单塔预应力混凝土斜拉桥空间受力特性分析

景广涛 张 婷

1 工程概况

以白山市向江大桥为研究对象，主桥跨度为2×81 m，单塔双索面，塔、梁、墩固结体系。主梁为等高2.8 m的斜腹板预应力混凝土箱形梁，单箱双室大挑臂结构形式，混凝土标号为C50，梁顶全宽32.0 m，设双向1.5%的横坡。索塔塔墩和上塔柱分别在纵桥向、横桥向分开，整个造型呈腰细股丰状，配合索塔横梁上的装饰，整个塔柱艺术上立意为“腰鼓天池”。斜拉索采用φ7环氧涂层平行钢丝索，共布置20道40根拉索，每侧布置10道，塔端索距1.8 m，梁端索距6.0 m。

2 建立全桥空间有限元模型

本文以桥梁有限元分析理论为基础，运用大型有限元软件MIDAS/CIVIL建立全桥空间有限元模型对斜拉桥进行计算分析。斜拉桥主梁的施工顺序应按照设计施工流程进行，在施工过程分析有限元模型中，全桥共划分29个施工阶段。斜拉索采用只受拉桁架单元模拟，主塔和主梁采用三维空间梁单元模拟。边界条件均采用MIDAS/CIVIL中一般支撑、弹性连接和刚性连接来模拟。

具体施工过程为:主塔塔墩底部节点采用一般支撑约束全部自由度，来模拟墩与桩基础的连接;主梁约束采用一般支撑模拟，约束竖直和横向自由度;斜拉索和主梁及斜拉索和主塔的连接都采用弹性连接的刚性连接来模拟，主梁与塔墩共用节点，主塔与主梁采用刚性连接模拟，主梁节点为主节点。计算模型的施工阶段划分如表1所示。

3 施工过程斜拉桥的计算分析

施工过程中考虑的因素主要有恒载、预应力张拉、索力张拉、混凝土收缩徐变、二次内力等，此外还包括满堂支架、桥面铺装护栏等影响。本文重点讨论施工过程中的几个关键阶段的应力和变形，主要包括一次张拉索力、桥面铺装、二次张拉索力和十年收缩徐变等施工状态。

几个关键施工阶段的主梁变形比较如图1所示，由图1可以看出:在一次张拉索力状态下，主梁的变形很小，最大位移在跨中位置附近，最大位移值为21.88 mm;在桥面系铺装状态下，产生向下的位移，最大位移在跨中位置附近，其值为－0.07 mm;在二次张拉索力状态下，最大位移在跨中位置附近，最大位移值为35.70 mm;经过十年徐变后，跨中产生了向下的变形，最大位移值为31.30 mm。

施工过程中恒载、预应力张拉、索力张拉、混凝土收缩徐变等对主梁的变形都会产生影响，图2中显示了恒荷载(包括索的张拉力)、混凝土收缩徐变、预应力等对成桥变形的影响。从图2中可以看出，恒载作用下，主梁产生的最大向上位移在主梁边跨跨中附近，位移值为14.01 mm，最大向下位移在塔墩梁固结处，位移值为－2.30 mm;混凝土的收缩徐变作用均使主梁产生向下的竖向变形，混凝土收缩作用产生的竖向变形较徐变的大，在跨中附近收缩产生的位移值为－3.97 mm，徐变产生的位移值为－2.00 mm。分析可知，成桥三年后主梁产生了向下的变形主要是因为混凝土收缩徐变的作用。主梁预应力作用下跨中位置产生了较大的向上的竖向变形，最大值为24.25 mm。恒荷载和预应力对主梁产生变形的作用较大，且都产生向上的挠度，而混凝土收缩也对主梁变形有较大的影响，混凝土徐变对主梁变形的影响相对较小。

在施工过程中，斜拉索的张拉力也随施工过程而变化，对斜拉索一次张拉到施工初始索力后，索力在后续施工阶段的影响下不断变化，表1列出了本桥在各关键施工阶段的部分索力值。从表1中可以看出，由于主梁自重(CS17)和二期恒载(CS19)的作用索力增加以及收缩徐变的原因，在最后一个施工阶段(成桥三年CS29)索力大小趋于稳定。

表1 施工过程斜拉索索力变化表 kN

4 成桥运营阶段计算分析

成桥恒载和车辆活载对主梁的受力变形起控制作用，在车道荷载作用下，主梁的最大向上位移为3.40 mm，最大压应力为1.82 MPa，最大拉应力为 2.29 MPa，主塔的最大位移为 5.92 mm，最大压应力为1.41 MPa，最大拉应力为1.95 MPa。车道荷载作用下桥梁变形见图3。

在车辆活载作用下，成桥运营阶段的斜拉桥索力都有增加，表2列出了成桥恒载和活荷载的索力值，从表2中可以看出，在活载作用下产生了较大的竖向变形，从而增加了斜拉索的索力。活载作用增加的索力，也随着斜拉索的索长的增加而增大，但与成桥恒载索力相比，车道活载索力还是比较小，因此可知，斜拉索的索力主要还是由结构恒载起控制作用。

表2 成桥车道荷载对斜拉索索力的影响表 kN

5 结语

1)通过对向江大桥施工阶段的模拟计算分析表明，主梁恒载和预应力作用(包括索的张拉力)对主梁的应力变形影响最大，在施工过程中，混凝土徐变各荷载的二次内力对主梁的影响较小。

2)通过对成桥之后收缩、徐变对结构的影响计算表明，成桥之后混凝土收缩对结构的受力变形的影响不大，成桥十年后混凝土徐变作用使主塔向中跨的变形减小，能够在一定程度上减小主梁下挠，并能够在一定程度上改善结构的受力。

3)通过对斜拉桥的施工阶段进行详尽的分析、验算，得到了主梁挠度、桥塔位移等施工控制参数的理论计算值，施工过程中结构的受力和变形始终处于安全的范围内，成桥后主梁的线形符合预先的期望。

[1]王伯惠.斜拉桥结构发展和中国经验(上册)(索桥类)[M].北京:人民交通出版社，2003.

[2]王伯惠.斜拉桥结构发展和中国经验(下册)(索桥类)[M].北京:人民交通出版社，2003.

[3]JTJ 027-96，公路斜拉桥设计细则[S].

[4]JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[5]JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[6]贾 山.大跨预应力混凝土斜拉桥计算分析[D].成都:西南交通大学，2008.