单斜塔斜拉桥不同斜塔倾斜角对桥梁内力的影响

单斜塔斜拉桥不同斜塔倾斜角对桥梁内力的影响

朱诚1，2刘夏临2

1.1研究必要性

由于斜塔扭面背索斜拉桥空间造型优美，标志性强，能够较好的适应人民对美好生活环境的需求，因而在城市桥梁建设中日益受到重视，具有很强的竞争力。很多参数对斜塔扭背索斜拉桥受力性能具有一定程度的影响[1]，比如：桥塔的刚度和主梁之间的关系、斜拉索的布局方式、塔与梁的之间的连接方式、桥塔倾角、辅助墩的数量和布置等[5]。参数的变化会直接影响结构的力学性能，因此有必要根据参数的变化对结构的力学性能进行分析，找出变化规律，使结构形式更加合理。斜塔扭背索斜拉桥的斜塔角度不论从美观方面还是从结构方面都对桥梁的运营有着深远的影响，本文针对桥塔倾斜角展开研究，建立斜塔角度为0°、4°、8°、12°、16°、24°、36°七个midas桥梁模型，比较分析斜拉桥的内力以及动力特性。

1.2不同主塔倾斜角扭背索斜拉桥模型的建立

图1-2036°倾斜角模型主梁弯矩图图1-2136°倾斜角模型主梁轴力图

从上述主梁的内力与位移图可得，相较于主跨主梁，边跨主梁所承受的弯矩较大，除了塔梁的加固与混合梁的连接段，主跨钢主梁和边跨混凝土主梁的轴力变化较为稳定。综上所述，均表明斜拉索的索力值在索力的可行范围之内。

1.3.2关键点位移分析

活载作用下塔顶的顺桥向位移图与主梁的竖向挠度图如下[6]：

图1-3436°倾斜角模型主梁竖向挠度图图1-3536°倾斜角模型塔顶顺桥向位移图

提取计算结果中的位移数据，边跨约跨中处的边跨竖向上拱最大，节点号为12号节点；主跨竖向挠度在主梁约3/4处最大，节点号为74号节点。从不同模型中提取12号、74号节点处的竖向位移、以及塔顶水平位移作为对象进行对比分析，结果如下：

图1-36不同倾斜角模型关键点位移对比图（绝对值）

由表1-1以及图1-36比较可以得出，在不计冲击系数下的频遇值系数为1的汽车车道荷载作用下，不同倾斜角的斜塔斜拉桥其边跨竖向位移均较小，主跨最大竖向挠度在0.1449m～0.2041m之间变化，均小于l/400=0.5m，能够达到规范要求，且主梁竖向位移随斜塔角度的增加呈增大趋势。塔顶处位移在0.0355m～0.0612m范围内波动，均偏向主跨一侧，能够满足最大变形要求，且变化幅度不大。桥塔的自重随斜塔角度的增加而加强了对边跨主梁的锚固效果，进而使塔顶处的位移减小，但垂直方向分力减小，主跨的竖向位移随斜塔角度的增加而趋于增大。由此可以得出，桥塔倾角的增加，有利于减少塔顶位移，但是会造成主跨挠度的增加，故桥塔倾斜的角度不应过大，否则会对主梁产生不利影响。

1.3.3关键点内力分析

选取边跨最大弯矩、主跨最大正负弯矩、塔墩固结处弯矩、下塔塔底处弯矩五组数据，制成图表，进行分析比对，其图表如下：

图1-38不同倾斜角斜塔斜拉桥关键点轴力值比较图（绝对值，单位KN•m）

选取边跨最大剪力、主跨最大剪力、塔墩固结处剪力、下塔塔底处剪力四组数据，制成图表，进行分析比对，其图表如下：

图1-39不同倾斜角斜塔斜拉桥关键点剪力值比较图（绝对值，单位KN•m）

从上述模型的轴力、弯矩和剪力的对比图中，可以得出以下结论：

（1）在弯矩对比分析中，斜拉桥弯矩较小处是桥塔倾斜角度为0°和4°时，斜拉桥弯矩最大处是桥塔角度为36°时；塔墩固结处的弯矩随桥塔倾斜角度的增加而增加较大。

（2）在轴力值对比分析中，无论荷载工况如何，塔梁的固结点处始终居于受压的状态，相对于主跨和桥塔，边跨轴力值较小，桥塔斜度为0°的桥塔轴力值最小，随着桥塔倾斜角度的增大，各关键点处轴力值稳定增加；

（3）在剪力比较中，分析塔墩固结处的剪力值，其中斜拉桥剪力在桥塔倾斜角度为4°的时候处于最小值，桥塔斜度为0°的斜拉桥剪力略微大于桥塔斜度为4°的斜拉桥，在4°之后，随桥塔斜度的增加，其塔墩固结处的剪力值增长较快；而边跨、主跨以及下塔塔底处最大剪应力在桥塔斜度为0°至24°时稳定小幅增加，从24°至36°时小幅减小。

综上分析比较，桥塔斜度为0°的斜拉桥其力学性能最好，而桥塔斜度为36°的斜拉桥，各个关键点的位移、应力、内力等均较大，其力学性能较差。

1.4结论

1．阐述对扭背索斜拉桥的不同倾斜角度的主塔进行分析的必要性；

2．建立桥塔角度分别为54°、66°、74°、78°、82°、86°、90°MIDAS/CIVIL模型；

3．采用已经建立的模型，对关键点处的位移和内力进行分析比较，在位移对比分析中得出，在不计冲击系数下的频遇值系数为1的汽车车道荷载作用下，不同倾斜角的斜塔斜拉桥其边跨竖向位移均较小，主跨最大竖向挠度在0.1449m～0.2041m之间变化，均小于l/400=0.5m，达到规范要求，且随斜塔角度的增大，主梁竖向位移呈增大趋势。塔顶处位移在0.0355m～0.0612m范围内变化，斜拉桥的塔顶处位移均偏向主跨一侧，能够满足最大变形要求，且变化幅度比较小。桥塔的自身重力随斜塔角度的增加而加强了对边跨主梁的锚固效果，使得塔顶位移趋于减小，但由于垂直方向分力减小，主跨的竖向位移随斜塔角度的增加而逐渐增大。由此可以得出，桥塔倾角的增加，有利于减少塔顶的位移，但是会造成主跨挠度的增加，故桥塔倾斜的角度不应过大，否则会对主梁产生不利影响；

4.选取了计算模型中主跨的跨中内力、边跨的跨中内力以及下塔柱的底部节点与塔梁固结点等多处关键位置的内力，对比分析其中相对敏感的内力；在弯矩分析比较中，桥塔斜度为0°、4°的斜拉桥弯矩较小，桥塔角度为36°的斜拉桥弯矩最大；随着桥塔倾斜角的增加，塔墩固结处的弯矩增加较大[7]。在轴力对比分析中，无论荷载工况如何，塔梁固结点始终居于受压状态，相对于主跨和桥塔，边跨轴力值较小，桥塔斜度为0°的斜拉桥桥塔轴力值最小，随着桥塔倾斜角的增加，各关键点位置处轴力值稳定增加；在剪力比较中，分析塔墩固结处的剪力值，其中斜拉桥的剪力在桥塔斜度为4°的时候最小，桥塔斜度为0°的剪力略微大于桥塔斜度为4°的剪力，在4°之后，随着桥塔斜度的增加，其塔墩固结位置的剪力增长较快；而边跨、主跨以及下塔塔底处最大剪应力在桥塔斜度为0°至24°时稳定小幅增加，从24°至36°时小幅减小；

综合关键点的位移分析和内力分析，桥塔斜度为0°的斜拉桥其力学性能最好，而桥塔斜度为36°的斜拉桥，各个关键点的位移、应力、内力等均较大，其力学性能较差。本桥选取8°作为桥塔倾斜角，能够较好的兼顾桥梁的结构性能与美观性。

参考文献：

[1]AASHTOLRFDBridgeDesignSpecifications.Section4：StructuralAnalysisandEvaluation[S].Washington，DC：AASHTO，2005

[2]王战争，不同倾角斜塔扭面背索斜拉桥内力分析，华中科技大学，2012

[3]潘路平，三塔拱形塔斜拉桥的静态力学性能研究，合肥工业大学，2009

[4]虞子楠，地锚式独塔斜拉桥结构体系参数研究，石家庄铁道大学硕士论文，2015