桥塔参数变化对多塔斜拉桥整体刚度的影响

林玉森,信丽华

(石家庄铁道学院,石家庄 050043)

桥塔参数变化对多塔斜拉桥整体刚度的影响

林玉森,信丽华

(石家庄铁道学院,石家庄 050043)

桥塔是控制多塔斜拉桥整体刚度的关键部分,结合某黄河公路斜拉桥用有限元软件 SAP2000进行建模,计算分析了桥塔刚度及桥塔高度对多塔斜拉桥整体刚度的影响,得出桥塔刚度在一定范围内增加时对结构位移影响非常显著,并且得到桥塔高度变化对多塔斜拉桥影响的变化规律。

斜拉桥 桥塔 刚度 斜拉桥整体刚度

斜拉桥的整体刚度在很大程度上取决于主梁、桥塔及拉索三大构件的布置,对于多塔斜拉桥来说,桥塔构造对整桥变位的影响显得更加重要。本文主要从桥塔的刚度和桥塔的高度讨论桥塔对多塔斜拉桥整体刚度的影响。

1 计算模型、参数及计算方法

1.1 计算模型

以某一黄河公路大桥为背景建立了如图 1所示的分析模型。

图1 加劲索的布置方式

基本模型 4-0：125+300+300+300+125(m)的四塔斜拉桥,桥面以上塔高 88.67 m;

模型 4-1：在基本模型 4-0的塔顶加水平加劲索;

模型 4-2：在基本模型 4-0的塔顶和相邻塔桥面处加倾斜加劲索;

模型 4-3：125+300+230+300+125(m)的四塔斜拉桥,中间塔顶与相邻中间塔桥面处加倾斜加劲索;

模型 4-4：通过增大基本模型 4-0的桥塔高度在中跨和次边跨分别设置 5对重叠索,边跨跨度不变,塔高由原来的 88.67 m曾到到 97.70 m;

模型 4-5：将基本模型 4-0的中跨跨度减小设置 5对交叉重叠索,其跨径布置为 125+300+230+300+125(m)。

1.2 模型参数

主梁：所有模型的主梁断面形式及尺寸都相同,如图 2所示。

图2 主梁截面形式及尺寸(单位：cm)

斜拉索：以中塔为例,斜拉索由塔根处向一侧跨中处分别采用由 109根、127根、151根、163根、187根、199根 φ7 mm镀锌低松弛钢丝组成的各种型号的拉索,抗拉强度不低于1 670 MPa,四塔的拉索选用型号均相同。加劲索均采用由 283根 φ7mm镀锌低松弛钢丝组成的拉索,考虑拉索垂度的非线性影响,采用Ernst's公式修正。斜拉索和加劲索的的初张力经换算后的初应变值均为 -3.294×10-3。

1.3 计算方法

在 SAP2000有限元建模中,采用平面整体模型,主梁、拉索、主塔及桥墩均采用梁单元进行模拟,弹性模量取 1.95×105MPa,考虑拉索垂度的影响采用Ernst's公式修正;塔梁连接处采用节点限制中的对等限制,将该处节点的 Z方向平动自由度处理为按同一个方向移动,其他自由度不受限制,模拟半漂浮体系斜拉桥。主梁两端均为活动铰支座,墩底为固结。考虑几何非线(P-D效应)的影响。

为便于比较,计算时仅取计算模型在活载作用下的塔顶水平位移、塔根弯矩、跨中挠度和弯矩进行分析。荷载采用《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60—2004)中规定的公路一级车道荷载。该桥为八车道,考虑 0.5的折减系数,并考虑 1.15的偏载系数,得出施加于结构上的均布荷载值为 48 kN/m,集中荷载值为1 656 kN。荷载工况为中跨布载、次边跨布载、边跨布载三种工况,取各种工况计算结果中荷载效应最不利者进行分析。

2 分析计算

2.1 桥塔刚度的影响

为考察桥塔刚度对多塔斜拉桥的影响,将改变全部桥塔的惯性矩,即将图 1计算模型的全部桥塔的惯性矩从 83.2m4增大到 665.5m4,具体取值如表 1所示。保持梁和索等几何参数不变,考察各模型在活载作用下的位移及内力随桥塔惯性矩增加时的变化趋势。

表1 桥塔惯性矩

桥塔刚度变化对斜拉桥位移与内力的影响见图3、图 4。从图 3与图 4可以看出,随着桥塔惯性矩的增加,各计算模型的跨中挠度和塔顶水平位移均逐渐减小,当桥塔的惯性矩在 250 m4以内增加时,各计算模型的跨中挠度和塔顶水平位移减小的幅度均比较明显;当桥塔的惯性矩大于 400 m4后继续增加时,各计算模型的跨中挠度和塔顶水平位移减小的幅度越来越小,并且,当桥塔的惯性矩减小到一定程度后,结构的位移将不再减小;而桥塔惯性矩的增大导致了桥塔塔根弯矩的增加,主梁弯矩降低,如图 4(c)、(d)所示。

图3 基本模型 4-0及模型 4-1的结构位移与桥塔惯性矩的关系

桥塔刚度在一定范围内变化引起的位移变化情况见表 2。从表 2的位移减小百分率中可以看出,桥塔的惯性矩对基本模型 4-0的结构位移影响最大,其次是模型 4-5,对其他模型的影响较小。

以上分析可以看出,并不是桥塔刚度越大越好,桥塔刚度增大将会带来塔根弯矩的增大,所以,靠增大桥塔刚度来提高结构整体刚度时,应注意结构内力特别是塔根弯矩的变化。

2.2 桥塔高度的影响

取基本模型 4-0为分析对象,将计算模型的全部桥塔高度从 70.67 m增大到 110.67 m,考察结构在活载作用下的位移及内力变化趋势。计算结果如表 3、表 4所示。

从表 3、4可以看出：随着桥塔高度增加,中跨跨中下挠度逐渐减小,这是由于桥塔高度的增加使得拉索对梁的竖向支承力加大,降低了跨中挠度;由于桥塔水平位移增大使得上挠度并没有减小,反而有增大的趋势;中跨跨中正弯矩逐渐减小,而负弯矩逐渐增大,正、负弯矩绝对值之和基本保持不变;塔根弯矩逐渐减小。由此可见,只增加桥塔的高度对结构整体刚度不是很有利。

图4 计算模型的位移及内力与桥塔惯性矩的关系

3 结论

1)当桥塔的惯性矩在 250 m4以内增大时,各计算模型的位移减小幅度比较明显;当桥塔的惯性矩大于400m4而继续增加时,各计算模型的位移减小幅度就很小了。

2)增大桥塔高度可以降低多塔斜拉桥结构的跨中下挠度,但桥塔增高的同时也增大了塔顶的水平位移;故当采用增大桥塔高度的方法降低结构位移时,就要处理好桥塔的刚度,否则会得不偿失。塔较矮时,塔顶水平位移较小,尤其是中间塔顶水平位移;然而,对多塔斜拉桥来说,降低结构位移的关键是控制中间塔的变位问题,所有的加劲方法都是围绕这一核心进行的。

表2 桥塔惯性矩由 171.50m 4增大到256.00m 4时各模型的位移减小百分率 %

表4 活载作用下基本模型 4-0的弯矩与桥塔高度的关系

3)通过对矮塔多塔斜拉桥的结构特性分析,可以看出矮塔斜拉桥以其塔矮梁刚的结构特性,在同跨径的多塔斜拉桥中容易获得一个结构整体刚度比较好的结构设计,值得进一步研究。

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U448.27;U441

B

1003-1995(2010)03-0018-04

2009-08-05;

2009-12-20

林玉森(1971— ),男,黑龙江庆安人,副教授,博士。

(责任审编 孟庆伶)