公路混合梁斜拉橋鋼混東北部合理位置選擇方法研究

0混合梁斜拉橋結(jié)合部位置采用混合梁斜拉橋的主跨采用鋼梁，以減輕重量，提高跨距的透射性，充分發(fā)揮鋼和混凝土的優(yōu)勢。該橋型自20世紀(jì)70年代在前聯(lián)邦德國問世后,先后受到歐洲各國、日本等國家的青睞,20世紀(jì)90年代后逐漸得到我國橋梁工程界的關(guān)注,近年來發(fā)展很快。對于混合梁斜拉橋,選取合理的鋼梁與混凝土梁連接位置,即鋼混結(jié)合部位置,是該類橋型設(shè)計(jì)和施工中需首先解決的關(guān)鍵問題。結(jié)合部位置一方面決定了重量及剛度差別很大的鋼梁與混凝土梁的長度比例,對全橋結(jié)構(gòu)、特別是主梁整體受力影響很大,需綜合考慮跨徑布置、輔助墩設(shè)置、塔梁約束條件、斜拉索疲勞性能等多方面因素的影響,合理的結(jié)合部位置能顯著改善混合梁斜拉橋的整體結(jié)構(gòu)性能;另一方面從結(jié)合部自身局部考慮,為防止混凝土開裂,合理的結(jié)合部位置還應(yīng)選在主梁彎矩較小的地方。此外,經(jīng)濟(jì)因素、施工因素等也是結(jié)合部位置選取時(shí)必須要考慮的。目前,國內(nèi)外已公開報(bào)道的有關(guān)混合梁橋結(jié)合部位置選取的研究還十分有限。文獻(xiàn)根據(jù)斜拉橋主梁和索塔理想成橋狀態(tài)的要求,對雙塔3跨輻射式混合梁斜拉橋的合理跨徑進(jìn)行了概念分析,得到了與鋼梁和混凝土梁每延米重量之比、邊跨內(nèi)鋼梁和混凝土梁長度之比有關(guān)的混合梁斜拉橋合理邊中跨比例。其研究成果對混合梁斜拉橋結(jié)合部位置的合理選擇有一定的參考意義,但由于其研究所考慮的因素與實(shí)橋差別較大,因此還需進(jìn)一步深入研究該問題。本文以主跨926m的湖北鄂東長江公路大橋?yàn)槔?從成橋狀態(tài)和運(yùn)營狀態(tài)兩方面探討了混合梁斜拉橋結(jié)合部的合理位置,提出的選擇方法對該類型橋梁的設(shè)計(jì)和研究有參考意義。1模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)湖北鄂東長江公路大橋主橋(下面簡稱鄂東大橋)采用橋跨布置為(3×67.5+72.5+926+72.5+3×67.5)m的9跨連續(xù)半飄浮雙塔混合梁斜拉橋體系,邊跨設(shè)置3個(gè)輔助墩和一個(gè)過渡墩,如圖1所示。主梁中跨采用PK斷面鋼箱梁,邊跨采用同外形的混凝土PK箱梁,結(jié)合部設(shè)置在索塔向跨中方向12.5m處。計(jì)算分析中,為簡化建模過程,將主梁截面劃分為鋼梁和混凝土梁兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)截面,截面特性見表1。模型邊界條件為:主梁在過渡墩、輔助墩、索塔橫梁處設(shè)豎向支承,索塔底部完全固結(jié)。計(jì)算采用有限元分析程序Midas/Civil進(jìn)行,有限元模型如圖2所示。本文對5個(gè)結(jié)合部位置進(jìn)行了計(jì)算分析,分別設(shè)在3個(gè)輔助墩向跨中7.5m處、索塔向跨中方向12.5m和89.5m處,編號分別為結(jié)合部位置1～5,如圖1所示。2分析輸入橋狀態(tài)2.1成橋狀態(tài)分析現(xiàn)代密索體系斜拉橋?qū)俑叽纬o定結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)自由度很大,通過調(diào)整索力可以改變結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。斜拉橋成橋狀態(tài)好壞是衡量設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。由于本文研究的是混合梁斜拉橋結(jié)合部位置的合理選擇問題,側(cè)重于各不同結(jié)合部位置時(shí)橋梁成橋狀態(tài)的橫向比較,且混合梁斜拉橋的基本設(shè)計(jì)理念是用邊跨混凝土梁的重量去平衡中跨鋼梁的重量,因此本文采用了下述的斜拉橋成橋狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn):索塔在恒載下只承受軸力,彎矩接近于零。在該成橋狀態(tài)下,斜拉橋只有主梁受到不平衡彎矩作用,因此通過比較不同結(jié)合部位置的主梁恒載彎矩分布即可判斷全橋受力狀態(tài)的優(yōu)劣。需要說明的是,合理的結(jié)合部位置需兼顧全橋整體和結(jié)合部局部兩方面的結(jié)構(gòu)性能要求。以上分析了恒載下結(jié)合部位置對前者的影響,對后者的影響這里未考慮,因?yàn)橥ㄟ^附加斜拉橋成橋狀態(tài)約束條件,如結(jié)合部處彎矩為零,即可保證。目前可供參考的斜拉橋索力優(yōu)化方法很多,本文采用了文獻(xiàn)提出的基于影響矩陣法的實(shí)用方法,該法與日本學(xué)者提出的相對剛度變化法基本一致。2.2恒載彎曲應(yīng)變能對于不同的結(jié)合部位置,恒載下主梁的彎矩分布如圖3(a)～(e)所示,相應(yīng)的混凝土梁和鋼梁彎矩極值見圖4。比較可見,在索塔只承受軸力的情況下,由于混凝土梁和鋼梁的重量、剛度相差很大,改變結(jié)合部位置,即改變主梁沿梁長方向的重量、剛度分布,對主梁恒載彎矩分布影響很大,特別是對混凝土梁的最大負(fù)彎矩影響顯著。而對主梁的軸力分布,如圖3(f)所示,結(jié)合部位置變化影響很小,特別是對結(jié)合部位置1～4。為了定量地描述結(jié)合部位置對主梁受力狀態(tài)的影響,筆者認(rèn)為可采用主梁的彎曲應(yīng)變能作為判別指標(biāo),按下式計(jì)算:Ub=∑i∫Li2M2i(x)(EI)idx,(1)Ub=∑i∫Li2Μi2(x)(EΙ)idx,(1)式中,Li、(EI)i、Mi(x)分別為各桿件的長度、抗彎剛度和分布彎矩。因?yàn)樵诒疚乃俣ǖ男崩瓨蚶硐氤蓸驙顟B(tài)下,索塔只承受軸力,由主梁剛度、特別是重量分布差異引起的不平衡彎矩完全反映在主梁上,因此可通過主梁恒載彎矩分布判斷全橋受力狀態(tài)的優(yōu)劣;另外,由于斜拉橋?qū)俑叽纬o定結(jié)構(gòu),通過調(diào)整索力可以改變結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài),因此如果單獨(dú)采用主梁彎矩極值并不能全面反映主梁的受力狀態(tài),主梁彎曲應(yīng)變能是更理想的判別指標(biāo)。對于不同的結(jié)合部位置,恒載下主梁的彎曲應(yīng)變能見表2,其中括號內(nèi)的數(shù)值為相對值。由表2可見,結(jié)合部位置1～4的主梁彎曲應(yīng)變能要遠(yuǎn)小于結(jié)合部位置5,其中結(jié)合部位置3最小,其他結(jié)合部位置的主梁彎曲應(yīng)變能分別為該位置的1.67、1.08、1.99、10.73倍。因此,在理想成橋狀態(tài)下,結(jié)合部位置3為最優(yōu),此時(shí)由恒載引起的主梁不平衡彎曲應(yīng)變能最小。表3還給出了不同結(jié)合部位置時(shí)的恒載下支墩反力分布,其中正值表示支座受壓,負(fù)值表示支座受拉。由表3可見,主梁結(jié)合部位置越靠近索塔,總支墩反力越大,支座越不容易出現(xiàn)受拉的不利情況。結(jié)合部位置4的支座恒載壓力儲備最大,但這也同時(shí)造成邊跨過重,主梁恒載彎矩分布不理想;結(jié)合部位置3也未出現(xiàn)支座受拉,有一定的恒載壓力儲備,是較理想的結(jié)合部位置;結(jié)合部位置1和2由于邊跨混凝土梁段較短,邊跨較輕,因此支座出現(xiàn)了較大的負(fù)反力;結(jié)合部位置5由于混凝土梁段已伸入中跨較大距離,平衡了部分邊跨梁重,因此其支墩反力較結(jié)合部位置4要小。此外,圖5給出了恒載下的斜拉索索力分布情況。比較可見,除結(jié)合部位置5外,其他結(jié)合部位置對斜拉索索力分布影響很小。3主梁結(jié)合部位置的確定在上述分析的基礎(chǔ)上,本文又對運(yùn)營狀態(tài)汽車活載下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算分析。汽車荷載等級為公路?Ⅰ級,按雙向6車道布置。對于不同的結(jié)合部位置,活載下主梁的彎矩和軸力包絡(luò)圖分別如圖6(a)、(b)所示。由圖6可見,結(jié)合部位置變化,即改變主梁沿梁長方向的剛度分布,對主梁活載彎矩和軸力包絡(luò)分布影響不大,且數(shù)值較小。這主要是因?yàn)楝F(xiàn)代密索體系斜拉橋的豎向剛度基本均來自于其纜索體系,在豎向荷載作用下,其基本受力特性是斜拉索受拉、塔梁受壓為主,塔梁自身的抗彎剛度作用很小。斜拉橋纜索體系是指,忽略索塔和主梁的抗彎剛度,由纜索和只抵抗軸力的塔梁組成的結(jié)構(gòu)體系。有研究表明,即使主梁剛度增加1倍,全橋豎向剛度的增加僅為11%。然而,對于主梁不同的結(jié)合部位置,結(jié)合部自身截面各內(nèi)力相差很大。為保證結(jié)合部在運(yùn)營過程中不出現(xiàn)混凝土開裂及耐久性問題等不利情況,合理的結(jié)合部位置應(yīng)選在主梁彎矩幅值較小的地方。對于不同的結(jié)合部位置,活載下結(jié)合部截面(混凝土梁一側(cè))的彎矩值見表4。由表4可見,結(jié)合部位置4的彎矩幅值最小,其他結(jié)合部位置的彎矩幅值分別為該位置的1.46、1.56、1.61、1.14倍。因此,在運(yùn)營狀態(tài)汽車活載下,結(jié)合部位置4為最優(yōu)位置,此時(shí)結(jié)合部的彎矩幅值最小。不同結(jié)合部位置時(shí)的恒載+活載下支墩反力分布見表5,其中正值表示支座受壓,負(fù)值表示支座受拉。由表5可見,在恒載+活載下,結(jié)合部位置3、4的支墩反力最小值很接近,遠(yuǎn)小于其他結(jié)合部位置,支座受拉很小,是較合理的結(jié)合部位置。文獻(xiàn)認(rèn)為,邊跨設(shè)計(jì)的核心是穩(wěn)妥可靠地消除施工和成橋時(shí)的支座負(fù)力,并最大限度地獲取正反力,以減小運(yùn)營階段的負(fù)反力效應(yīng)。消除或減小負(fù)反力的方法和措施因結(jié)構(gòu)總體布置和構(gòu)造細(xì)節(jié)的不同而異。此外,活載下,斜拉索索力分布基本不受結(jié)合部位置影響,如圖7所示。4結(jié)合部位置的確定由以上分析可見,在成橋狀態(tài)恒載下考慮主梁彎曲應(yīng)變能、在運(yùn)營狀態(tài)汽車活載下考慮結(jié)合部彎矩幅值、并綜合考慮恒載+活載下的支墩反力分布,得到的結(jié)合部理想位置并不完全一致。但對于公路橋梁來說,由于活載較恒載要小得多,通常不超過恒載的20%,因此筆者建議采用以考慮恒載為主,兼顧活載的思路來確定混合梁斜拉橋合理的結(jié)合部位置。對于本文算例,僅從受力性能上看,顯然結(jié)合部位置3是最合理的選擇。下面進(jìn)一步對邊跨內(nèi)不同的輔助墩布置形式進(jìn)行了分析,計(jì)算結(jié)果見表2～表5,其中2個(gè)輔助墩布置為去掉圖1中的墩4和7,1個(gè)輔助墩布置為去掉圖1中的墩3、4和7、8,無輔助墩布置為去掉圖1中的墩2～4和7～9。顯然,對于設(shè)置1～3個(gè)輔助墩的情況,結(jié)合部位置3是較理想的結(jié)合部位置;對于無輔助墩的情況,結(jié)合部位置2對應(yīng)的恒載主梁彎曲應(yīng)變能最小,但活載下結(jié)合部截面的彎矩幅值較大,還需要進(jìn)一步研究。5主梁彎