單斜塔斜拉橋不同斜塔傾斜角對(duì)橋梁內(nèi)力的影響

單斜塔斜拉橋不同斜塔傾斜角對(duì)橋梁內(nèi)力的影響摘要：西溪主橋跨越福建省九龍江，為順橋傾斜單塔超寬混合梁扭背索斜拉橋,邊跨混凝土箱梁寬51m,中跨鋼箱梁寬47m,兩項(xiàng)寬度均位居同類型橋梁世界第-o以本項(xiàng)目為背景，建立Midas有限元模型，分析不同橋塔傾斜角對(duì)斜拉橋的內(nèi)力影響。綜合關(guān)鍵點(diǎn)的位移分析和內(nèi)力分析表明：橋塔斜度為0。的斜拉橋其力學(xué)性能最好，而橋塔斜度為36。的斜拉橋，各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的位移、應(yīng)力、內(nèi)力等均較大，其力學(xué)性能較差。本橋選取8。作為橋塔傾斜角，能夠較好的兼顧橋梁的結(jié)構(gòu)性能與美觀性。1.1研究必要性由于斜塔扭面背索斜拉橋空間造型優(yōu)美，標(biāo)志性強(qiáng)，能夠較好的適應(yīng)人民對(duì)美好生活環(huán)境的需求，因而在城市橋梁建設(shè)中日益受到重視，具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。很多參數(shù)對(duì)斜塔扭背索斜拉橋受力性能具有一定程度的影響［1］,比如：橋塔的剛度和主梁之間的關(guān)系、斜拉索的布局方式、塔與梁的之間的連接方式、橋塔傾角、輔助墩的數(shù)量和布置等［5］。參數(shù)的變化會(huì)直接影響結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，因此有必要根據(jù)參數(shù)的變化對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行分析，找出變化規(guī)律，使結(jié)構(gòu)形式更加合理。斜塔扭背索斜拉橋的斜塔角度不論從美觀方面還是從結(jié)構(gòu)方面都對(duì)橋梁的運(yùn)營(yíng)有著深遠(yuǎn)的影響，本文針對(duì)橋塔傾斜角展開研究，建立斜塔角度為0。、4。、8。、12。、16。、24。、36。七個(gè)midas橋梁模型，比較分析斜拉橋的內(nèi)力以及動(dòng)力特性。1.2不同主塔傾斜角扭背索斜拉橋模型的建立圖1-2036。傾斜角模型主梁彎矩圖圖1-2136。傾斜角模型主梁軸力圖從上述主梁的內(nèi)力與位移圖可得，相較于主跨主梁，邊跨主梁所承受的彎矩較大，除了塔梁的加固與混合梁的連接段，主跨鋼主梁和邊跨混凝土主梁的軸力變化較為穩(wěn)定。綜上所述，均表明斜拉索的索力值在索力的可行范圍之內(nèi)。1.3.2關(guān)鍵點(diǎn)位移分析活載作用下塔頂?shù)捻槝蛳蛭灰茍D與主梁的豎向撓度圖如下［6］：圖1-3436。傾斜角模型主梁豎向撓度圖圖1-3536。傾斜角模型塔頂順橋向位移圖提取計(jì)算結(jié)果中的位移數(shù)據(jù)，邊跨約跨中處的邊跨豎向上拱最大，節(jié)點(diǎn)號(hào)為12號(hào)節(jié)點(diǎn)；主跨豎向撓度在主梁約3/4處最大，節(jié)點(diǎn)號(hào)為74號(hào)節(jié)點(diǎn)。從不同模型中提取12號(hào)、74號(hào)節(jié)點(diǎn)處的豎向位移、以及塔頂水平位移作為對(duì)象進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如下：圖1-36不同傾斜角模型關(guān)鍵點(diǎn)位移對(duì)比圖（絕對(duì)值）由表1-1以及圖1-36比較可以得出，在不計(jì)沖擊系數(shù)下的頻遇值系數(shù)為1的汽車車道荷載作用下，不同傾斜角的斜塔斜拉橋其邊跨燧向位移均較小，主跨最大騷向撓度在0.1449m?0.2041m之間變化，均小于1/400=0.5m,能夠達(dá)到規(guī)范要求，且主梁豎向位移隨斜塔角度的增加呈增大趨勢(shì)。塔頂處位移在0.0355m?0.0612m范圍內(nèi)波動(dòng)，均偏向主跨一側(cè)，能夠滿足最大變形要求，且變化幅度不大。橋塔的自重隨斜塔角度的增加而加強(qiáng)了對(duì)邊跨主梁的錨固效果，進(jìn)而使塔頂處的位移減小，但垂直方向分力減小，主跨的豎向位移隨斜塔角度的增加而趨于增大。由此可以得出，橋塔傾角的增加，有利于減少塔頂位移，但是會(huì)造成主跨撓度的增加，故橋塔傾斜的角度不應(yīng)過(guò)大，否則會(huì)對(duì)主梁產(chǎn)生不利影響。1.3.3關(guān)鍵點(diǎn)內(nèi)力分析選取邊跨最大彎矩、主跨最大正負(fù)彎矩、塔墩固結(jié)處彎矩、下塔塔底處彎矩五組數(shù)據(jù)，制成圖表，進(jìn)行分析比對(duì)，其圖表如下：圖1-38不同傾斜角斜塔斜拉橋關(guān)鍵點(diǎn)軸力值比較圖（絕對(duì)值，單位KN?m）選取邊跨最大剪力、主跨最大剪力、塔墩固結(jié)處剪力、下塔塔底處剪力四組數(shù)據(jù)，制成圖表，進(jìn)行分析比對(duì)，其圖表如下：圖1-39不同傾斜角斜塔斜拉橋關(guān)鍵點(diǎn)剪力值比較圖（絕對(duì)值，單位KN?m）從上述模型的軸力、彎矩和剪力的對(duì)比圖中，可以得出以下結(jié)論：（1）在彎矩對(duì)比分析中，斜拉橋彎矩較小處是橋塔傾斜角度為0。和4。時(shí)，斜拉橋彎矩最大處是橋塔角度為36。時(shí)；塔墩固結(jié)處的彎矩隨橋塔傾斜角度的增加而增加較大。（2）在軸力值對(duì)比分析中，無(wú)論荷載工況如何，塔梁的固結(jié)點(diǎn)處始終居于受壓的狀態(tài)，相對(duì)于主跨和橋塔，邊跨軸力值較小，橋塔斜度為0。的橋塔軸力值最小，隨著橋塔傾斜角度的增大，各關(guān)鍵點(diǎn)處軸力值穩(wěn)定增加；（3）在剪力比較中，分析塔墩固結(jié)處的剪力值，其中斜拉橋剪力在橋塔傾斜角度為4。的時(shí)候處于最小值，橋塔斜度為0。的斜拉橋剪力略微大于橋塔斜度為4。的斜拉橋，在4。之后，隨橋塔斜度的增加，其塔墩固結(jié)處的剪力值增長(zhǎng)較快；而邊跨、主跨以及下塔塔底處最大剪應(yīng)力在橋塔斜度為0。至24。時(shí)穩(wěn)定小幅增加，從24。至36。時(shí)小幅減小。綜上分析比較，橋塔斜度為0。的斜拉橋其力學(xué)性能最好，而橋塔斜度為36。的斜拉橋，各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的位移、應(yīng)力、內(nèi)力等均較大，其力學(xué)性能較差。1.4結(jié)論闡述對(duì)扭背索斜拉橋的不同傾斜角度的主塔進(jìn)行分析的必要性；建立橋塔角度分別為54。、66。、74。、78。、82。、86。、90°MIDAS/CIVIL模型；采用己經(jīng)建立的模型，對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)處的位移和內(nèi)力進(jìn)行分析比較，在位移對(duì)比分析中得出，在不計(jì)沖擊系數(shù)下的頻遇值系數(shù)為1的汽車車道荷載作用下，不同傾斜角的斜塔斜拉橋其邊跨燧向位移均較小，主跨最大騷向撓度在0.1449m?0.2041m之間變化，均小于1/400=0.5m,達(dá)到規(guī)范要求，且隨斜塔角度的增大，主梁豎向位移呈增大趨勢(shì)。塔頂處位移在0.0355m?0.0612m范圍內(nèi)變化，斜拉橋的塔頂處位移均偏向主跨一側(cè)，能夠滿足最大變形要求，且變化幅度比較小。橋塔的自身重力隨斜塔角度的增加而加強(qiáng)了對(duì)邊跨主梁的錨固效果，使得塔頂位移趨于減小，但由于垂直方向分力減小，主跨的豎向位移隨斜塔角度的增加而逐漸增大。由此可以得出，橋塔傾角的增加，有利于減少塔頂?shù)奈灰疲菚?huì)造成主跨撓度的增加，故橋塔傾斜的角度不應(yīng)過(guò)大，否則會(huì)對(duì)主梁產(chǎn)生不利影響；選取了計(jì)算模型中主跨的跨中內(nèi)力、邊跨的跨中內(nèi)力以及下塔柱的底部節(jié)點(diǎn)與塔梁固結(jié)點(diǎn)等多處關(guān)鍵位置的內(nèi)力，對(duì)比分析其中相對(duì)敏感的內(nèi)力；在彎矩分析比較中，橋塔斜度為0。、4。的斜拉橋彎矩較小，橋塔角度為36。的斜拉橋彎矩最大；隨著橋塔傾斜角的增加，塔墩固結(jié)處的彎矩增加較大［7］。在軸力對(duì)比分析中，無(wú)論荷載工況如何，塔梁固結(jié)點(diǎn)始終居于受壓狀態(tài)，相對(duì)于主跨和橋塔，邊跨軸力值較小，橋塔斜度為0。的斜拉橋橋塔軸力值最小，隨著橋塔傾斜角的增加，各關(guān)鍵點(diǎn)位置處軸力值穩(wěn)定增加；在剪力比較中，分析塔墩固結(jié)處的剪力值,其中斜拉橋的剪力在橋塔斜度為4。的時(shí)候最小，橋塔斜度為0。的剪力略微大于橋塔斜度為4。的剪力，在4。之后，隨著橋塔斜度的增加，其塔墩固結(jié)位置的剪力增長(zhǎng)較快；而邊跨、主跨以及下塔塔底處最大剪應(yīng)力在橋塔斜度為0。至24。時(shí)穩(wěn)定小幅增加，從24。至36。時(shí)小幅減小；綜合關(guān)鍵點(diǎn)的位移分析和內(nèi)力分析，橋塔斜度為0。的斜拉橋其力學(xué)性能最好,而橋塔斜度為36。的斜拉橋，各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的位移、應(yīng)力、內(nèi)力等均較大，其力學(xué)性能較差。本橋選取8。作為橋塔傾斜角，能夠較好的兼顧橋梁的結(jié)構(gòu)性能與美觀性。參考文獻(xiàn)：AASHTOLRFDBridgeDesignSpecifications.Section4：StructuralA