波形钢腹板PC组合箱梁矮塔斜拉桥参数分析

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公路交通技术2011年12月第6期TechnologyofHighwayandTransportDec．2011No．6波形钢腹板一PC组合箱梁矮塔斜拉桥参数分析安永日，曾嵩，王芳。，吕成林(1．招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆400067；2．重庆交通大学土木建筑学院，重庆400074；3．淄博成远规划设计有限公司，山东淄博256400)摘要：以波形钢腹板一Pc组合箱梁矮塔斜拉桥为例，运用Midas建模进行参数分析，得到桥墩刚度与主梁内力的关系，桥塔高跨比与主梁内力以及斜拉索索力的关系，可为今后该桥型的设计提供参考。关键词：波形钢腹板；矮塔斜拉桥；独塔；参数分析文章编号：1009—6477(2011)06—0054—04中图分类号：U448．27文献标识码：AAnalysisforParametersofWaveformSteeIWeb-PCCombinedBoxGirderShortTOwerCable—stayedBridgesANYongri，ZENGSong，WANGFang，LVChenglinAbstract：Basedonwaveformsteelweb-PCcombinedboxgirdershorttowercable-stayedbridgesasexamples，thispaperutilizesMidastoestablishamodelforanalysisofparameterstoobtaintherelationbetweenrigidityofpiersandinternalforceofgirderandthatbetweenbridgetowerheight—spanratioandinternalforceofgirderandforceofstayedcables，whichcanprovidereferencefordesignofsuchbridgetypesinthefuture．Keywords：waveformsteelweb；shorttowercable—stayedbridge；singletower；analysisofparameters矮塔斜拉桥的桥塔相对于常规斜拉桥较矮，塔(与相同跨径的Pc梁相比，波形钢腹板一混凝土板高一般为主跨的1／12～1／8，相当于常规斜拉桥塔组合梁其自重可减轻25％一30％)。在抗震方面，高的1／3～1／2⋯。从受力原理看，连续梁是以梁的因上部结构的质量得到减少，从而可降低地震响应。受弯和受剪来承受竖向荷载，常规斜拉桥是以梁的近年来，波形钢腹板一Pc组合箱梁矮塔斜拉桥受压和索的受拉来承受竖向荷载，而矮塔斜拉桥是已在日本得到了很大发展。2003年日本建成了世以梁的受弯、受压及索的受拉来承受竖向荷载。由界上第1座波形钢腹板一Pc组合箱梁矮塔斜拉桥一于矮塔斜拉桥是介于连续梁与常规斜拉桥之间的一日见桥，随后于2005年又建成了世界上第2座同类种新桥型，斜拉索只承担了部分荷载(矮塔斜拉桥型桥梁一栗东桥(现名近江大鸟桥)。目前，国内还的斜拉索承担不到30％的竖向荷载)，我国桥梁没有一座波形钢腹板矮塔斜拉桥，但针对这种新桥专家严国敏先生把它定义为“部分斜拉桥”_3J。型的科学研究，国内已取得大量科研成果。为了减轻梁自重，20世纪80年代后期，法国学本文以跨径130m独塔波形钢腹板一PC组合箱者提出用钢板代替PC箱梁中的混凝土腹板的设梁结构为例，分析了桥墩刚度的变化对主梁内力的想，并首次应用于法国Fert—saint—Aubin桥中。在该影响、塔高变化对主梁内力以及斜拉索索力的影响桥的设计中发现，平面钢腹板对箱梁顶、底板纵向约与整体稳定性。束较大，从而造成施加在顶底板的预应力的损失较大。为此，PierreThi'ivans提出将平面钢腹板改为波1工程概况形钢腹板，波形钢腹板一PC组合箱梁桥从此而得如图1～3所示，其桥跨布置为133m+133m，名。墩高120m，桥塔为实腹型矩形截面(1．6mx6m)，将矮塔斜拉桥的主梁腹板用波形钢板代替预应高31．4m。墩顶处箱梁采用Pc梁，其它部分采用力混凝土，有利于降低主梁的自重，增大主跨跨径波形钢腹板一Pc组合箱梁。斜拉索采用扇形单索面收稿日期：2011-06-11作者简介：安永日(1973一)，男，吉林省图们市人，博士，副研究员 2011年第6期安永日，等：波形钢腹板一Pc组合箱梁矮塔斜拉桥参数分析55表2材料参数～一_单位：m图1桥型布置计算中考虑空心墩与双薄壁墩方案。由于塔高的变化影响结构内力分布，在本文以双薄壁墩结构为例，改变主塔高度，使高跨比分别为1／5、1／6、1／7、1／8、1／9、1／10，共建立7个计算模型。具体见表3，有限元模型如图4和图5所示。斜拉桥的高跨比一般指塔高／主跨，但本文中的计算模型只有边跨，因此边跨按主跨的0．6倍计算，其换算主跨约为2201TI。文中的高跨比采用塔高／换算主跨。单位：(·m表3计算模型图2梁及波形钢腹板断面单位：cYn图3空心墩及双薄壁墩截面形式，梁上索距8nl，塔上索距1．5121。梁高在墩顶处6．5in，跨中4．5in，中间按2次抛物线变化。波形钢腹板厚度为l2～24mm。2计算模型计算软件采用Midas，桥墩、桥塔及主梁均采用图4有限元模型(空心墩)梁单元，斜拉索采用桁架单元模拟。材料参数及边界条件分别见表1、表2。斜拉索直径为100mm，初始索力为400t。桥面铺装及防撞护栏按梁单元荷载加载，荷载集度为50kN／m。汽车荷载采用车道荷载形式，3车道加载。《表1边界条件}、vRz．函1100图5双薄壁墩模型(双薄壁墩)注：Dx、、Dz分别表示顺桥向、横桥向、竖向平动自由度；Rx、母、Rz分别表示顺桥向、横桥向、竖向转动自3计算结果与分析由度；0表示自由；1表示约束。考虑自重、汽车荷载、温度变化、温度梯度、预应 公路交通技术2011生力荷载以及混凝土收缩徐变效应，选取最不利荷载组合下的内力包络值进行比较分析。z[f嚣3．1桥墩刚度对主梁内力的影响印∞∞∞加m∞∞舯∞∞如计算模型1和模型4的L／4、L／2、3L／4(L为0跨00OOO00∞0∞O∞O∞O∞O∞0∞径)及墩顶主梁截面内力比较如表4所示。双薄壁墩结构墩顶处的主梁弯矩比采用空心墩减少约1．2％。而在L／4、L／2、3L／4处，主梁弯矩比空心墩结构有所增加，并在L／4处增幅最大，约8．2％，轴力与剪力的变化相比弯矩更小。总体上空心墩结构与双薄壁墩结构的主梁内力变化不大，从施工、混凝土用量等方面考虑双薄壁墩结构有利。图8主梁弯矩一塔高关系3．2塔高变化对主梁内力的影响双薄壁墩结构的梁端、L／4、L／2、3L／4及墩顶主梁内力如图6～8所示。Z垛图9索力一塔高关系1)塔高变化对主梁轴力的影响。图6主梁轴力一塔高关系由图6可见，主梁轴力由主塔到梁端依次减小。随着桥塔高度的降低，斜拉索水平夹角变小，索力水平分力增大，L／4、L／2、3L／4及墩顶处主梁轴力均增大，其中墩顶处主梁轴力变化最大，增加约30％。而桥塔高度的变化对梁端轴力没有影响，梁端轴力主要由顶底板预应力提供。2)塔高变化对主梁剪力的影响。从图7可以看出，随桥塔高度降低梁端、L／2、3L／4及墩顶处主梁剪力呈线性增大趋势，而在L／4处，剪力逐渐减少。其主要原因：剪力为零的截面在L／4处附近，并随着桥塔高度的降低其位置向L／4截面处移动。图7主梁剪力一塔高关系3)塔高变化对主梁弯矩的影响。表4主梁内力比较截面位置空心墩双薄壁墩空心墩／双薄壁墩、轴力／kN剪J~／kN弯矩／(kN·m)NtJJ／kNJJ／kN弯N／(kN·m)~J／kNNJJ／kN弯~／(kN‘m)／453793195129693537101901321271．001．03L／281377360966749811443602699851．001．003L／41161084294559681157974318587511．000．99墩顶14075617994154270140422180191525001．001．00 2011年第6期安永日，等：波形钢腹板一PC组合箱梁矮塔斜拉桥参数分析57表5屈曲分析特征值计算结果由图8可见，由于顶底板预应力的偏心矩致使倍，变化不大。梁端弯矩不为零，且梁端位于无索区，塔高变化对梁2)随着桥塔高跨比减小，主梁轴力在梁端侧无端弯矩没有影响。墩顶及L／2处的主梁弯矩基本呈索区变小，其它位置均增加；主梁剪力除了在L／4处线性增长趋势，但位于L／4及3L／4处主梁弯矩先减减小外，其它位置均增大；主梁弯矩在墩顶及L／2处小后增大，在高跨比为1／6～1／7之间达到最小值。基本呈线性增长趋势。3．3塔高变化对斜拉索索力的影响3)高跨比较小时，索力内测最大，外侧最小。在上述计算模型的基础上选取斜拉桥索梁锚固高跨比变大并达到一定值时，其受力体系从矮塔斜点靠近梁端、桥塔以及它们中间位置处的3根拉索拉桥转变为斜拉桥，索力内测最小，外侧最大。为研究对象，索力与塔高变化关系如图9所示。当4)虽然空心墩结构和双薄壁墩结构的第1阶桥塔高跨比从1／5变化到1／10时，斜拉索索力呈增特征值相差大，但整体稳定性均能满足要求。大趋势。靠近梁端处拉索索力增加的幅度最小，约为10％。靠近桥塔位置的斜拉索索力增幅最大，达参考文献到37％，中间位置的斜拉索索力增幅为33％。高跨[1]陈从春，周海智，肖汝诚．矮塔斜拉桥研究的新进展比在1／6～1／7之间存在某个比值，当高跨比大于该[J]．世界桥梁，2006(1)：70—73．值时，靠近梁端的拉索索力最大；当高跨比小于该值[2]邵旭东，程祥云，李立峰．桥梁设计与计算[M]．北京：时，靠近梁端的拉索索力反而最小，靠近桥塔处的拉人民交通出版社，2007．索索力最大。[3]陈亨锦，王凯，李承根．浅谈部分斜拉桥[J]．桥梁建3．4整体稳定性分析设，2002(1)：44—47．[4]陈宝春，黄玲，吴应雄．波形钢腹板部分斜拉桥[J]．空心墩结构和双薄壁墩结构的屈曲分析结果中世界桥梁，2004(4)：5—8．的前5阶失稳模态特征值列于表5。从屈曲模态[5]徐君兰，顾安邦．波形钢腹板组合箱梁桥的结构与受看，双薄壁墩结构首先是桥墩失稳，而空心墩结构则力分析[J]．重庆交通学院学报，2005(2)：1—4．是桥塔先失稳。2种结构1阶屈曲模态特征值均大[6]张长青，安永日，安里鹏．波形钢腹板连续刚构桥的地于4，满足稳定性要求。震响应分析[J]．桥梁建设，2011(3)：17—21．[7]吴泽玉，李广慧．波形钢腹板桥梁设计及等效跨度计4结论算[J]．公路与汽运，2008(2)：118—119，144．通过对不同塔高的双薄壁墩波形钢腹板矮塔斜[8]张长青，安永fi，安里鹏．组合结构箱梁扭转极限承载拉桥、空心墩波形钢腹板矮塔斜拉桥的数据分析，得力计算方法研究[J]．重庆交通大学学报：自然科学到以下结论：版，2011(3)：369—371．1)在L／4、L／2、3L／4、墩顶处，空心薄壁墩结构[9]重庆交通科研设计院．JTG／TD65—01—2007公路斜的弯矩分别为薄壁墩结构的0．92、0．95、0．95、1．O1拉桥设计细则[S]．北京：人民交通出版社，2007．