大跨径部分斜拉桥拉索横隔板的构造设计研究

赵 艳,罗富元,凌塑奇

(广西交通设计集团有限公司,广西 南宁,530029)

0 引言

部分斜拉桥是梁桥和斜拉桥的组合结构,与常规的斜拉桥相比,部分斜拉桥的拉索应力幅较小,后期运营换索的费用低;与梁桥相比,部分斜拉桥由于设置拉索,拉索可以作为体外预应力,有效解决大跨径连续刚构后期运营中的跨中下挠、腹板开裂等常见病害[1-3]。部分斜拉桥为了降低工程造价,减少后期运营成本,主梁往往采用预应力混凝土结构。在拉索锚固位置处的主梁,受拉索集中力的作用,受力较为复杂[4-5]。在拉索锚固区采用合理的横隔板构造来改善该区域的应力状况,是工程设计的关键[6]。本文以主跨为280 m的部分斜拉桥作为研究背景,采用不同的横隔板设计方案进行对比,从而得出最优方案。

1 项目概况

培森柳江特大桥主桥为(145+280+145) m的双塔单索面的部分斜拉桥。该桥是广西贺巴高速公路的控制性工程,是目前在建的世界最大跨度的公路预应力混凝土部分斜拉桥。

2 横隔板方案设计

该主桥箱梁宽度为29 m,截面形式为整幅单箱三室直腹板箱梁,中间箱室宽度为2.2 m,两边箱室宽度为7.15 m。

每个塔的拉索共23对。拉索锚固在主梁的中间箱室处,索力通过锚固区传至梁体,在锚固区通常需要设置横隔板来改善该区域的受力。由于本桥拉索锚固在中间箱室,中间箱室横隔板设置为整体式横隔板。为了研究边箱室横隔板的刚度对梁体应力的影响,按照边箱室横隔板的挖空率由大至小,设置为以下3种方案。

方案一:采用整体横隔板,仅在两边箱室横隔板处各预留一个过人孔,该方案的横隔板刚度最大。

方案二:边箱室横隔板在方案一的基础上加大挖空率,采用横隔板上缘厚2 m,两侧和下缘各厚0.5 m的回字形设计。该方案的横隔板刚度较小。

方案三:考虑到拉索处横隔板受力主要集中在上缘,边箱室横隔板只在靠近顶板的位置设置,高度为2 m。该方案的横隔板刚度最小。

3个方案的横隔板横断面如图1～3所示。中横隔板宽2.2 m,两侧边横隔板宽7.15 m。

图2 横隔板方案二示意图(m)

图3 横隔板方案三示意图(m)

3 计算模型

利用ANSYS软件根据主梁、拉索处横隔板结构实际尺寸建立主梁节段实体模型,选取根部附近至第7根拉索附近共36 m长主梁节段建立模型。根据3个横隔板设计方案建立3种形式横隔板节段实体模型并进行分析。对于拉索齿块部分单元采用实体单元并进行自由网格划分,总体单元尺寸0.2m。对于预应力索采用LINK8单元模拟。有限元模型(方案二、方案三仅示意1/2断面)如图4～6所示。

图4 方案一有限元模型图

图5 方案二有限元模型图

图6 方案三有限元模型图

本部分计算主要关注索力和车辆荷载作用横隔板的局部应力情况,考虑的荷载主要包括自重、收缩徐变、二期恒载、预应力和汽车荷载。从全桥整体计算模型中提取成桥阶段的梁端截面的轴力、剪力、弯矩等内力结果,如表1所示。将内力作为荷载边界条件施加在局部分析模型中。拉索编号C1～C7按桥塔往跨中方向排序,如图7所示。

表1 计算荷载取值表

图7 拉索布置示意图

计算荷载组合包括两个工况:

(1)工况一:恒载+收缩徐变+预应力+汽车横向偏载。

(2)工况二:恒载+收缩徐变+预应力+汽车横向满布。

4 三种横隔板方案的受力分析

通过比较3种横隔板方案的中横隔板和边横隔板的主拉应力S1、竖向拉应力Sz、横向应力Sy,对横隔板的受力进行分析。同时为了评估横隔板的刚度对主梁应力的影响,提取顶板的横向应力St和底板的横向应力Sb进行分析。为了对比不同拉索位置的横隔板受力情况,选取了C1拉索横隔板位置(靠近桥塔)、C7拉索横隔板位置(靠近跨中)进行分析,同时对比中箱室横隔板(以下简称中横隔板)和边箱室横隔板(以下简称边横隔板)的受力。分析结果见表2～4。

表2 C1拉索横隔板位置的应力计算结果表(MPa)

从表2、表3的应力计算结果可看出:随着箱梁横向刚度减弱,方案一到方案三的横隔板主拉应力S1、竖向应力Sz、横向应力Sy增加趋势较明显。例如C1拉索位置的边箱横隔板处主拉应力S1由2.07 MPa增加至10.4 MPa,竖向应力Sz由1.72 MPa增加至7.97 MPa,横隔板的横向应力Sy由0.93增加至9.80 MPa。对比C1拉索和C7拉索横隔板位置的应力结果,可发现越靠近桥塔的位置,应力值越大。

表3 C7拉索横隔板位置的应力计算结果表(MPa)

方案一采用挖空率较小的整体横隔板,主拉应力最大位置发生在中横隔板拉索锚固点处。各拉索横隔板位置的最大主拉应力为2.07～3.52 MPa,越靠近桥塔处横隔板应力越大。主拉应力主要分量为竖直方向。

方案二采用横隔板挖空率加大,即横隔板为回字形,横隔板刚度较方案一弱,与方案一模型相比,最大主拉应力也发生在中横隔板位置,垂直于拉索锚点传力方向的两侧,主拉应力峰值超过10 MPa,且横隔板的竖向应力和横向应力与方案一相比,亦有较大的增加。由表4可知,由于横隔板的传力作用减小,使主梁横向两侧挠曲增大,底板的横向拉应力增大较为明显,比方案一增加约2 MPa。

表4 主梁的横向应力计算结果表(MPa)

方案三采用取消靠近底板处横隔板,即横隔板为扁担形,该方案横隔板刚度最弱。模型三结果和模型二结果相比,除了横隔板的主拉应力、竖向应力和横向应力均加大以外,相对于方案二的回字形横隔板,底板横向拉应力为7.83 MPa,底板受力最为不利。

5 结语

本文以某大跨径部分斜拉桥为例,通过采用实体有限元软件,对不同形式拉索横隔板进行了受力分析,得到以下结论:

(1)随着拉索处横隔板挖空率加大,即箱梁的横向刚度减弱时,横隔板的主拉应力S1、竖向应力Sz、横向应力Sy应力均加大,箱梁的底板受力更为不利。故对于宽幅箱梁来说,加大横隔板的刚度是有必要的,建议采用仅设置过人洞的整体式横隔板。

(2)横隔板的刚度对于主梁顶板横向应力影响不大,但对于梁底横向应力有较大的影响,随着横隔板横向刚度减弱,梁底横向应力增加明显。

(3)拉索锚固区处横隔板的受力趋势为越靠近桥塔位置的横隔板应力越大。