周 婧, 殷任宏

(1. 西安市公路工程管理处, 陕西 西安 710065; 2. 长安大学 公路学院, 陕西 西安 710064)

V形双拱独塔斜拉桥结构体系

周 婧1, 殷任宏2

(1. 西安市公路工程管理处, 陕西 西安 710065; 2. 长安大学 公路学院, 陕西 西安 710064)

研究了V形双拱独塔斜拉桥塔、梁、墩等构件不同的内部连接方式,分析不同塔梁墩结合方式对结构受力和变形的影响,揭示不同塔梁墩结合方式与结构各构件受力和变形内在联系和规律,为优化结构设计提供相关依据.

V形; 双拱独塔斜拉桥; 结构体系; 内力

2008年邓文中院士基于索辅梁桥的理念设计了国内第一座V形双拱独塔斜拉桥----沈阳浑河三好桥.V形双拱独塔斜拉桥的两片拱塔空间呈V形展开,结构的每对斜拉索由一根水平索和两根斜拉索组成,三根拉索形成一个相对平衡的传力体系,造型新颖、美观[1-3],且V形双拱独塔斜拉桥采用了索辅梁桥的设计理念,通过对载荷进行合理的分配,拱塔与拉索只承受一部分的载荷,这样不仅优化了结构分担载荷的能力,可以降低造价,还为其在造型上提供了更广的变换空间,更容易与城市景观融为一体,满足人们的审美要求.V形双拱独塔斜拉桥优越的结构性能,良好的经济性以及优美的桥梁造型,在与其他类型的城市桥梁竞争中显示出越来越强大的竞争力,受到越来越多桥梁设计师的青睐[4-5].

桥梁结构体系是指桥梁区别于其他类别的结构形式或同一种桥型内构件与构件之间的联系,是影响结构受力的最根本特征[6-8].因此,本文对V形双拱独塔斜拉桥塔、梁、墩等构件不同的内部连接方式展开研究,分析不同塔梁墩结合方式对结构受力和变形的影响,揭示不同塔梁墩结合方式与结构各构件受力和变形内在联系和规律,为优化结构设计提供相关依据.

1 工程概况

2 结构体系对结构力学特性的影响

采用数值分析的有限元方法对V形双拱独塔斜拉桥体系进行研究,通过改变所要研究的主梁、拱塔、桥墩的结合方式,形成漂浮、支承、塔梁固结与刚构4种体系并建立结构模型.

体系1是在拱塔横梁处不设支座,即漂浮体系,如图2a所示;体系2是在拱塔横梁处设支座,即支承体系,如图2b所示;体系3是主梁和拱塔固结,拱塔底部为铰接,即塔梁固结体系,如图2c所示;体系4是主梁和拱塔固结,并在拱塔底部固结,即刚构体系,如图2d所示.

图1 沣河大桥总体布置图(单位:cm)Fig.1 Overall arrangement of Fenghe River Bridge(Unit: cm)

图2 结构体系图Fig.2 Diagram of structural system(a)—漂浮体系; (b)—支承体系; (c)—塔梁固结体系; (d)—刚构体系.

2.1 计算模型的建立

采用Midas/Civil 2015建立V形双拱独塔斜拉桥的空间仿真计算模型(图3).在建模过程中,由于各构件的形式及受力不同,钢主梁、钢拱塔采用梁单元进行模拟,而拉索则采用考虑恩斯特公式修正的等效桁架(只受拉)单元进行模拟.模型中共建367个节点,310个梁单元,48个桁架单元.因为该桥斜拉索形式为空间索面,钢箱主梁和斜拉索吊点采用“刚性连接”(主梁节点为主节点,拉索节点为从属节点)模拟,索塔与水平索的连接通过共节点进行处理.

通过改变仿真模型中的边界条件模拟塔梁墩不同的连接方式,塔梁固结和刚构体系均采用弹性连接中的刚性连接进行模拟,而墩顶的支座采用一般支承进行模拟,不建立主墩单元.

图3 沣河大桥有限元模型图

2.2 结构体系对合理成桥状态的影响

采用梁鹏等[9]提出的最小弯矩能量法的简化实用方法优化成桥状态,得到恒载作用下各体系成桥状态的索力及内力分别见图4、图5及表1.

图4 不同体系斜拉索索力Fig.4 Cable forces of different system

由图4、图5可知,4种体系的斜拉索X1～X5、水平索S1～S5的索力相差不大,仅在靠近拱塔的3根拉索索力相差较大,其中漂浮体系与其他三种体系有明显区别.表明不同的塔梁墩结合方式对塔梁交接附近的拉索索力影响较大,对梁端拉索影响较小.

图5 不同体系水平索索力Fig.5 Horizontal cable force of different system

表1 不同结构体系合理成桥状态内力值Table 1 Internal force value of different structural system under reasonable finished state MN·m

由表1可知,经最小弯矩能量法优化的成桥状态中,漂浮、支承、固结及刚构4种体系中的漂浮体系主梁最大正负弯矩最大,塔梁固结体系次之,刚构体系最小;漂浮体系拱塔最大正弯矩最大,支承体系次之,塔梁固结体系最小;塔梁固结体系拱塔最大负弯矩最大,刚构体系次之,漂浮体系最小.各体系主梁及拱塔轴力最大值相差不大.

2.3 结构体系对汽车载荷效应的影响

考虑拉索的垂度效应, 在公路-Ⅰ级的汽车载荷作用下, 各体系最大的载荷效应如表2所示, 结构的内力、挠度包络图曲线如图6～图9所示.

表2 不同结构体系汽车载荷作用效应值Table 2 Effect value of different structural system under vehicle load

由表2和图6～图9可知,不同结构体系主梁和拱塔的弯矩、挠度包络图曲线趋势相似,漂浮、支承、塔梁固结及刚构体系的主梁挠度分别在46 m、50 m、48 m、50 m处取得极值,刚构体系挠度最小,固结体系次之,漂浮体系最大;拱塔的水平位移刚构体系最大,塔梁固结体系次之,而支承体系最小.

2.4 结构体系对附加内力的影响

V形双拱独塔斜拉桥是超静定结构,结构内力受温度变化及基础变位影响很大.为了分析不同结构体系对温度及基础变位效应的影响,分别对整体升温25 ℃、索梁(塔)温差10 ℃及基础变位3种作用下结构的内力进行分析,计算结果见表3.在计算基础变位作用时,1 cm、交界墩处沉降0.5 cm考虑,沉降位置按最不利情况组合.

按瞬时索塔处沉降

图6 主梁弯矩包络图

图7 拱塔弯矩包络图

图8 主梁挠度包络图Fig.8 Envelope diagram of deflection of main beam

图9拱塔水平位移包络图

Fig.9 Envelope diagram of horizontal displacement of arch tower

表3 不同结构体系附加作用内力值Table 3 Internal force value of different structural system under additional load kN·m

由表3可知,在温度及基础变位载荷作用下,不同体系下在主梁和拱塔中产生的弯矩不大.体系温差及索梁(塔)温差作用在漂浮、支承体系引起的效应较小,而在塔梁固结、刚构体系引起的温度效应较大,且刚构体系的效应值大于塔梁固结体系.基础沉降作用下在各种结构体系引起主梁的纵向弯矩My较小,引起主梁横向弯矩Mz较大,且对固结体系影响最大,对漂浮体系最小.

3 结 论

通过分析西安富裕路沣河大桥4种不同结构体系对合理成桥、汽车载荷效应及附加内力的影响,可得到以下结论.

(1) V形双拱独塔斜拉桥的结构体系对合理成桥状态和汽车活载效应影响较大,而对温度载荷、基础变位效应影响较小.

(2) V形双拱独塔斜拉桥采用漂浮体系时不仅合理成桥状态较其他3种体系明显不利,且活载作用下结构刚度较小;而采用刚构体系和塔梁固结体系受温度和基础变位载荷的影响大.因此,支承体系受力相对最合理,建议V形双拱独塔斜拉桥设计时采用支承体系.

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【责任编辑:赵炬】

StructuralSystemofCable-StayedBridgewithV-ShapedDoublearchSinglePylon

ZhouJing1,YinRenhong2

(1. Xi’an Highway Engineering Management Office, Xi’an 710065, China; 2. Institute of highway, Chang'an University, Xi’an 710064, China)

The internal connection of bridge, beam, pier and other components of cable-stayed bridge with V-shaped double arch single pylon is studied. The influence of different combination of tower and girders on the force and deformation of the structure was analyzed, the internal relationship and the law of the force and deformation with different combination of tower and girders were revealed, and the relevant basis for optimizing the structure design was provided.

V-shaped; cable-stayed bridge with double arch single pylon; structural system; internal force

U 443.3

A

2017-09-18

陕西省交通运输厅科技资助项目(13-25k).

周 婧(1981-),女,安徽肥西人,西安市公路工程管理处工程师.

2095-5456(2017)06-0497-05