某矮塔斜拉桥主梁受力分析研究

郑报文， 张安林， 夏 伟

（安徽省交通勘察设计院有限公司，安徽 合肥 230011）

1 引 言

矮塔斜拉桥是介于连续梁桥和普通斜拉桥之间的新型组合结构体系桥梁，具有塔矮、梁刚、索集中的特点［1－3］。就结构特性而言，其综合普通斜拉桥和连续梁桥的优势，利用主梁的受弯、受压和拉索的受拉来承受竖向荷载。其斜拉索具有体外索特征，索对梁提供竖向分量的同时也对梁体提供较大轴压力，使梁能承受更大的弯矩，可见，矮塔斜拉桥受力以主梁为主，拉索为辅［4－7］。相对普通斜拉桥主要承受压力的主梁而言，矮塔斜拉桥的主梁不仅要承受大部分的弯矩和剪力，而且还承受轴向压力。因而，对其主梁进行受力分析研究，是很有必要的。

2 工程背景

某桥跨布置为（80＋140＋80）m的矮塔斜拉桥，采用塔梁固结，墩梁分离体系。主塔桥面以上高23.5m，为4m×3m钢筋混凝土独柱实心矩形截面，布于中央分隔带。全桥共设9对斜拉索，空间平行布置，索力一次张拉到位而不进行二期调索。主梁为预应力混凝土分离式双边箱梁结构，采用悬臂浇筑法施工。

本文通过 MIDAS／CIVIL 2010对全桥建立有限元模型（图1）进行计算分析，其中主梁采用变截面梁单元进行离散，斜拉索采用只受拉杆单元进行模拟，主塔采用梁单元进行模拟。按施工顺序，全桥共划分为63个施工阶段。全桥结构共离散为330个节点，72个桁架单元，205个梁单元。

图1 矮塔斜拉桥有限元模型

3 两状态下主梁受力分析研究

该桥采用悬臂浇筑施工工艺，施工过程中，其主梁受力随着悬臂长度增加而增大，故最大双悬臂状态下主梁悬臂长度最长，自重最大，主梁内力最大，结构处于最不稳定状态。而成桥状态是桥梁经二期恒载作用后的状态，该状态下桥梁的内力分布和线形优劣是衡量设计和施工水平的重要指标之一，其受力安全、线形合理既是桥梁建设的目标也是安全运营的基础。

本文通过所建立的全桥模型，提取两状态下的主梁内力、应力数据并绘制成对比图，进行比较分析。因全桥受力对称且限于篇幅，本文仅取半桥数据进行分析。

3.1 主梁内力

该桥采用对称悬臂施工，将最大双悬臂状态和成桥状态下相对应主梁各截面（单元9－60左截面）的弯矩、轴力和剪力值统计并绘制出两种状态下弯矩、轴力和剪力值对比图如图2～图4所示。

图2 两状态下主梁截面弯矩对比图

图3 两状态下主梁截面轴力对比图

图4 两状态下主梁截面剪力对比图

由图2分析可知，两种状态下最大弯矩值出现位置相同，均为34号单元，而成桥状态下主梁的最大正弯矩值明显小于最大双悬臂状态下正弯矩值，约为其值的51.84%。

由图3分析可知，两种状态下最大轴力值出现位置相同，均现于0号块截面处，且其值几近相等，整个主梁产生轴力均为压。两种状态下塔根附近无索区段截面轴力值非常接近，基本相同，而有索区段成桥状态下的轴力值则明显大于最大悬臂状态下该区段轴力值，这是由于合龙段预应力作用而产生的效果。

由图4分析可知，两种状态下剪力变化趋势一致，最大剪力值出现位置相同，成桥状态下的最大剪力值约为最大双悬臂状态下的130%。拉索区剪力值均呈现锯齿状变化，这是斜拉索的竖向分力影响引起的。

由上分析可知，背景工程桥梁存在施工过程的最大内力大于成桥最大内力的情况，此情况下进行桥梁设计，应当以施工过程最大内力作为控制截面内力设计的依据［8］。这与现有的一些研究结论一致［9－10］。

3.2 主梁应力

同理，可将最大双悬臂状态和成桥状态下相对应主梁各截面（单元9－60左截面）上缘和下缘应力值统计并绘制出两种状态下应力对比图，如图5和图6所示。

图5 两状态下主梁上缘应力对比图

图6 两状态下主梁下缘应力对比图

由图5分析可知，该桥两状态下主梁截面上缘均受压应力。成桥状态下最大压应力值约为最大双悬臂状态下最大压应力值的90.76%，两状态下最大压应力出现位置相同，均为0号块前端截面，并由该截面对称的向两侧几乎呈线性逐渐减小。成桥状态下无索区主梁上缘应力小于最大双悬臂状态下该区段上缘应力；而有索区及J9索外14和15号块梁段的主梁上缘应力值则正好相反。

由图6分析可知，该桥两状态下主梁下缘均受压应力。成桥状态下最大压应力值为最大双悬臂状态下最大压应力值的131.23%，两状态下主梁下缘最大应力值出现位置不同。成桥状态下出现于中跨合龙段截面，而最大双悬臂状态下出现于J5索前端截面。有索区范围内主梁下缘应力值出现锯齿状变化，且最大双悬臂状态下应力值大于成桥状态下的下缘应力值。而无索区则相反，成桥状态下应力值大于最大双悬臂状态下应力值，这是合龙段预应力作用影响下的结果。

4 结 论

本文应用有限元分析软件 MIDAS／CIVIL 2010所建立的模型计算分析，对该桥最大双悬臂状态和成桥状态进行对比分析研究，得出相关结论如下：

（1）两状态下，其相应最大内力出现位置相同。最大双悬臂状态大于成桥状态下的最大弯矩值，而两状态下的轴力与剪力最大值则相差不多，成桥状态略大于最大双悬臂状态下的相应内力值。

（2）两状态下，主梁上缘最大压应力值出现位置相同，均为0号块前端截面，最大双悬臂状态大于成桥状态下的相应值；而主梁下缘则相反，前一状态小于后一状态下的相应值。

（3）双塔矮塔斜拉桥设计时，若出现施工过程的最大内力大于成桥最大内力的情况，应当以施工过程最大内力作为控制截面内力设计的依据。

1 郑报文.秋浦河矮塔斜拉桥监控与主梁受力分析研究［D］.合肥：合肥工业大学，2013.

2 高 飞.部分斜拉桥力学性能分析及施工控制研究［D］.郑州：郑州大学，2008.

3 张运波，王东森.PC矮塔斜拉桥施工过程主梁内力测试与分析［J］.石家庄铁道大学学报，2011，24（2）：10－14.

4 刘新翠.双塔矮塔斜拉桥主梁受力特性分析及研究［D］.西安：长安大学，2011：2－3.

5 申明文.部分斜拉桥静力性能研究［D］.上海：同济大学，2002.

6 邢晓辉.某矮塔斜拉桥施工期间受力分析［D］.上海：同济大学，2009.

7 郑报文，胡 成，张 巍.某宽幅矮塔斜拉桥施工过程主梁应力分析［J］.安徽建筑工业学院学报，2012，20（6）：62～64.

8 刘沐宇，孙文会，孙向东，等.宽幅矮塔斜拉桥最大悬臂阶段主梁受力分析［J］.武汉：华中科技大学学报，2010，27（2）：11－13.

9 陈从春.矮塔斜拉桥设计理论核心问题研究［D］.上海：同济大学，2005：1－2.

10 徐洪权.矮塔斜拉桥结构受力特性研究［D］.杭州：浙江大学，2008.