楊吉新 楊蔣鶴立 周興宇 陳一赫 梁亞蘭

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

0 引 言

縱觀國內(nèi)國外橋梁，無背索斜拉橋橋塔大多為獨(dú)塔斜拉橋，它只有主塔，塔上往往僅有單側(cè)索，橋塔通過單側(cè)索與主梁直接相連[1-2].橋塔的受力表現(xiàn)為在斜拉索索力及自身重力作用下的懸臂梁.為確保主塔處于良好的受力狀態(tài)，無背索斜拉橋的塔身一般都設(shè)計成傾斜的，依靠塔身的自重力矩來平衡斜拉索的傾覆力矩，因此組成了梁塔結(jié)構(gòu)的平衡體系.而雙斜塔無背索斜拉橋主塔后無背索，副塔與主塔間以塔間斜拉索相連，分別錨固于主塔與副塔上，同時副塔與主梁以斜拉索相連，充分地利用了主副塔的自重[3-4].其獨(dú)特、新穎和復(fù)雜的構(gòu)造與受力特點(diǎn)，造就了這種獨(dú)一無二的橋型.但是由于橋塔雙向傾斜，高而柔，因而容易受到溫度所引起的斜拉索熱脹冷縮的影響.斜拉索溫度效應(yīng)對橋塔所產(chǎn)生的應(yīng)力和結(jié)構(gòu)變形將會給施工和施工監(jiān)控帶來了很大的難度.目前國內(nèi)外對這種橋型的斜拉索溫度效應(yīng)分析的研究較少，大多集中于常規(guī)的斜拉橋和多塔的大跨度斜拉橋的溫度效應(yīng)分析，即便是獨(dú)塔的無背索斜拉橋國內(nèi)外對于其溫度效應(yīng)的研究也是甚少的.雙斜塔無背索斜拉橋在國內(nèi)建造尚屬首次，而當(dāng)下國內(nèi)對于其溫度效應(yīng)研究幾乎沒有[5-6].人們往往更多的關(guān)注于它的梁體和橋塔的溫度效應(yīng)，很少的去研究在無背索的情況下斜拉索的溫度效應(yīng)所可能產(chǎn)生的影響[7]，因此，本文將以六安壽春西路橋為背景，通過有限元軟件Midas Civil 2015，建立全橋的空間有限元模型，對雙斜塔無背索斜拉橋的斜拉索溫度效應(yīng)進(jìn)行分析，為這一獨(dú)特橋型的施工和監(jiān)控提供參考依據(jù).

1 工程概況

壽春西路橋的主橋為雙斜塔無背索斜拉橋，主橋采用V型塔雙索面斜拉橋，橋梁整幅布置，標(biāo)準(zhǔn)寬度為47 m,主梁采用108 m+70 m的鋼混混合梁.塔柱采用矩形塔，主塔上塔柱高70 m，副塔上塔柱高50 m，下塔柱高約18.5 m塔柱順橋向為V型,橫橋向為∧型，主跨及邊跨側(cè)均設(shè)置8對斜拉索.

塔柱高低塔不對稱布置，塔柱縱、橫向均為傾斜布置且橋面以上塔間無橫梁，順橋向主塔無背索，副塔頂部亦無背索塔柱順橋向剛度小，變形大，橫橋向，塔柱無拉索支承，相當(dāng)于豎向梁式結(jié)構(gòu)，塔頂及塔梁固結(jié)位置外側(cè)受有較大的橫向彎矩，塔身中部內(nèi)側(cè)受有較大的橫向彎矩，塔柱以壓彎受力為主.

下塔柱順、橫方向均為傾斜布置，考慮到橋面較寬，橫向變形較大，下塔柱塔肢間距寬約為31 m，設(shè)置成4肢布置以改善橫向受力，同時，下塔柱高約18.5 m，高度較矮，剛度大，受溫度變化，梁體軸線變形大等影響較大.

斜拉索均為空間索面且主塔為無背索布置，M1～M8斜拉索一端錨于主塔、一端錨于副塔、S1～S8斜拉索一端錨于副塔一端錨于鋼梁、B1～B8斜拉索一端錨于副塔一端錨于混凝土梁.所有斜拉索均于副塔位置存在錨固端，縱橫交錯布置.

2 有限元建模

本文結(jié)合了壽春西路橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用有限元分析軟件Midas Civil 2015建立了全橋的實(shí)體模型，見圖1.全橋共747個節(jié)點(diǎn)、687個單元，其中包括639個梁單元(梁和塔)和48個桁架單元(斜拉索).模型以縱橋向(東西)為X方向，橫橋向(南北)為Y方向，豎向為Z方向.

圖1 雙斜塔無背索斜拉橋整體有限元模型

對于斜拉索而言，由于拉索的截面積較小且拉索內(nèi)鋼絲的傳熱速度很快，溫度梯度可以忽略， 因此可以認(rèn)為斜拉索內(nèi)的溫度是均勻變化的.六安市屬于北亞熱帶向暖溫帶轉(zhuǎn)換的過渡帶，季風(fēng)顯著，四季分明，氣候溫和，雨量充沛，光照充足，無霜期長.全區(qū)年平均氣溫14.6～15.6 ℃，但年內(nèi)季間氣溫變化較大.最熱月七月份，月平均氣溫28.4 ℃，極端最高氣溫達(dá)43.3 ℃；最冷月元月份，月平均氣溫1.4 ℃，多數(shù)年份最低氣溫為-7～12 ℃.按JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》規(guī)定，鋼箱梁部分溫?zé)岬貐^(qū)最高溫度取 46 ℃，最低溫度取-9 ℃，體系溫度按 20 ℃ 考慮，為模擬該橋在實(shí)際溫度變化的情況，建立了兩個溫度荷載工況：升溫溫差取最高溫度與體系溫度差值26 ℃，降溫溫差取體系溫度與最低溫度差值19 ℃.

3 溫度效應(yīng)分析

3.1 應(yīng)力分析

根據(jù)雙斜塔無背索斜拉橋的受力特點(diǎn)，分別在主塔和副塔上選取了塔底、塔梁固結(jié)處，拉索錨固區(qū)起始處、1/2拉索錨固區(qū)、拉索錨固區(qū)末端為相應(yīng)的控制截面，見圖2a).取其東西兩側(cè)的應(yīng)力情況進(jìn)行對比，見圖2b).其計算結(jié)果見表1～2.溫度效應(yīng)所引起的橋塔應(yīng)力圖見圖3.

圖2 斜拉橋示意圖

表1 主塔控制截面應(yīng)力計算結(jié)果Pa

表2 副塔控制截面應(yīng)力計算結(jié)果MPa

注：受拉為正，受壓為負(fù).

圖3 溫度效應(yīng)所引起的橋塔應(yīng)力圖

由表1～2及圖3a)～d)可知，在整體升溫的荷載作用下，主塔東側(cè)主要承受拉應(yīng)力，西側(cè)承受壓應(yīng)力.副塔的應(yīng)力在塔底至塔梁固結(jié)處東側(cè)主要承受壓應(yīng)力，西側(cè)主要承受拉應(yīng)力.在塔梁固結(jié)處至塔頂東西兩側(cè)應(yīng)力以曲線變化，東側(cè)應(yīng)力在1/2拉索錨固區(qū)附近達(dá)到拉應(yīng)力的峰值，而西側(cè)應(yīng)力在1/2拉索錨固區(qū)附近達(dá)到壓應(yīng)力的峰值；在整體降溫的荷載作用下，主塔東側(cè)主要承受壓應(yīng)力，西側(cè)承受拉應(yīng)力.副塔的應(yīng)力在塔底至塔梁固結(jié)處東側(cè)主要承受拉應(yīng)力，西側(cè)主要承受壓應(yīng)力.在塔梁固結(jié)處至塔頂東西兩側(cè)應(yīng)力以曲線變化，東側(cè)應(yīng)力在1/2拉索錨固區(qū)附近達(dá)到壓應(yīng)力的峰值，而西側(cè)應(yīng)力在1/2拉索錨固區(qū)附近達(dá)到拉應(yīng)力的峰值.

由圖3e)～f)可知，在升溫作用下，主塔部分自塔梁固結(jié)段至拉索錨固區(qū)拉應(yīng)力起主要作用，最大值出現(xiàn)在塔梁固結(jié)處附近，最大拉應(yīng)力為1.35 MPa.而副塔整體以受拉為主，其最大拉應(yīng)力位于1/2拉索錨固區(qū)附近，最大拉應(yīng)力為1.45 MPa；在降溫作用下，主塔部分自拉索錨固區(qū)至塔頂以拉應(yīng)力為主，最大值位于拉索錨固區(qū)起始處，最大值為1.12 MPa.副塔主要以承受壓應(yīng)力為主.

3.2 變形分析

主塔與副塔在升溫與降溫作用下的結(jié)構(gòu)位移情況見圖4,根據(jù)橋塔節(jié)點(diǎn)的位移情況，統(tǒng)計分析其X方向和Z方向的結(jié)構(gòu)變形圖見圖5.

圖4 橋塔位移等值線

圖5 溫度作用下橋塔結(jié)構(gòu)變形圖

由圖5可得出以下結(jié)論.

1) 無論是在整體升溫還是整體降溫的作用下，主塔和副塔的橫向結(jié)構(gòu)變形量均很小.

2) 在橋塔結(jié)構(gòu)受斜拉索溫度效應(yīng)影響而產(chǎn)生變形的過程中，無論是主塔還是副塔其結(jié)構(gòu)變形量，由塔底至塔頂逐漸增大.

3) 在整體升溫和整體降溫作用下，主塔和副塔的縱橋向結(jié)構(gòu)變形方向為相向變化.即在整體升溫情況下主塔朝X正方向變化其最大值出現(xiàn)在塔頂為42 mm.副塔朝X負(fù)方向變化，其最大值同樣出現(xiàn)在副塔塔頂為-15 mm；整體降溫時，主塔朝X負(fù)方向變化其最大值為-47 mm.副塔朝X正方向變化其最大值為18 mm.

4)Z方向上，整體升溫時均產(chǎn)生朝Z負(fù)方向的結(jié)構(gòu)變形，主塔為-26 mm,副塔為-9 mm;在整體降溫時均產(chǎn)生朝Z正方向的結(jié)構(gòu)變形，主塔為29 mm，副塔為11 mm.

4 結(jié) 束 語

根據(jù)計算結(jié)果的比對分析，雙斜塔無背索斜拉橋的主副塔在斜拉索溫度效應(yīng)作用下均承受了較大的拉應(yīng)力，且出現(xiàn)于橋塔關(guān)鍵截面.主塔于塔梁固結(jié)處承受了1.35 MPa的拉應(yīng)力，副塔于1/2錨固區(qū)承受了1.45 MPa的拉應(yīng)力.這將會對橋塔的混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞開裂的不利影響.在合理求解塔梁固結(jié)處應(yīng)力時應(yīng)該充分考慮溫度作用，使其具備足夠充分的壓應(yīng)力儲備.對于副塔塔體錨固區(qū)也是如此，以防止混凝土受到索溫度效應(yīng)的影響而產(chǎn)生開裂，同時由于副塔存在多向交錯錨固，對錨固的位置也要做到精確定位施工，相關(guān)單位要加強(qiáng)施工和監(jiān)控工作力度.

對比主副塔分析可知，主副塔的變形量由塔底至塔頂線性增大，最大值均出現(xiàn)在塔頂，其中X方向最大變形為47 mm，Z方向最大變形為29 mm.而副塔相對產(chǎn)生的變形量較少，X方向最大變形為18 mm，Z方向最大變形為11 mm.由此可見，其主塔由于無背向斜拉索，在斜拉索溫度效應(yīng)的作用下相較于多向錨固的副塔更容易產(chǎn)生了大的結(jié)構(gòu)變形.同時主副塔在拉索的溫度效應(yīng)作用下，以縱向的結(jié)構(gòu)變形為主，豎向次之，且主副塔的縱向結(jié)構(gòu)變形趨勢為相向變化.鑒于其明顯的結(jié)構(gòu)變形影響，本文認(rèn)為應(yīng)該在施工時充分考慮所處環(huán)境的溫度狀況，實(shí)時監(jiān)控，準(zhǔn)確對比和擬合其實(shí)際的變形情況.