部分斜拉桥设计计算及整体受力分析
摘要:本文归纳了部分斜拉桥的结构设计规律,并通过工程实例,建立全桥平面杆系和空间梁格两种模型,得出桥梁纵桥向和横桥向的内力传递规律。
关键词:部分斜拉桥结构设计
部分斜拉桥(又称矮塔斜拉桥)是近年来兴起的一种新型桥梁结构形式,它的特点是塔矮、粱刚、素集中布置。
部分斜拉桥是一种设计自由度较大的新型桥梁结构,比较适合于跨径100-280m之间的桥梁结构,在我国桥梁建设中有较大的应用前景。
1 部分斜拉桥的结构设计
笔者通过分析部分斜拉桥的结构参数,根据统计结果,得到以下几点规律:
(1)塔高和主跨比值一般控制在0.2以下。
(2)边跨与中跨的比值为0.45～0.7之间。
(3)梁高与主跨跨度的比值一般在1/24(墩部)～1/45(跨中)之间,为普通连续梁的一半左右。
(4)斜拉索基本对称布置在主梁边跨跨中及中跨跨中三分点附近。
(5)部分斜拉桥对竖向荷载承担的比例要远远低于普通斜拉桥,应变幅度约为斜拉桥的1/3～l/2,疲劳问题不突出,斜拉索的容许应力为0.60σu,与普通预应力钢绞线相当。
2 桥梁力学性能分析
本文以三跨预应力混凝土双索面部分斜拉桥整体受力分析进行说明。
2.1工程概况
(1)河道情况:运河宽度根据现状按100m控制,为三级航道,通航净空为7米,最高通航水位为2.38m,通航范围内的梁底标高按不小于9.38m控制。
(2)荷载标准:城-A级,人群荷载按3.5KPa。
(3)道路等级:城市主干道。
(4)设计车速:60km/h。
(5)抗震设计:按6度设计,7度设防。
(6)桥梁设计基准期:100年。
主桥桥型为三跨预应力混凝土双索面部分斜拉桥,跨径组合66+110+66m。
机动车道按双向六车道设计,人行道和非机动车道设置在中跨下缘挑臂处,中跨宽36.9m,边跨宽28.9m。
2.2结构设计
(1)主梁结构
主梁采用单箱五室变截面预麻力混凝土连续粱结构,跨中以及边跨支点处梁高24m,主墩支点处为4m,变高区域梁高按二次抛物线变化。
主梁设置纵、横、竖三向预应力。
斜拉索布置在左右两个边室,斜拉索纵向问距4m,斜挣索锚固点处主粱均设置横隔梁。
(2)主塔结构
桥面上部主塔结构高16m,为主跨的1/6.88,顺桥向宽3.7m,横桥向宽1.7m.
主塔布置在机动车道外缘,塔身内部设有鞍座,每根拉索对应一个鞍座。
鞍座采用分丝管形式,每个分丝管穿一根钢绞线,以便将来可以单根换索。
(3)斜拉索结构
斜拉索为双索面,单排索,两索面横向间距为26.7m。
塔上索距约O.75m.梁上索距4m。
拉索采用环氧钢绞线,型号为15-43。
2.3结构计算
由于桥梁横断面宽为28.9m,为一箱多室的宽箱结构,斜拉索分布在两个边室,纵桥向相当于给主梁多个弹性支承点,空间受力比较复杂。
以忽略横向受力为前提的平面杆系模型很难真实的反映桥梁实际受力情况,为了更为精确的了解结构空间效应,采用桥梁博士软件建立全桥梁格模型进行受力分析。
(1)杆系模型
全桥主梁纵桥向共划分了238个单元,单个桥塔划分了24个单元,每根斜拉索划分为一个单元,共36个单元,全桥共322个单元。
(2)空间梁格模型
采用桥梁博士计算程序建立全桥空间梁格模型。
主梁横向分成四个实纵梁,为了提高活载加载的准确性,人行道端部设置两根虚纵梁,两实纵梁中间设置一根虚纵梁,每片纵梁共划分76个单元;每根横梁的位置设置一根实横梁,在两横梁间隔大的地方设置一根虚横梁,与纵梁形成梁格体系。
图1为横断面实纵梁的划分。
图1 横断面实纵梁划分(cm)
(3)两种模型数据分析比较
在平面杆系弯矩在断面上的分配同截面的惯性矩成正比的前提下,提取平面杆系模型中的节点14、4l、66、120处的弯矩,按照惯性矩占有百分比进行边实纵梁和中实纵梁的分配,详见表1和表2。
提取空间梁格模型中的相应节点处边实纵梁和中实纵梁的弯矩,见表3。
从表1和2可以看出,两种模型中,跨中主墩处和跨中主梁全截面弯矩两种模型数值基本相同,其余节点存在一定的偏差,主要原因可能是在斜拉索的作用下,力的横向传递的不均匀导致纵向弯矩传递的超前或滞后。
另外,在无索区平面杆系模型的弯矩分配和梁格法的弯矩分配比例比较接近,如边跨无索区节点14、主墩处节点66和跨中处节点120,弯矩分配差异不大于1.5%。
在边跨有索区处节点4l和中跨有索区处节点9l,平面杆系模型的弯矩分配和梁格法的弯矩分配比例差异比较大,总体呈现边实纵梁小,中实纵梁大的趋向,如平面杆系模型中按弯矩和截面惯性矩成正比的原则,边实纵梁为23.1%,中实纵梁为26.9%,但是梁格模型中的边跨有索区数值为17.3%和32.7%,中跨有索区数值为21.3%和28.7%。
2.4部分斜拉桥的受力特性
本桥通过平面杆系和梁格两种模型的数据比较分析得出,部分斜拉桥宽箱结构中,在无索区段,主梁的弯矩两者之间的差别不是很大,弯矩分配基本同截面惯性矩成比例,但是在有索区段,由于斜拉索对某一片梁的直接作用,该梁弯矩就会相对占全截面小一点,而未被直接作用的梁弯矩所占比例将明显增大。
3 总结
部分斜拉桥还有很多方面的问题有待深入认识,比如部分斜拉桥宽箱结构梁上应力传递路径、采用分丝管索鞍的形式塔上的应力分布、部分斜拉桥的动力冲击系数的确定等。
参考文献:
1.中华人民共和国建设部.城市桥梁设计荷载标准(CJJ77—98)[S].北京:中国建筑工业出版社.1998.
2.王凯、陈享锦.漳州战备大桥设计—三跨连续梁预应力混凝土矮塔斜拉箱桥梁.桥梁建设[J].2001.(1):21.23。