某独斜塔斜拉桥主梁刚度对结构的影响分析

郑报文， 夏 伟， 张安林

(安徽省交通勘察设计院有限公司，安徽 合肥 230011)

某独斜塔斜拉桥主梁刚度对结构的影响分析

郑报文， 夏 伟， 张安林

(安徽省交通勘察设计院有限公司，安徽 合肥 230011)

斜塔斜拉桥的主梁作为主要受力构件，其刚度的大小对结构受力起到至关重要的作用。文章结合某在建独斜塔斜拉桥，分析该类斜拉桥的主梁刚度对该桥梁结构的影响，以期为同类桥型的设计提供参考。

斜拉桥；独塔；斜塔；刚度

0 引 言

随着人类物质文明和精神文明的发展，人们对桥梁的要求往往不再局限于其交通功能的要求，还需体现当地人文景观、历史文化、时代风貌等[1-3]。鉴于此，斜塔斜拉桥应运而生，它不仅继承了普通斜拉桥的轻盈美观、线条流畅，更带给人们强烈的不对称美感和视觉冲击力[4-6]。

斜塔斜拉桥的主梁作为主要受力构件，其刚度的大小对结构受力起到至关重要的作用[7]。本文结合某在建独斜塔斜拉桥，分析该类斜拉桥的主梁刚度对该桥的影响，以期为同类桥型的设计提供参考。

1 工程背景

某跨径为100 m+75 m的独塔斜拉桥，宽度为24.0 m，桥梁整幅布置，塔梁墩固结。主梁采用单箱五室斜腹板预应力混凝土连续箱梁，采用满堂支架现浇施工工艺，主跨侧梁长100 m，边跨侧75 m。为切合当地历史文化背景，钢管混凝土主塔采用双柱的形式，桥面以上塔高为60 m，且向边跨倾斜10°。

本文通过MIDAS/CIVIL 2015建立全桥有限元模型进行计算分析，其中主梁采用梁单元进行离散，斜拉索采用只受拉杆单元进行模拟，主塔采用联合截面进行梁单元模拟。

考虑恒载、活载、施工荷载、温度荷载和基础沉降等因素，按施工顺序，全桥共划分为66个施工阶段对全桥进行结构计算。

2 主梁刚度对结构影响分析

斜塔斜拉桥的主梁作为主要受力构件，其刚度的大小对结构受力起到至关重要的作用[8]。本文保持其他参数不变，仅调整主梁刚度EI，分别将其调整为原设计刚度的0.5倍、0.87倍、0.94倍、1.04倍、1.1倍、1.5倍和2.0倍来建立模型，分别计算，并提取各刚度下恒载作用、活载作用、成桥十年和标准组合下的特征数据，进行比较分析。

2.1 对塔顶纵向位移和主梁最大挠度的的影响

由图1各工况下塔顶纵向位移图(图中横轴为主梁刚度EI，竖轴为塔顶纵向位移δ，负号表示向主跨侧倾斜)可以看出：随着主梁刚度EI的增加，成桥10 a工况下的塔顶纵向位移δ增加显著；恒载作用和标准组合工况下，随着EI增加，δ略有增大，但增幅不明显；活载作用下，随着EI增加，δ明显减小。

图1 各工况下塔顶纵向位移

根据计算结果可知，各工况下主梁最大位移均发生在跨中位置，选择主梁跨中节点位移数据，并制成各工况下主梁最大位移图，如图2所示。图中横轴为主梁刚度EI，竖轴为主梁竖向位移δ，负号表示下挠。由图2可看出：各工况下主梁最大位移均随着主梁刚度EI的增大而减小。

图2 各工况下主梁最大挠度

2.2 对主梁和主塔弯矩的影响

由图3和图4(图中横轴为主梁刚度EI，竖轴为主梁弯矩M)可以看出：各工况下主梁跨中及支点弯矩均随着主梁刚度EI的增加而增加。

由图5可以看出：各工况下塔根弯矩随主梁刚度的增加而减小。

图3 各工况下主梁跨中负弯矩

图4 各工况下主梁支点弯矩

图5 各工况下塔根弯矩

结合图4和图5各工况下主梁支点和塔根弯矩图可知，随着主梁刚度的增加，主梁对整个结构的刚度贡献逐渐增加，而桥塔对整个结构的刚度贡献相对减小，表现为主梁所分配的内力(弯矩)增加，主塔所分配的内力减小[9-10]。由此说明，对于刚构体系独塔斜拉桥结构，塔梁结合处内力分配是由塔和梁的刚度比决定的。

2.3 对主梁应力的影响

根据计算结果可知，各工况下主梁最大应力均发生在主梁变截面位置，选择该处主梁应力，并制成各工况下主梁最大应力图，如图6所示。图6中横轴为主梁刚度EI，竖轴为主梁最大应力σ，负号表示压应力。由图可看出：各工况下主梁上缘和下缘最大应力σ均随着主梁刚度EI的增大而增大。

图6 各工况下主梁上、下缘最大应力

3 结 论

(1) 随着主梁刚度的增加，主梁弯矩增大，跨中挠度减小。

(2) 随着主梁刚度的增加，主塔弯矩和塔顶位移均减小。

(3) 随着主梁刚度的增加，主梁最大应力随之增大。

(4) 对于刚构体系独塔斜拉桥结构，塔梁结合处内力分配是由塔和梁的刚度比决定的。故而在该类桥型结构设计时，需合理选择塔梁刚度。

[1] 杨 靖.斜塔无背索部分斜拉桥静力性能与动力性能分析[D].西安：长安大学,2008.

[2] 孙 超.斜塔有背索斜拉桥的受力行为研究[D].西安：长安大学，2012.

[3] 陈海桦.独塔斜拉桥合理成桥索力及设计参数研究[D].成都：西南交通大学，2005.

[4] 楼旦丰.独塔双跨不对称矮塔斜拉桥受力特性分析[D].杭州：浙江大学，2015.

[5] 李忠三.基于静动力特性的多塔长跨斜拉桥结构体系刚度研究[D].北京：北京交通大学，2014.

[6] 陈海浪.组合体系桥梁构件协作受力特性研究[D].杭州：浙江大学，2011.

[7] 李晓莉.独塔斜拉桥的设计理论研究[D].上海：同济大学，2007.

[8] 韩 威.独斜塔斜拉桥合理成桥索力及参数敏感性研究[D].成都：西南交通大学，2013.

[9] 江德增.斜塔斜拉桥施工与运营过程中的力学行为研究[D].广州：华南理工大学,2010.

[10] 杨 勇，刘英伟.不对称斜塔斜拉桥的受力和设计分析研究[J].特种结构，2014，31(6)：68～72.

2016-10-25

郑报文(1987-)，男，江西德兴人，硕士，安徽省交通勘察设计院有限公司工程师．

U448.27

A

1673-5781(2016)05-0587-03