矮塔斜拉

矮塔斜拉（共7篇）

矮塔斜拉 篇1

摘要：以安邦河斜拉桥为背景, 借助有限元分析软件Midas/Civil, 采用子空间迭代法对其进行了计算, 得出了该桥的自振特性, 计算结果可为该桥后期运营过程中的健康检测与维修提供参考, 同时, 为进一步认识矮塔斜拉桥的动力性能起参考作用。

关键词：矮塔斜拉桥,有限元,自振特性,动力性能

0 引言

矮塔斜拉桥, 既有连续梁 (连续刚构) 的“刚”, 又有斜拉桥的“柔”, 兼有两种桥型的优势, 是近几十年来兴起的一种新型桥梁结构[1,2,3]。与其他桥型一样, 矮塔斜拉桥的抗震、抗风与车—桥振动等也成为设计中需要控制的关键问题[4]。结构的动力特性是其自身所固有的, 是这些分析的基础。以安邦河斜拉桥为例, 进一步分析矮塔斜拉桥的动力特性, 为同类桥梁提供参考。

1 工程概况

1.1 主梁

安邦河斜拉桥为单索面预应力混凝土斜拉桥, 全长145 m, 跨径布置为2×70 m, 塔梁墩固结, 桥型布置见图1。主梁为预应力混凝土现浇箱梁, 标准断面为单箱五室, 箱内采用直腹板, 标准断面见图2。

1.2 主塔

主塔顺桥向采用钻石形, 横桥向采用独柱式, 桥面以上高度为38.5 m, 为实心矩形截面, 整体布置在中央分隔带上, 在塔身上设置分丝管鞍座, 用于放置斜拉索。斜拉索在横桥向按双排布置, 故分丝管的鞍座亦设置成双排。

1.3 斜拉索

斜拉索采用钢绞线索, 每根拉索由34根环氧钢绞线组成。斜拉索采用双排单索面形式, 通过塔顶的分丝管, 两侧对称锚固于主梁顶板上, 与主梁连接位置布置在中央分隔带上。索塔上采用1.5 m和1.8 m两种索距, 而主梁上的索距设置为6.0 m。

1.4 下部结构

主塔墩身采用矩形实体墩, 承台采用分离式承台, 每个承台下接4根直径为2.0 m的钻孔灌注桩, 桥台采用U型桥台, 桩径为1.5 m, 均按摩擦桩设计。

2 有限元模型的建立

运用有限元分析软件Midas/Civil建立安邦河斜拉桥的动力分析模型, 全桥共240个单元和270个节点, 主梁、主塔、桩基采用梁单元, 拉索采用等效的桁架单元, 索与梁、塔间的连接采用刚性连接, 桩土相互作用采用节点弹性支撑, 利用等代弹簧的刚度表示土的参数m值[5,6,7], m值根据JTG D63—2007公路桥涵地基与基础设计规范附录P的规定选取。由于结构的自振特性与其自身的质量、刚度相关, 故模型中将自重、二期铺装、横隔板重等转化为质量。安邦河斜拉桥动力分析模型见图3。

3 结构动力特性分析

借助Midas/Civil有限元软件, 采用子空间迭代法对安邦河斜拉桥的动力特性进行计算, 得出前10阶的振动结果见表1, 振型图见图4。

桥梁结构自身的质量和刚度决定了其动力特性, 根据表1和图4可以看出以下特点:

1) 该桥的基本周期为1.203 s, 属于矮塔斜拉桥中振动周期较短的一类, 这与结构刚度大有关, 同时地基情况对其也有较大影响。

2) 主塔横弯与主梁竖弯是该桥在低阶振型中的主要振动形式, 表明该桥的横向抗扭刚度较强, 与主梁截面较宽有关。

3) 该桥主梁在第3振型中出现纵飘, 发生时间较早, 主塔产生纵向弯曲, 表明该桥所采用的双实体墩的抗水平侧移刚度较小。

4) 在前10阶振型中, 该桥出现多次主塔弯曲振型, 斜拉索索面摆动突出, 振幅大小有所区别, 表明主塔的刚度较小。

4 结语

结合矮塔斜拉桥的受力特点, 利用Midas/Civil建立安邦河斜拉桥有限元模型, 对其进行了动力特性分析, 得出以下结论:

1) 安邦河斜拉桥的1阶自振周期为1.203 s, 属于矮塔斜拉桥中较小的一类, 仍介于连续梁桥与常规斜拉桥之间。由于主梁横向刚度较大, 使得主梁竖弯与主塔横弯成为结构的主要低阶振型。

2) 安邦河斜拉桥较早地出现主梁纵飘, 这是由于双实体墩的抗水平侧移刚度及主塔刚度较小的原因造成的。

参考文献

[1]刘士林.斜拉桥[M].北京:人民交通出版社, 2002.

[2]孙文会.单索面宽幅矮塔斜拉桥受力特性研究[D].武汉:武汉理工大学硕士学位论文, 2010.

[3]刘志鑫, 蔺鹏臻, 刘凤奎.小西湖矮塔斜拉桥的动力性能化分析[J].兰州交通大学学报 (自然科学版) , 2007, 26 (4) :62-65.

[4]陈方.公路矮塔斜拉桥自振特性分析[J].中外公路, 2014, 34 (2) :161-164.

[5]莫海洪.沙湾矮塔混凝土斜拉桥静动力特性分析[D].广州:华南理工大学, 2009.

[6]王立峰, 刘龙, 肖子旺.大跨度矮塔斜拉桥静动力特性分析[J].中外公路, 2013, 33 (3) :118-121.

[7]JTG D63—2007, 公路桥涵地基与基础设计规范[S].

矮塔斜拉桥结构动力特性分析 篇2

随着PSC(Pre-stressing Concrete)桥梁向着大跨发展,设计上越来越注重采用主梁轻型化、施工性能和经济性能优良、形式与外观上与周边环境协调、具有城市标志性特征的桥梁形式。矮塔斜拉桥是介于梁桥与斜拉桥之间的一种桥梁结构。与一般预应力箱梁相比,其自重和预应力钢筋数量都比较小;与一般斜拉桥相比,各索之间应力变化较小,可显著降低索塔高度,比较适合于100～200 m跨度的桥梁,是一种新型的桥梁形式[1,2,3,4]。与其它大跨度桥桥型一样,矮塔斜拉桥的抗震能力、抗风能力和车桥振动问题往往成为设计中的主要控制因素之一。而在抗震、抗风、车桥振动等动力分析中,结构的动力特性分析是基础。桥梁结构的动力特性是结构本身所固有的,包括自振频率和振型,动力特性反应了桥梁的刚度指标。而振型常常是竖向、纵向、横向、扭转振型共四种振型在空间上互相耦合,特别是竖向位移可能与纵向位移耦合,横向位移可能和扭转位移耦合。本文以下以某矮塔斜拉桥为工程背景对其自振特性进行分析。

1工程概况

某大桥工程是由跨江主桥、西岸引桥和东岸立交组成。大桥主线桥梁总长1 189 m,其中跨江主桥为(128+248+128 m)双塔双索面矮塔斜拉桥,边主比0.516;桥面为双向六车道。活载等级:城-A级。桥塔为外张式曲杆门型结构,塔与梁固结。每个塔由两根塔柱和一根下横梁组成,桥面以下塔柱截面高7 m,宽5～5.28 m,桥面以上塔柱截面高2.5 m,宽5.28～10.52 m。下横梁截面为4×3(m)矩形。塔柱底部处设2 m高的实体段。主梁为单箱四室箱型截面变高度C50预应力混凝土连续梁,跨中梁高3.8 m,桥塔处梁高9 m,中跨等高度段长18 m,桥塔处段长8 m,边跨端部等高度段长12.9 m,其余梁段底部按二次抛物线变化。顶板一般截面宽34 m,桥塔处局部加宽到37 m,顶板悬臂长度3 m,顶板板厚25 cm。底板板厚由跨中25 cm增厚到桥塔处的120 cm。边腹板为斜腹板,厚50 cm,至桥塔两侧加宽到100 cm。中腹板厚40 cm,至0#块处变为90 cm。在斜拉索锚固处设置厚30 cm厚横隔板。端横隔梁厚245 cm。箱梁采用三向预应力体系,纵向按全预应力设计。斜拉索采用扇形双索面。梁上索距8 m,塔上索距1 m。全桥共设40对拉索。桥梁立面如图1所示。

2矮塔斜拉桥结构动力特性分析模型

2.1 矮塔斜拉桥结构动力特性分析基本原理

整体结构的动力平衡方程:

undefined (1)

式中,{δ}为节点位移向量,undefined是节点速度向量,undefined为节点加速度向量,[M]为质量矩阵,[C]为阻尼矩阵,[K]为刚度矩阵。

令{F}=0和[C]=0,得结构的无阻尼自由振动方程:

undefined (2)

该方程为二阶常系数线性齐次常微分方程组,其解的形式为:undefined。代入(2)式可得:

undefined (3)

令其系数行列式为零,得:

det([K]-ω2[M])=0 (4)

即自振特性分析最终归结为广义特征值问题。根据特征值均为实数、特征向量彼此正交的两个重要特性,在此基础上建立特征值的求解方法。

2.2 矮塔斜拉桥有限元模型的建立

矮塔斜拉桥结构是梁、塔、索的综合结构体系。用空间梁单元模拟主梁和桥塔,用索单元模拟拉索,支承边界条件采用刚性约束塔底基础。运用MIDAS/CIVIL建立全桥模型,如图2所示。共包含589个节点,500个单元。其中主梁142个空间梁单元,拉索80个索单元。规定如下:

(1)坐标规定。纵桥向为X方向,横桥向为Y方向,竖向为Z方向,X、Y、Z符合右手法则。

(2)负号规定。位移以沿坐标正轴为正,反向为负。

结构的自振特性与结构的质量和刚度有关,因此,把二期恒载和横隔板补差、配重等效的荷载转换为质量,施加在模型上。

3矮塔斜拉桥结构动力特性分析

一般而言,结构前几阶的自振频率和振型起控制作用,所以本文采用子空间迭代法进行模态分析。表1列出桥梁前100阶振型频率及周期,前十阶的振型如图3～12。由计算得到的大桥前150阶振型中,顺桥向参与质量贡献最大的振型为第1、4、32振型,横桥向参与质量贡献最大的振型为3、12、37振型。对于顺桥向地震反应,前32阶振型分量已达到90%的总质量;对于横桥向地震反应,前63阶振型分量达到90%的总质量。

4结语

从以上分析和表1、图3～12可以得知,该桥的动力特性具有几个特点:

(1)该类型桥梁的震动主要有桥梁整体沿纵飘、桥面系的竖向振动、塔的相对或者同向振动等几种形式。

(2)该桥的第1阶振型频率为0.5Hz,比一般的斜拉桥和悬索桥的基频高。从第1阶振型图中可以看出:桥面发生纵飘,索塔沿纵向发生弯曲,振型单一。纵飘发生得早,说明该桥梁由双塔和主梁形成的抗水平侧移刚度相对较弱。

(3)从前十阶振型可以看出相对于桥面系,桥塔侧弯出现的振型比较多,索面摆动比较突出,或同向或相向,区别只在振幅大小。这说明拉索、桥塔本身侧向刚度相对较小。

(4)边跨主跨振动同步,这是由于桥梁结构主梁、桥塔及斜拉索对称布置的原因。

摘要：矮塔斜拉桥具有造型美观、景观协调、技术先进、造价低、施工方便等很多优点,且兼有连续梁与斜拉桥的优点。本文以一座双塔双索面矮塔斜拉桥为工程背景,应用Midas/Civil软件建立其空间模型对矮塔斜拉桥动力特性即自振频率、周期及振型展开研究。研究表明,该桥第一阶振型为全桥纵飘,基频比一般斜拉桥和悬索桥高,全桥抗纵向水平侧移刚度相对较弱;在前10阶振型中,桥塔侧弯的振型出现较多,索面摆动突出,即拉索与桥塔侧向刚度较小。研究结果可为矮塔斜拉桥的设计及施工控制提供参考。

关键词：自振频率,振型,矮塔斜拉桥,数值分析

参考文献

[1]VIRLOGEUX M.Recent evolution of cable-stayed bridges[J].Engineering Structures,1999,21(8):737-755.

[2]蔺鹏臻,刘凤奎,张元海.单索面混凝土矮塔斜拉桥的动力特性[M].世界地震工程,2006,22(3):111-115.

[3]陈从春,周海智,肖汝诚.矮塔斜拉桥研究的新进展[J].世界桥梁,2006,(1):70-72,80.

大跨度矮塔斜拉桥施工监控 篇3

一、斜拉桥的设计与施工控制

桥梁的施工控制是桥梁建设质量的保证, 特别是大跨度桥梁施工控制是必不可少的。衡量一座桥梁的质量标准就是要保证桥梁的受力状态以及桥梁成桥后的线形符合设计要求。目前, 理论上已可以对桥梁分段施工过程进行模拟, 对桥梁施工的各个阶段可预先计算出桥梁的内力和位移 (预计值) , 将施工中的实测值与预计值进行比较, 若有误差可进行调整, 直到达到理想的设计状态, 也就是通过桥梁施工控制, 使各阶段内力和变形达到预计值, 最终达到设计要求, 确保桥梁建造的内在质量和外在线形。桥梁施工控制又是桥梁建设的安全保证, 施工中的每一阶段, 结构的内力和变形是可以预知的, 同时可通过监测手段得到各施工阶段桥梁结构的实际内力和变形, 从而跟踪掌握桥梁施工进程情况, 当发现施工过程中监测的实测值与预计值相差较大时, 就需检查和分析原因, 而不能再继续进行施工, 否则, 将可能出现事故。所以, 为了保证桥梁施工质量和施工安全, 必须进行桥梁施工控制。

混凝土斜拉桥多采用对称于桥塔的悬臂施工, 在边跨和中跨处进行合龙段现浇。斜拉桥是高次超静定结构, 其施工方法和安装程序与成桥后的主梁线形和结构内力有着密切关系, 特别是斜拉桥在施工中要进行索力调整, 这势必引起主梁内力和标高的变化, 再加上混凝土徐变、收缩的影响, 使得混凝土斜拉桥在施工过程中受力十分复杂。因此, 必须对斜拉桥拉索张拉吨位和主梁挠度、塔柱位移等施工控制参数的理论计算值, 以及施工程序做出明确的规定, 并在施工中加以有效的管理和控制, 以确保斜拉桥在施工过程中结构始终处于安全范围内, 并在成桥后主梁的线形符合设计要求, 使结构处于最优受力状态。由此可见, 混凝土斜拉桥的施工控制是十分重要和必需的。我国《公路斜拉桥设计规范 (试行) 》 (JTJ027—96) 明确规定, 对斜拉桥应进行施工控制。

斜拉桥的施工控制是一个“预告→量测→识别→修正→预告”的循环过程。施工控制的目的具体表现为:确保桥梁施工中的安全和顺利合拢;确保结构内力合理, 处于设计要求的状态, 并保证有足够的稳定性;确保成桥线形符合设计要求。

二、矮塔斜拉桥的施工控制

预应力混凝土矮塔斜拉桥有以下突出的特点:

1. 主塔高度较低, 刚度较大, 成桥后主塔的总偏移量较小;

2. 拉索倾角较小, 拉索一般经一次张拉到位, 拉索索力的可变化幅值较小, 拉索对主梁的应力及挠度影响不大;

3. 桥梁跨度相对较小, 主梁刚度较大, 合拢前的桥梁线形的可调幅值较小。

因此, 在进行矮塔斜拉桥施工监控时, 施工控制更加关注主梁的线形变化, 而将主塔倾斜变形及主梁应力变化降为次要部分。所以, 矮塔斜拉桥施工控制的原则是:在主梁架设阶段, 以主梁的线形控制, 即标高控制为主;在二期恒载施工中, 以拉索张拉力控制为主, 即以减小斜拉索索力的离散性和改善结构受力性能为主。

目前, 矮塔斜拉桥的施工控制主要采用“自适应控制”的方法。对于较简单的桥型, 可在设计中估计结构恒载和活载, 由此算出结构的预拱度, 施工时只要按此预拱度施工, 完成后的结构就基本上能达到设计所要求的线形和内力。但在桥梁施工过程中实际状态和理想状态之间会存在误差, 需对实际状态进行测量并进行误差反馈, 通过分析计算求出控制参数的修正量, 根据施工中实测到的结构反应, 修正计算模型中的参数值, 使计算模型在与实际结构磨合一段时间后自动适应结构的物理力学规律, 在闭环反馈控制基础上, 再加上一个系统参数辨识过程, 使整个控制系统成为自适应控制系统。自适应控制系统一般由结构分析、反馈控制计算、参数估计和数据采集处理等几个关键模块组成。当测量到的结构受力与变形状态与模型计算结果不相符时, 把误差输入到参数辨识算法中以调节计算模型的参数, 使模型的输出结果与实际测量结果一致, 得到修正的计算模型参数后, 重新计算各施工阶段的理想状态, 再按上述反馈控制方法对结构进行控制。这样, 经过几个施工周期的反复辨识后, 计算模型就基本上与实际结构一致, 在此基础上可以对施工状态进行更好地预测、主要参数识别、修正、控制。施工控制框图见图1。

客运专线矮塔斜拉桥桥墩设计 篇4

关键词：武九客运专线,矮塔斜拉桥,荷载组合

1 工程概述

本文以一座客运专线1- (82+154+88) m矮塔斜拉桥为工程背景, 论述客运专线矮塔斜拉桥桥墩的设计过程。该桥位于枢纽内, 单线, 设计活载为ZK活载, 设计速度为160km/h, 有砟轨道。

本桥主要为跨越既有铁路而设, 其中主桥小里程边墩接1-80m钢桁梁, 大里程边墩接32m简支T梁。主桥位于直线上, 所处地区地震设防烈度为Ⅵ度。主桥采用塔墩分离, 先平行于既有铁路悬臂施工, 随后“要点”, 转体施工, 完成主跨合拢。主桥立面布置如图1所示。

2 桥墩尺寸拟定

与全桥桥墩类型统一, 主桥桥墩采用圆端形实体墩。桥墩构造设计首先应满足横向宽度的要求;同时由于上部荷载较大, 支座尺寸也将控制桥墩顶帽的纵横向尺寸。另外两边墩应考虑纵向预偏心对桥墩尺寸的影响。故在考虑桥墩结构设计安全、经济性, 并满足上部结构支座的相关布置要求, 拟定21#、22#主墩采用5×11.6m;20#边墩采用5×12.4m, 钢桁梁侧超高2.3m, 同时往主桥侧设5cm纵向预偏心;23#边墩采用4×9m, 同时往简支梁侧设55cm纵向预偏心。边墩及主墩墩顶平面图、正面及侧面图如图2~图5所示。

3 墩身检算

3.1 设计荷载

本桥采用ZK荷载, 参照《高速铁路设计规范》进行整体计算。

3.2 荷载组合

根据规范规定:在各种最不利荷载作用下, 桥墩计算时, 应考虑主力、主+附 (纵、横向) 、主+特 (纵、横向) 各种控制荷载在相同方向叠加时的最不利组合情况。根据分析, 计算桥墩主要的控制工况如表1所示。

3.3 桥墩强度、刚度及稳定性验算

下部桥墩结构应满足规范要求的强度、刚度及稳定性要求。

3.3.1 墩顶水平位移

桥墩纵横向水平刚度应满足列车行车安全性和旅客舒适度要求, 并对最不利荷载作用下的墩顶纵横向弹性水平位移进行计算。

根据规范规定:墩顶顺桥向的弹性水平位移不得超过。本桥桥墩在竖向静活载、制动力或牵引力、纵向风力、伸缩力等作用下, 各墩墩顶纵向水平位移如表2所示。

由表可知, 本桥各墩在最不利外荷载作用下墩顶纵向位移均小于规范限值, 满足要求。

根据规范规定:墩横向水平位移引起的桥面处梁端水平折角应不大于1‰。本桥桥墩在列车活载、横向摇摆力、离心力、横向风力和温度力作用下, 各墩墩顶横向水平位移入表3所示。

由表可知, 本桥各墩在最不利外荷载作用下墩顶横向位移均小于规范限值, 满足要求。

3.3.2 桥墩截面强度

墩身采用C35混凝土, 其容许压应力=9.4MPa, 计算主力加附加力时, 其容许压应力可提高30%。

表4出了控制荷载组合作用下各墩墩底截面计算应力值。

从表4中我们可以看出, 各个桥墩在控制荷载工况作用下其墩底截面压应力均小于9.4MPa, 满足规范规定, 因此桥墩截面强度检算符合要求。

3.3.3 墩身偏心

在各种荷载组合作用下, 混凝土实体桥墩墩身截面上的法向合力偏心距e应符合下列规定:主力e/S≤0.5;主力+附加力 (圆形截面) ≤0.5;主力+附加力 (其他形状截面) ≤0.6;主力+特殊荷载 (地震力除外) ≤0.7。

表5列出了主桥桥墩。

从表4可以明显看到, 主桥各个桥墩在不通荷载组合下, 控制荷载工况作用时的墩身截面偏心满足规范规定, 故桥墩截面偏心符合要求。

3.3.4 墩身纵向稳定性

混凝土桥墩在中心受压及偏心受压时, 其整体纵向稳定性应按下式检算:KN<Ncr

表6列出了各墩稳定性安全系数。

对比表5计算结果与规范要求的安全系数, 墩身在控制荷载作用下的纵向稳定系数大于规范要求的安全值, 计算结果满足规范规定, 因此各墩墩身纵向稳定性检算复核要求。

4 结论与建议

本文通过结合工程实例, 详细论述铁路桥梁桥墩的设计思路与设计方法, 通过上述计算发现, 相同截面形状的桥墩, 其墩身截面强度随着作用于墩身截面处的竖向力及弯矩的增大而增大;桥墩偏心与截面所受竖向成反比, 所受弯矩成正比;而桥墩的纵向稳定性只与竖向力有关。可为今后同类桥墩的设计提供一定的借鉴。

参考文献

[1]铁道第三勘测设计院.桥梁设计通用资料[M].北京:中国铁道出版社, 1994.

[2]中华人民国和国铁道部.TB10002.4-2005铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范[S].北京:中国铁道出版社, 2005.

[3]铁道第四勘测设计院.桥梁墩台[M].北京:中国铁道出版社, 1999.

[4]中华人民国和国铁道部.TB10002.1-2005铁路桥涵设计基本规范[S].北京:中国铁道出版社, 2005.

[5]国家铁路局.TB10621.4-2014高速铁路设计规范[S].北京:中国铁道出版社, 2015.

[6]谢海林.广深港客运专线桥梁设计综述[J].铁道标准设计, 2012 (3) :31-35.

[7]朱敏, 杨咏漪, 陈列, 等.武广铁路客运专线桥墩设计研究分析[J].铁道标准设计, 2010 (1) :100-104.

矮塔斜拉桥索鞍受力分析 篇5

唐山市曹妃甸一号路跨纳潮河大桥工程是因规划纳潮河引起的改建工程, 工程范围全长1820m。

桥长1397m, 主桥采用 (80+128+80) m部分斜拉桥, 桥宽38.5米。引桥采用32.7m现浇连续梁分幅设置。对主桥桥塔用大型通用有限元程序对索鞍进行局部计算分析, 目的是研究局部受力问题。建模过程中由于主要是考察索鞍部位的局部受力情况, 故对其边界采用直接在塔底部进行固结处理。有限元单元的采用形式分别为:混凝土用二十节点的solid 95单元, 钢套筒用shell 63单元, 其中solid 95单元总数为19525个, 节点共有68153个。通过全桥索力调平分析, 我们知道1号索和11号索力最大, 因此这里我们关注的是一号索、十一号索索鞍在各种阶段的受力情况。图1为此矮塔斜拉桥的布置示意图。

运用有限元通用程序ANSYS建立矮塔模型, 对其使用映射网格法进行网格划分, 得到如图2、图3所示的有限元模型。

拉索在孔道上的力的分布情况是比较复杂的, 斜拉索沿着索鞍传递向下的压力, 其压力的传递是不均匀的, 绝对不能简单的把索力平均分配到孔道各个相应面上, 目前较为精确的方法是, 面压力沿着孔道呈空间二次抛物线过渡, 根据塔柱的具体情况将索压力沿钢套管轴心方向拟合成2次抛物线形状。求出各个管道对应的压力大小及其分布情况, 对索鞍进行压力施加, 以求其受力情况。

3 计算分析与结果

矮塔斜拉桥索鞍以前采用双套管, 现在分丝管技术正在逐步趋于使用, 新型索鞍采用了分丝技术, 结构由多根相互平行的导向钢管组成, 拉索不是整束布置在同一管中, 而是拉索中每一根钢绞线穿过对应的导向钢管, 形成分离布置, 互不干涉, 并承受钢绞线由于单根张拉先后造成相互之间的挤压, 断面成蜂窝状。分丝管式索鞍不仅克服了原内外管式索鞍在塔内局部应力过大, 产生应力集中的固有缺陷, 还能有效改善塔内应力分布, 很好地起到分散、均匀传递载荷的作用。同时也解决了传统内外管式索鞍不能单根调索、索鞍内钢绞线相互叠压、施工时钢绞线容易打绞等问题。

本桥在索鞍设计时作了分丝管和双套管的计算比较, 对索力产生的受力面积在计算模型里区别, 经比较分丝管内混凝土受力较双套管面荷载小, 但分丝管受力不易准确模拟, 由于篇幅关系, 本文以双套管计算结果为依据, 重点分析索力最大的一种情况即运营阶段索鞍的受力情况。经过计算得到运营阶段1号和11号索鞍的第一主应力云图如图5和图6所示, 由图可见孔道的端部是拉应力较大的部位, 应该重点补强, 可采取增设钢垫板增加受力钢筋等措施。另外, 管道的侧壁中点也是拉应力相对较大的区域, 也需要采取措施进行加强。

结论与建议

在本次索鞍受力的有限元分析研究中, 我们采用了以双抛物线型压力面进行索压力的加载, 证明实际效果是比较好的, 比以前平均法施加法更为贴近实际情况。

索鞍必须设置钢管否则混凝土会被压裂。经过验算, 拉索外包钢管的厚度在2厘米就可将混凝土的拉应力控制在3.0Mpa以下。局部钢筋需加密。孔道的最外侧是受拉应力最大的点, 要适当加厚外缘的钢板厚度。分丝管由于加载的面压力较双套管小, 故分丝管教双套管更具安全性。

参考文献

[1]梁鹏, 肖汝诚.斜拉桥索力优化实用方法.同济大学学报.2003.11, 1270～1274.

[2]刘士林.斜拉桥.北京:人民交通出版社, 2002.

矮塔斜拉 篇6

在结构中0号块处于上部主梁与下部桥墩的连接处, 不仅是主梁悬臂浇注的基础, 而且是受力最复杂的构件。对这种复杂的三向受力构件, 如果仅采用平面杆系程序进行分析显然不能满足指导设计和施工更精确的要求, 因此有必要运用空间模型对它的受力特征进行分析和研究。

对宁江松花江特大桥0号块隔板进行空间应力分析, 是为了给0号块隔板处配置横向预应力钢束, 以及对隔板在正常使用情况下的局部应力进行分析, 为隔板的配筋提供依据。由于篇幅限制, 本文只计算梁墩之间采用支座处的0号块隔板, 本次空间计算采用的是大型通用设计软件ANSYS。

1 模型的建立

为排除边界效应对固结节点受力的影响, 塔柱取用6m长。计算模型选取范围除包括0号块梁段本身外, 还在其两端各延长一个梁段, 在计算模型中还建立了1号梁段, 模型具体尺寸见图2。考虑到结构对称及荷载近似对称, 取1/2结构作为计算模型。横向预应力钢束和竖向预应力粗钢筋沿桥0.5m布置一根。计算中采用solid45单元模拟混凝土, link8单元模拟预应力钢束, 钢束采用面切割体产生。竖向预应力以等效外力荷载形式施加。

1.1 结构离散

结构离散时, 按梁段实际模型进行网格划分, 因而, 计算模型基本客观的模拟了实际结构。主梁0号块模型共离散为40596个节点, 185686个solid45块单元, 2070个link8单元, 此外还应用了beam 188模拟刚性梁。材料特性作了如下简化:主梁及主塔按各向同性的匀质弹性体考虑, 未计入普通钢筋的影响。计算模型的有限元离散图见图3。

1.2 边界条件

在模型对称面上施加对称约束, 模型在梁底支座位置建立支座体模拟实际桥梁支座, 其尺寸为2110×2170×300mm, 在支座底面上施加顺桥向和竖向约束。

1.3 荷载

本研究取成桥阶段进行计算, 计算外荷载由通过桥梁博士软件另外建立的全桥模型中的桥梁结构纵向计算结果中的成桥阶段单元内力提取。

1.3.1 结构自重

主塔和支座不计自重, 主塔自重及由索传递给塔的结构恒载均由桥梁纵向计算结果中提取, 提取主塔根部恒载内力, 主梁取1号块前端截面内力施加到模型中。

1号块前端内力:

轴力N=2.01×105/2kN

剪力Q=2.01×104/2kN

弯矩M=6.98×103/2kN·m

主塔根部内力:

轴力N=6.05×104/2kN

1号块前端的内力加于模型1号块前端截面的剪切中心位置, 主塔根部内力加于模型主塔顶部 (6m处) 中心处, 弯矩、剪力很小忽略不计。

沥青混凝土铺装厚度为10cm, 容重取23kN/m 3;护栏底座采用C 40混凝土, 铺装荷载集度为23×0.1=2.3kN/m 2;护栏荷载集度取10kN/m (单侧护栏) 。

1.3.2 预应力

竖向预应力的作用换算为等效外荷载, 按集中力施加到节点上。有效预应力的计算中考虑了摩阻损失, 锚具变形、钢筋回缩损失为2mm;预应力钢筋的松弛损失的相应参数为:摩阻系数u=0.5, 局部偏差系数k=0.0015, 有效预应力为454kN/根。

预应力钢束的作用采用link8单元施加温度荷载模拟, 有效预应力的计算中考虑了摩阻损失、锚具变形和钢筋回缩损失6mm、预应力钢筋的松弛损失。其中隔板预应力钢绞线有效预应力1154MPa;桥面板横向预应力钢绞线有效预应力1180MPa;底板横向预应力钢绞线有效预应力1154MPa;相应参数为:摩阻系数u=0.17, 局部偏差系数k=0.0015。

1.3.3 活载

桥梁活载内力如前均由桥梁纵向计算结果中提取并等效换算为隔板处内力。主梁取0号块隔板截面Qmax内力施加到模型中。

0号块隔板处内力:

轴力N=2.26×103/2kN

剪力Q=4.27×103/2kN

弯矩M=-8.5×104/2kN·m

1.3.4 温度荷载

根据《公路桥涵设计通用规范》, 简化桥面板的温度荷载取10cm沥青混凝土铺装层温度梯度的平均值, 即升温温度 (14+5.5) /2=9.75℃, 降温温度-0.5×9.75=-4.875℃, 主梁日照竖向温度分布见图4 (单位:mm) :

2 计算结果

2.1 持久状况正常使用极限状态计算

经计算宁江松花江特大桥, 0号块隔板空间应力计算结果如下:

(1) 长期效应组合

对于预应力混凝土A类构件, 规范规定σlt-σpc≤0 (MPa)

长期效应组合下, 结构应力图详见图5、图6所示。图5~图10中, 横桥向为x方向、竖桥向为y方向、顺桥向为z方向, 单位为MPa。

横桥向最大拉应力在底板, 其值均为0.3MPa。竖桥向最大拉应力在隔板下缘, 其值为2.07MPa。

(2) 短期效应组合

对于预应力混凝土A类构件, 规范规定σst-σ≤.f=.×.=. (MPa)

短期效应组合下, 结构应力图详见图7、图8所示。

横桥向最大拉应力在底板, 其值为.MPa。

竖桥向最大拉应力在隔板下缘, 其值为2.18MPa。

2.2 持久状况应力验算

对于预应力混凝土A类构件, 规范规定:受压区混凝土最大压应力σc≤0.5fck=0.5×32.4=16.2 (MPa)

持久状况 (标准组合) 下, 结构应力图详见图9、图10所示。

标准组合最大压应力均满足规范要求。

3 结论

通过对宁江松花江特大桥0号块隔板进行的空间应力分析可得到以下结论:

(1) 根据该桥主梁0号块的拉应力可知, 隔板预应力钢束和顶板预应力钢束以及所配置的竖向预应力钢筋能够满足设计要求;

(2) 拉应力值大部分满足应力限值的要求, 只是在隔板下缘处应力偏大, 应进行局部加强配筋设计;

(3) 梁段混凝土应力满足限值要求。

(4) 本文方法可为相关类型工程提供借鉴作用。

参考文献

[1]唐宗富.弯连续刚构箱梁桥0号块的空间应力分析[J].山西建筑, 2007, (11) .

[2]夏勇.广珠准高速铁路东海西江大桥0号块空间分析[J].桥梁建设, 1997, (4) .

矮塔斜拉桥成桥索力优化分析 篇7

1 合理成桥状态下成桥索力优化方法

合理成桥状态[5,6]是指矮塔斜拉桥成桥之后, 在所有恒载作用下, 结构的内力和线形能够达到某种理想状态。在确定该状态过程中, 其结构体系、截面尺寸和设计荷载确定之后, 主要选取主梁、主塔、斜拉索、辅助墩四方面作为控制目标, 找出一组斜拉索索力, 在满足安全和使用功能的前提下, 使得在成桥状态下反映结构受力性能的某个控制目标达到最优, 而求解这组索力的过程就是成桥索力优化的问题。目前, 斜拉桥的索力优化方法主要分为三类, 包括指定受力状态索力优化、无约束的索力优化和有约束的索力优化方法[4,6]。

2 工程实例分析

2.1 工程概况

以常山矮塔斜拉桥为背景, 进行成桥索力优化分析。该桥为 (65+108+65) m的两塔三跨预应力混凝土矮塔斜拉桥, 梁宽28.5 m, 塔高19.15 m, 采用实心矩形截面, 顺桥向长3.5 m, 横桥向宽2.5 m, 塔上部设有分丝管;斜拉索采用单索面半扇形布置, 共设2×7对。主梁中央分隔带为锚固区, 每个锚固点处并排设置2根拉索。斜拉索具体布设位置见图1。

2.2 计算模型

运用有限元分析软件Midas/Civil建立常山矮塔斜拉桥的有限元计算模型, 全桥模型共244个单元和277个节点, 主梁和主塔采用梁单元, 拉索采用等效的桁架单元, 拉索与主梁和主塔的锚固点采用弹性连接中的刚性连接。成桥阶段的恒载静力工况包括自重, 二期铺装和预应力, 且每对斜拉索单独定义一个静力荷载工况, 赋予单位初拉力。矮塔斜拉桥索力优化分析时, 预应力效应影响很大, 所以在建模过程中预应力值要与设计文件相对应。全桥的有限元模型见图2。

2.3 初始成桥索力的确定

利用Midas/Civil中的未知荷载系数模块, 根据零位移法, 以索梁锚固点处的位移为零为控制目标, 在未知荷载系数模块里添加索梁锚固点位移为零的约束条件, 进行未知荷载系数计算。最终确定初始成桥状态的初张力见表1。

k N

从表1可以看出, 根据零位移法理论, 以梁索锚固点的位移为零作为控制目标计算出的初始成桥索力值相差比较大, 索力分布不均匀, 在此基础上需进行索力的进一步优化分析, 使得索力分布均匀。

2.4 成桥索力优化分析

为使成桥索力分布均匀, 利用Midas中“未知荷载系数”功能对索力进行优化。在索力优化过程中, 主要以梁塔的弯曲应变能最小为控制目标, 以使索力分布均匀为约束条件, 最终保证成桥阶段恒载作用下主梁的内力分布均匀, 线形合理, 以及主塔偏移量在合理范围内。具体优化后的拉索初张力和恒载索力值以及设计初张力和恒载索力值见表2。从表2中可以看出, 优化后的拉索初张力与设计初张力基本接近。初张力的大小反映了拉索截面的大小, 间接反映了拉索用量。

k N

3 优化结果对比分析

利用Midas/Civil分别对优化后和设计阶段的有限元模型进行一次成桥运算, 提取在恒载作用下的主梁弯矩值和挠度值, 索力优化对矮塔斜拉桥的内力和线形的影响情况对比分析如下。

k N·m

由表3可以看出, 优化索力下的恒载弯矩与原设计弯矩值相比有所减小, 塔根处的负弯矩最大减小了5 442 k N·m, 其他截面弯矩值也有不同程度的减小, 使得主梁的弯矩值更加均匀, 说明此种索力优化方法对调整主梁内力比较适用。恒载作用下主梁的挠度在索力优化前后的变化情况见图3。

由图3可以看出, 在成桥索力进行优化以后主梁的跨中挠度明显变小, 而优化索力对边跨跨中的变形影响较小。可见, 通过索力优化的调整可以改变矮塔斜拉桥局部线形的变化情况, 使得主梁更加接近设计成桥状态。

由以上结果可以看出, 在基本不改变斜拉索用量的情况下, 优化索力值有效的改变了主梁内力和变形情况, 说明以梁塔弯曲应变能为控制目标, 索力分布均匀为约束条件, 利用未知荷载系数法进行矮塔斜拉桥成桥索力优化的方法有效可行。

4 结语

针对矮塔斜拉桥的受力特点, 结合斜拉桥成桥索力优化理论, 对常山大桥进行了索力优化分析, 得出以下结论:

1) 利用Midas/Civil中“未知荷载系数”功能进行索力优化分析, 提出考虑预应力效应对矮塔斜拉桥成桥索力进行优化的方法。

2) 优化总索力与设计总索力基本接近的情况下, 通过索力优化有效地改变了主梁的受力和变形情况, 说明此种索力优化法可以利用到工程实践中, 能够为斜拉索的施工提供有效依据。

摘要：针对矮塔斜拉桥的结构形式和受力特点, 提出该类桥型确定成桥状态和索力优化的方法, 以常山县矮塔斜拉桥为研究背景, 利用有限元分析软件Midas/Civil中“未知荷载系数”的功能, 计算了常山桥的成桥索力, 并对该索力进行优化分析, 最终确定了合理的成桥状态, 为施工状态的分析提供了有效依据。

关键词：矮塔斜拉桥,合理成桥状态,索力优化,未知荷载系数

参考文献

[1]陈方.矮塔斜拉桥结构合理成桥状态索力优化及参数研究[D].西安:长安大学硕士学位论文, 2011.

[2]仲时进, 梅明星.矮塔斜拉桥成桥状态优化分析[J].山西建筑, 2014, 40 (21) :162-164.

[3]缪长青, 王义春, 黎少华.矮塔混凝土斜拉桥成桥索力优化[J].东南大学学报, 2012, 42 (3) :526-530.

[4]肖汝城, 项海帆.斜拉桥索力优化及其工程应用[J].计算力学学报, 1998, 15 (1) :118-126.

[5]何智.混凝土斜拉桥索力优化研究[D].成都:西南交通大学硕士学位论文, 2009.