无背索斜拉桥设计参数与结构静力性能研究

(西安工业大学建筑工程学院 陕西 西安 710021)

一、前言

无背索斜拉桥与常规的直塔斜拉桥除在外形上有所不同外，二者的力学行为和传力途径也有很大的差异。在常规的直塔斜拉桥中，由于斜拉索产生的水平力在塔的根部可以相互平衡；而在无背索斜拉桥中，由斜拉索产生的水平力在塔根部只能与塔柱的水平分力相平衡。同时，无背索斜拉桥由于取消岸侧背索，依靠塔柱倾斜来平衡桥面恒载和活载，所以受力性能变得更为复杂，尤其是塔、梁、墩固接节点部位，需承受来自主梁的巨大轴力、剪力、弯矩及扭矩的共同作用[1]。

本文以某大桥为依托通过主塔倾角、主塔横梁设置等多种参数来分析全混凝土无背索斜拉桥设计参数的改变对结构静力性能的影响。在进行参数分析时，一般使被考察的参数变化一定的幅度，其他参数采用设计时的基准值，在这个条件下来分析设计参数对结构的影响程度。

二、主塔倾角影响分析

无背索斜拉桥主塔的倾斜角度不仅影响斜拉索的长度和索力还在很大程度上影响主梁和索塔的位移以及塔根弯矩，所以主塔的倾斜角度是一个不可忽视的关键参数。在此保证结构其他参数不变将斜塔的倾角[7]修改为44°、49°、54°、59°、64°、69°、74°，关注结构塔根处应力、全桥最大斜拉索索力及主边跨主梁变形值等，其计算结果如图1～6所示。

图1 不同塔倾斜角的塔根应力图

图2 不同塔倾斜角的最大斜拉索索力

图3～6为不同桥塔倾斜角度的结构在活载作用下主跨主梁最大变形、边跨主梁最大变形、主塔最大变形及斜拉索索力最大幅值的变化规律。

图3 主跨主梁最大变形值图

图4 边跨主梁最大变形值图

由图1～6可知，随着塔柱倾角θ的增加，塔根处压应力先减小后增大，而成桥最大桥索力的分布呈逐渐减小的趋势。在活载作用下，主跨跨中挠度值随塔柱倾角增大而减小、边跨挠度变化趋势相反；随塔柱倾角增大，主塔塔顶顺桥向变位值先增大后减小，而索力变化的幅值则呈单调递增的趋势。

图5 主塔最大变形值

图6 拉索应力最大幅值

综上所述，本依托工程主塔角度的主塔角度在试算区间[44°，74°]内有最优解，最优解为57°，与计算结果59°十分接近，该设计与计算十分吻合。

三、塔梁刚度比的影响分析

主塔刚度的变化只对主塔的弯矩偏位有影响而对主梁的影响不大[2]，但主梁刚度的变化对斜拉桥的整体受力影响较大[3]。斜塔的施工比较复杂，其刚度更容易产生较大误差。故在此保持主梁刚度不变，修改主塔刚度来研究塔梁刚度比分别为0.8、1.0、1.2时对结构受力的影响。主塔的刚度的改变通过修改混凝土的弹性模量E来实现。

结构在活载作用下的计算结果如图7～10所示：

图7 不同塔梁刚度比的跨中挠度

图8 不同塔梁刚度比的塔顶偏位

图9 不同塔梁刚度比的塔底弯矩

图10 不同塔梁刚度比的索力值

由图7～10可知：跨中挠度、塔顶偏位均随塔梁刚度比的增大而减小,这说明塔梁刚度比的增加有利于结构的变形；塔底弯矩、索力值均随塔梁刚度比的增大而增大，由于本桥是超静定形式，桥塔的刚度的变化对结构的受力影响比较复杂，所以塔底弯矩、索力值会有所增加。

四、不同结构体系的受力比较

对于全混凝土结构，由于自重较大，半漂浮体系比较难实施，应用较少。故以下分析仅比较刚构体系与塔梁固结体系的受力特点。分析中结构的其他参数均不改变，塔梁固结体系仅去掉墩柱与主梁的连接，在墩顶设置支座以支撑结构受力。结构受力比较如图11～12所示。

图11 塔梁固结不同倾斜角度的索力值

图12 塔梁墩固结不同倾斜角度的索力值

由图11～12可知：塔梁固结形式下6～13号索的索力随桥塔倾斜角度的增加而增加，塔梁墩固结形式下3～13号索的索力随桥塔倾斜角度的增加而增加，故塔梁墩固结形式索的受力更加均匀。对于全混凝土的无背索斜拉桥设计，考虑混凝土的结构自重引起的长期挠度、斜拉索索力的均匀程度等因素，采用塔墩梁固结的结构形式更加合理。

五、结论

本文以某大桥为依托分析了、塔的倾斜角度、塔梁刚度比、不同结构体系、主塔横梁设置等设计参数对结构静力性能的影响。结论如下：

(1)本依托工程主塔角度的主塔角度在试算区间[44°，74°]内有最优解，最优解为57°，与计算结果59°十分接近，该设计与计算十分吻合。

(2)塔梁刚度比的增加有利于结构的变形但是塔梁刚度比的增大可能引起塔底弯矩、索力值的而增大。

(3)对于全混凝土的无背索斜拉桥设计，考虑混凝土的结构自重引起的长期挠度、斜拉索索力的均匀程度等因素，采用塔墩梁固结的结构形式更加合理。