)構(gòu)受力的需要，要求剛度、強(qiáng)度都要很大[4]。而由于部分斜拉橋的塔高較矮，其拉索傾角較小，拉索為主梁提供較大的軸向力，拉索的豎向支撐效應(yīng)與傳統(tǒng)的斜拉橋相比較弱。在實(shí)際工程中，由于塔梁固結(jié)體系各方性能較好，設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用塔、梁、墩固結(jié)的部分斜拉橋的橋梁形式。此種結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)剛度大，而且省去了大噸位支座，由于剛度較大，其主梁和塔柱的變形及撓度均較小。但是固結(jié)處的剛度集中，此處力流傳遞模式也較為復(fù)雜，除了橋塔巨大的軸力傳遞給塔梁墩固結(jié)區(qū)外，主梁的彎矩、剪力和軸力也匯集于此，其吸收的主梁負(fù)彎矩也較大，導(dǎo)致其對(duì)溫度變化敏感，在具體應(yīng)用上下塔柱橋墩高度不宜過小。同時(shí)該結(jié)構(gòu)體系的抗震性能不好，用于地震區(qū)及風(fēng)荷載較大的區(qū)域時(shí)，應(yīng)謹(jǐn)慎選擇并重點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)力的分析研究。同時(shí)此類橋梁的主塔受力也較為復(fù)雜，也是該類型斜拉橋的設(shè)計(jì)關(guān)鍵部位[5]。本文以某省道的跨河大橋?yàn)榉独?，采用?shí)體有限元模型分析固結(jié)模式下主塔的受力特征，為類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供相應(yīng)參考。

2 橋梁設(shè)計(jì)概況

某省道跨河大橋主橋?yàn)?00m+165m+100m 的矮塔斜拉橋，全長365m，剛構(gòu)體系，上部結(jié)構(gòu)主梁為單箱三室大懸臂懸澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，主塔為人字形塔，下部主墩為雙肢薄壁墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。主橋總體布置圖如圖1所示。

圖1 主橋總體布置圖（單位：cm）

主梁斷面采用單箱三室大懸臂斜腹板整幅斷面布置，三向預(yù)應(yīng)力體系，橋面全寬28.75m，支點(diǎn)處梁高6.5m，跨中梁高3.5m，邊跨支架段、跨中合攏段為等高梁段，其余梁高由按1.8 次拋物線規(guī)律變化。主梁頂板厚28cm，支點(diǎn)底板厚度100cm，跨中底板厚度32cm，底板厚度按1.8 次拋物線規(guī)律變化。邊腹板采用斜腹板，由跨中向支點(diǎn)按50cm、60cm、70cm 三段變化，中腹板為直腹板，厚度50cm。主梁設(shè)置端、0#塊支點(diǎn)及拉索橫梁，端橫梁厚度2.0m，0#塊支點(diǎn)橫梁與雙薄壁墩對(duì)應(yīng)，厚度1.6m，拉索處邊室部位橫梁厚度30cm，中室部位厚度50cm，其余所有橫梁厚度均為30cm；主梁懸臂長度6.0m，懸臂下每隔3.5m 或4m 設(shè)置一道加勁肋，高2.5m，厚度30cm，拉索處加勁板與橫隔梁縱向布置位置一致。主橋平面位于直線上，單向2%橫坡通過箱梁腹板變高形成。主梁混凝土采用C55混凝土。主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖2所示。

圖2 主梁支點(diǎn)橫斷面（單位：cm）

預(yù)應(yīng)力筋采用《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》（GB/T 5224-2014）標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的低松弛級(jí)鋼絞線，直徑Φs15.2mm，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1860MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa。縱向預(yù)應(yīng)力采用19 股鋼鉸線，橫向預(yù)應(yīng)力筋采用15.2-4 股鋼絞線，扁錨體系。

主墩墩高20.0m，采用雙肢薄壁墩結(jié)構(gòu)形式，雙肢間距7.0m，單肢寬度14.0m，厚度1.6m，墩下為承臺(tái)接群樁基礎(chǔ)，承臺(tái)采用整體布置方式，整幅橋承臺(tái)長23.2m，寬18.2m，厚度5.0m，承臺(tái)下設(shè)置20 根直徑2.0m 鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁基按摩擦樁設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 主塔一般構(gòu)造圖（單位：cm）

小樁號(hào)過渡墩采用矩形墩，整體式布置，墩柱長3.0m，寬2.0m，墩柱上接蓋梁，蓋梁寬度28.25m，高2.5m，墩柱下為整體式承臺(tái)接群樁基礎(chǔ)，承臺(tái)為啞鈴型承臺(tái)，長26.0m，寬8.2m，厚3.5m，承臺(tái)下設(shè)置8 根直徑2.0m 鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁基按摩擦樁設(shè)計(jì)。大樁號(hào)過渡墩采用矩形墩，整體式布置，墩柱長3.0m，寬2.0m，墩柱上接蓋梁，蓋梁寬度20.75m，高2.5m，墩柱下為整體式承臺(tái)接群樁基礎(chǔ)，承臺(tái)為矩形斷面，長18.2m，寬8.2m，厚3.5m，承臺(tái)下設(shè)置8根直徑2.0m 鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁基按摩擦樁設(shè)計(jì)。

本橋斜拉索塔頂采用分絲管結(jié)構(gòu)形式，主塔采用獨(dú)柱矩形塔，順橋向?qū)挾?.0m，橫橋向?qū)捳婵滩?.2m 深。主塔一般構(gòu)造圖如圖4所示。

圖4 主塔一般構(gòu)造圖（單位：cm）

斜拉索采用環(huán)氧噴涂鋼絞線。單個(gè)橋塔共設(shè)置7 對(duì)斜拉索，橫向雙排布置，本橋梁上索距8.0m，塔上索距1.5m。鞍座采用矩形分絲管形式，每根分絲管穿一根鋼絞線。在兩側(cè)斜拉索出口處設(shè)擋板。拉索鞍座由錨體、過渡管和延伸管組成。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用掛藍(lán)懸臂施工工藝。主塔采用爬?；蚧Ｊ┕?。

3 實(shí)體有限元建模及結(jié)果分析

計(jì)算分析時(shí)采用大型通用有限元分析軟件ANSYS 19.0 建立實(shí)體有限元模型，采用solid187 四面體10 節(jié)點(diǎn)的高階單元，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元離散，采用高階單元保證應(yīng)力和變形計(jì)算的精確度。主塔一共劃分節(jié)點(diǎn)996415 個(gè)，單元753176 個(gè)。通過事先建立的桿系模型提取計(jì)算結(jié)果，作為外荷載施加在實(shí)體模型上。主墩剛度模擬是剛構(gòu)方案建模的重要內(nèi)容，通過在梁單元模型中提取承臺(tái)頂?shù)膭偠染仃嚕凑諒椈赡M約束下塔柱底部節(jié)點(diǎn)的自由度以對(duì)主塔塔底進(jìn)行約束模擬，拉索索力通過面荷載進(jìn)行施加?；炷敛牧习凑站|(zhì)彈性體進(jìn)行模擬。

取標(biāo)準(zhǔn)組合荷載下，主塔的受力分析結(jié)果如圖5-圖7所示。

圖5 塔柱變形云圖（左為總體變形、右為豎向壓縮變形，單位：mm）

圖6 塔柱豎向應(yīng)力云圖（左為表面、右為剖面，單位：MPa）

圖7 塔柱縱橋向及橫橋向應(yīng)力云圖(左側(cè)為縱向、右側(cè)為橫向，單位MPa)

在標(biāo)準(zhǔn)組合下主塔的合計(jì)總體變形量最大在7.5mm 左右，最大變形位置為塔頂，自塔頂至塔底變形量逐漸減小。變形形式呈現(xiàn)不規(guī)則的形式，下塔柱呈現(xiàn)較為明顯的“外漲”變形，在總計(jì)變形量中豎向壓縮變形占據(jù)較大的部分，其中由拉索不平衡力引起的縱向變形量在2.6mm 左右。下塔柱左右塔肢變形不對(duì)稱。在上塔柱與下塔肢的連接部位，變形較為扭曲。塔柱總體變形較為不規(guī)則。

在標(biāo)準(zhǔn)組合下主塔豎向壓應(yīng)力最大角點(diǎn)出現(xiàn)在塔柱圓角處，超過16MPa，豎向拉應(yīng)力量級(jí)較小，在1MPa 以下。在塔柱內(nèi)部壓應(yīng)力自圓角處至上部塔柱出現(xiàn)明顯的應(yīng)力擴(kuò)散現(xiàn)象，從上中塔柱交接處的位置向上依次遞減。同時(shí)結(jié)合左右應(yīng)力云圖對(duì)比可知，橫向開槽對(duì)應(yīng)力分布力流傳遞的影響較大，應(yīng)力范圍自表面至內(nèi)部收縮。主塔內(nèi)部和表面的應(yīng)力分布云圖均呈現(xiàn)“水流”擴(kuò)散的效應(yīng)。應(yīng)力范圍較大的區(qū)域?yàn)樯现兴^渡的范圍，特別是開槽區(qū)域的底部。

塔柱橫梁縱向拉應(yīng)力效應(yīng)明顯，在上下塔肢交接處橫梁的底部大范圍區(qū)域，以及表面的圓角部分區(qū)域，均出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力在2MPa 以上；在圓角的角點(diǎn)附近出現(xiàn)較大的應(yīng)力波動(dòng)。而在塔柱交接的橫梁底部的小范圍區(qū)域，由于泊松比的影響，也產(chǎn)生一定的橫向拉應(yīng)力作用。

4 結(jié)論

部分斜拉橋正作為一種跨度在100～300m 范圍內(nèi)有很大競(jìng)爭力的橋型蓬勃發(fā)展，本文以某省道165m 矮塔斜拉橋的主塔實(shí)體分析，得出如下結(jié)論：

根據(jù)本范例主塔的應(yīng)力云圖分析可知，主塔作為典型的壓彎構(gòu)件，拉索索力直接施加在主塔上，上部拉索的豎向荷載分量會(huì)引起劈裂效應(yīng)沿主塔結(jié)構(gòu)四周傳播，主要表現(xiàn)為縱橋向劈裂，引起上下塔肢的交接橫梁特別是底部拉應(yīng)力效應(yīng)明顯，此部分應(yīng)特別注意底部鋼筋的縱向配置，可以考慮配置為雙層鋼筋。具體配筋大小可結(jié)合實(shí)體計(jì)算的應(yīng)力積分結(jié)果，結(jié)合裂縫控制進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)拉索荷載的施加也引起了劈裂力的橫向傳播，但由于結(jié)構(gòu)的橫向約束作用要明顯強(qiáng)于縱向，因此僅在薄弱部位橫梁底部的部分區(qū)域引起橫向拉應(yīng)力。同時(shí)，由于塔柱開槽以及結(jié)構(gòu)形狀的變化，在結(jié)構(gòu)形體變化處均產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

綜上分析，在這類橋梁的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，需要加強(qiáng)主塔橫梁底部及圓角區(qū)域的縱向配筋。同時(shí)在主塔橫梁底部橫橋向靠近圓角部分的小范圍區(qū)域拉應(yīng)力也較大，可考慮配置相應(yīng)尺寸的鋼筋網(wǎng)。