同等跨径矮塔斜拉桥与连续刚构桥受力性能对比分析

胡财金

（长沙理工大学土木工程学院，湖南 长沙 410114）

0 引言

连续刚构桥采用墩梁固结体系，墩梁共同参与工作，与同跨径的连续梁桥相比，连续刚构桥的跨中弯矩减小，可以进一步优化跨中梁高，以减轻自重，且连续刚构桥上部结构伸缩缝少，行车舒适性好，但跨中下挠及箱梁底部容易出现开裂等问题。而矮塔斜拉桥兼具连续刚构桥和斜拉桥的优点，近年来，行业内对矮塔斜拉桥的研究也逐步深入。对矮塔斜拉桥设计的核心问题进行了深入研究。通过仿真分析和近似分析法对矮塔斜拉桥的拉索和受力性能进行研究，对大跨连续刚构桥和矮塔斜拉桥的静动力性能进行了对比研究。对矮塔斜拉桥施工关键技术进行研究，解决了桥梁在实际施工中的难题，积累了大量的研究成果。现借助Midas civil 建立有限元模型，研究同跨径矮塔斜拉桥和连续刚构桥成桥状态下两种工况下的静力性能比值规律和竖向变形比值规律。

1 工程概况

1.1 矮塔斜拉桥概况

主桥采用分幅双塔三跨矮塔斜拉桥设计，主桥长314m，具体桥跨布置为83m+148m+83m。该桥采用墩、塔、梁固结体系，主塔为独柱式钢筋混凝土结构，断面为矩形，主塔高度为26m（含索顶以上6.5m 装饰段）。主桥采用全预应力混凝土结构，主梁采用预应力混凝土结构，采用三向预应力体系，纵向、横向及竖向均采用Φs15.2mm 钢绞线，根据各跨受力特点，适当调整布束范围和张拉吨位，斜拉索在塔上采用分丝管锚固结构，全桥共96 根斜拉索。

1.2 连续刚构桥

该大跨径连续刚构桥主桥为81m+150m+81m 预应力混凝土连续刚构梁。上部箱梁为变截面单箱单室断面，箱顶宽12.00m，箱底宽6.5m。箱梁顶面设单向2%的横坡（左右幅相反）。主墩纵向由双肢薄壁墩组成，薄壁墩为矩形实心截面，横桥向6.5m，顺桥向2.4m，两片墩间净距为4.2m，双肢薄壁墩之间不设置系梁，墩身上部端与箱梁0 号梁段固结，下部端与承台固结。纵向、横向预应力筋采用公称直径15.2mm的预应力钢绞线，抗拉强度为fpk=1860MPa，计算弹性模量E=1.95×10MPa，松弛等级为Ⅱ级，竖向预应力筋在该对比模型中不予考虑。

2 有限元模型

2.1 矮塔斜拉桥模型

全桥结构模型具体分为411 个节点、398 个单元。主墩的顶部与箱梁固结，墩底均采用固结构造；两端的边跨箱梁采用的是可动铰支承与主墩相连接。在计算过程中，考虑了主梁的纵向预应力筋，不考虑横向和竖向预应力筋。应力符号规定如下：受拉为正、受压为负。

2.2 连续刚构桥模型

连续刚构桥有限元模型共171 个节点，160 个单元，主要的静力荷载包括自重、预应力钢束、挂篮自重、二期恒载等。活载主要有车道荷载、人行荷载等。

3 计算结果对比分析

通过建立连续刚构桥与矮塔斜拉桥有限元模型，对比分析两桥在不同工况下的力学性能和变形规律。荷载组合如表1 所示。

表1 荷载组合表

工况12组合恒载恒载+活载

3.1 内力分析

3.1.1 弯矩对比分析

对比恒载工况下矮塔斜拉桥和连续刚构桥成桥状态下的纵桥向弯矩大小如图1 所示，可以看出两种桥型的变化规律基本一致。矮塔斜拉桥最大负弯矩M=-8.5×10kN·m，出现在82.88m、228.63m（桥墩附近）；刚构桥最大负弯矩M=-1.18×10kN·m，出现在84.3m、228.9m（桥墩附近）；两桥的最大正弯矩均出现在跨中附近，分别在156m 处及157m 处。在恒载+活载工况下，两桥的最大负弯矩均出现在桥墩附近，最大正弯矩出现在跨中附近，其余位置均由峰值处向两侧逐步减小，如图2 所示。在恒载工况下，矮塔斜拉桥的弯矩变化较为明显，其跨中正弯矩值是连续刚构桥的2.2 倍。

图1 工况1 下弯矩对比分析图

图2 工况2 下弯矩对比分析图

采用比值法，即每种桥型各截面的弯矩值与对应桥型整桥弯矩绝对值最大值的比值，对比两种桥型的弯矩特性。

表达式为：

式（1）中：M各截面弯矩值；|M |为整桥弯矩绝对值最大值。

由图3、图4 所示，连续刚构桥与矮塔斜拉桥各截面的弯矩值与对应整桥弯矩绝对值最大值的比值变化趋势接近，且跨中及附近位置的比值基本接近，说明在同跨径下虽然两者桥面宽度不同，但相对整桥弯矩的变化规律及变化率较为接近。

图3 工况1 下弯矩相对值对比分析图

图4 工况2 下弯矩相对值对比分析图分析

3.1.2 剪力对比分析

通过图5、图6 可知，恒载工况下两者的剪力变化规律相差较大，纵桥向相近坐标位置截面的剪力值，矮塔斜拉桥小于连续刚构桥，但均在桥墩附近发生剪力突变。同时，通过恒载和活载组合工况下的对比图可以看出，矮塔斜拉桥在桥墩处的剪力突变较连续刚构桥大，连续刚构桥在两种工况下的剪力变化相对较小，说明活载对矮塔斜拉桥的剪力影响较大，对连续刚构桥的影响不大。

图5 工况1 下剪力对比分析图

图6 工况2 下剪力对比分析图

3.2 变形对比分析

根据图7、图8 可知，矮塔斜拉桥和连续刚构桥在工况1 下，桥梁的竖向变形最大值分别为16.5cm、11.9cm，都位于合龙中跨段；矮塔斜拉桥主梁在工况2的作用下的竖向变形最大值为14cm，挠度与跨度之比为14/15000=1/1071；另外，连续刚构桥主梁在工况2下，桥梁的竖向变形最大值为13.3cm，挠度与宽度之比为13.3/14800≈1.1/1200。上述数据均满足规范对主梁刚度的要求。对比工况1 下两种桥型的竖向变形，可明显发现矮塔斜拉桥跨中无索区的竖向变形比连续刚构桥大得多，增大幅度为37.5%，其余位置的竖向变形与连续刚构桥相差较小；工况2 下两种桥型在跨中出现的最大竖向变形相差较小，竖向变形规律较一致，竖向变形大小在相同位置也较接近。说明在活载作用下，由于拉索可提供一个向上的力，可以减小主梁的竖向变形；而连续刚构桥在活载的作用下，竖向变形增大较为明显，增大幅度达到11.7%。

图7 工况1 下变形对比分析图

图8 工况2 下变形对比分析图

4 结论

在两种工况下，对同跨径矮塔斜拉桥跨与连续刚构桥的静力性能及变形规律进行对比研究，得出如下结论：第一，与同跨径连续刚构桥相比，矮塔斜拉桥跨中正弯矩值较大；两种工况下两种桥型的弯矩比值系数变化规律相似性较高。第二，矮塔斜拉桥的剪力变化较为不规律，而连续刚构桥的剪力变化在边跨处及跨中处均表现出近似线性的变化规律。在恒载和活载组合下，连续刚构桥在桥墩处的剪力突变较为明显，矮塔斜拉桥则变化较小。第三，矮塔斜拉桥的竖向变形在两种工况下均变化较小，是由于有拉索提供竖向支撑，能够有效抑制跨中下挠；而连续刚构桥在恒载和活载组合下竖向变形的增幅较大，可达到11.7%。