论文部分内容阅读
【摘要】本文通过有限元分析软件Midas Civil 2015对一座独塔单索面预应力混凝土斜拉桥进行计算，对其主要受力特点进行分析，为此类斜拉桥的设计提供参考。
【关键词】独塔单索面斜拉桥；调索
引言
斜拉桥按其桥塔的数目一般分为独塔式、双塔式和多塔式。独塔斜拉桥具有跨越性强的优点，可以跨越中小河流，使用最为广泛。
本文通过有限元分析软件Midas Civil 2015对一座独塔单索面预应力混凝土斜拉桥进行计算，对其主要受力特点进行分析，为此类斜拉桥的设计提供参考。
1 工程概况
主桥采用独塔单索面预应力混凝土斜拉桥，总长160m，桥面以上塔高53.0m，塔柱纵向中距3.3m。斜拉索在主梁上标准索距6.5m，主塔上1.8m，桥面宽25.4米。斜拉桥边墩墩顶处支座采用纵向无约束支座形式，梁塔采用固结形式联结。
主梁单箱三室斜腹板截面，箱梁顶宽25.16m，底板宽15.0m，悬臂长4.0m，箱梁对称中心线处梁高2.8m。标准箱梁顶板厚0.28m，底板厚0.25m，外腹板厚0.3m，中腹板为直腹板，厚0.40m。斜拉索为单索面体系，主梁上索距6.5m，主塔上索距1.8m，全桥斜拉索共有9对，18根。索塔为钢管混凝土结构；索塔总高自桥面起为53m。主塔墩采用圆台形结构，顶面半径2.75m，底面半径3.5m。转体施工用设备均布在承台上，承台下布置7根φ1.8m的钻孔灌注桩，呈梅花形布置，桩长40m。待转体完成后，将主墩与承台固结，形成塔墩梁固结形式。
2 技术标准
荷载：城—A级；地震烈度：7度；风速： 31.7m/s；桥面路幅宽度：0.6m（护栏）+3.0m（人行道）+8.0m（车行道）+2.2m（索锚区）+ 8.0m（车行道）+ 3.0m（人行道）+ 0.6m（护栏）=25.4m；桥面纵坡：±2.5%；桥面横坡：行车道±1.5%；
3 整体结构分析
对桥梁主体结构，利用Midas civil进行结构建模计算，模型中采用桁架单元模拟斜拉索，采用实体梁单元模拟主梁结构。梁与索，索与塔之间采用刚性连接进行边界模拟。全桥模型共有160个单元，170个节点。本模型主要分析在考虑施工阶段的情况下，主桥在正常使用极限状态下以及承载能力极限状态下的受力特性。模型主要计算的荷载形式包括桥梁的自重以及二期荷载，移动荷载，温度荷载，风荷载等可变荷载。所建立的模型如图1所示。
图1 主桥模型图
3.1 荷载组合
参考城市桥梁设计规范以及桥梁通用设计规范，利用承载能力极限状态组合计算成桥荷载。分别考虑长期组合、短期组合以及标准组合三种荷载组合工况。考虑荷载包括恒载、二期、预应力、系统温度、温度梯度以及混凝土收缩徐变。短期组合温度梯度取0.8，风载取0.75；长期组合人群取0.4，温度梯度取0.8；标准组合及其余系数均为1.
3.2 正常使用极限状态裂缝验算
查阅规范，主桥在正常使用情况下的抗裂性能应按照部分预应力A类进行计算，经过计算得到正应力在短期组合下为-0.12，容许应力1.76；主应力1.836，容许应力1.840。正应力在长期组合下-0.134，容许应力0。主梁主拉应力在短期组合下略超过规范允许值。查看应力图发现，超标位置发生在靠近索塔处未设置斜拉索的区域，独塔斜拉桥存在一定扭转效应，考虑该处超限主要是扭转引起的。
计算结果表明，采用平面杆系进行结构分析时，主梁最大主拉应力在只考虑剪切单独作用的情况下数值为0.33Mpa，在规范允许范围内。当共同考虑剪切和扭转作用并计入剪扭的情况下，主拉应力会略微超过规范的允许范围。主梁最大正弯矩发生在靠近主塔最近的拉所处，此处支座负弯矩相对较大，设计时应予以足够的重视。
3.3 第一次调索
第一次张拉调索的目标是使大悬臂状态位移小于0.001m。初次估索可以按CS2中的临时支撑反力除以索的sin值来反求索力，最后在施工阶段分析控制中把最终施工设置为CS4。
调整后，发现1～3号索，1t的索力会引起该索锚固点1mm的位移变化，同时对附近节点位移影响也很大，而6，7号索的节点位移对其他索的索力变化不敏感，类似虚铰，而8，9号索，则要10t的索力变化才能产生1mm的位移变化，而且对其他节点影响不大。按这个规律就可以很快把位移调整好。
3.4 第二次调索
第二次调索的主要目的是配合预应力刚束的作用，使全桥能通过运营阶段和承载能力的检算，而其中抗裂性又是控制因素。预应力刚束的主要作用是承受运营活载，可以以此为目标先初步配束，然后，第二次张拉索力设为第一次张拉的1/4，根据短期组合的应力状态，重新调整预应力刚束，预应力刚束调整后，根据位移状态再调整第二次张拉索力，整个过程比较烦琐。
4 结论
（1）本桥为一次性支架现浇，分批张拉，脱架再转体的方法，支架只在索梁连接点与主梁接触，只能手工调索。
（2）对主梁受力分析，主梁抗裂在规范允许范围内。
（3）主拉应力在考虑剪扭共同作用下，会超过规范允许范围，此时可以利用增大截面尺寸的方法增加抗扭刚度来改变受力。
（4）第一次调索以零位移为目的，第二次调索需要同时调整应力、位移，难点在于预应力钢束的设计。
参考文献
[1] 斜拉桥[M].人民交通出版社， 1994.
[2] 肖汝诚，项海帆. 斜拉桥索力优化的影响矩阵法[J]. 同济大学学报： 自然科学版， 1998， 26（3）： 235-240.
[3] 颜东煌.斜拉桥合理设计状态确定与施工控制 [D][J]. 湖南大学博士学位论文， 2001， 3.
【关键词】独塔单索面斜拉桥；调索
引言
斜拉桥按其桥塔的数目一般分为独塔式、双塔式和多塔式。独塔斜拉桥具有跨越性强的优点，可以跨越中小河流，使用最为广泛。
本文通过有限元分析软件Midas Civil 2015对一座独塔单索面预应力混凝土斜拉桥进行计算，对其主要受力特点进行分析，为此类斜拉桥的设计提供参考。
1 工程概况
主桥采用独塔单索面预应力混凝土斜拉桥，总长160m，桥面以上塔高53.0m，塔柱纵向中距3.3m。斜拉索在主梁上标准索距6.5m，主塔上1.8m，桥面宽25.4米。斜拉桥边墩墩顶处支座采用纵向无约束支座形式，梁塔采用固结形式联结。
主梁单箱三室斜腹板截面，箱梁顶宽25.16m，底板宽15.0m，悬臂长4.0m，箱梁对称中心线处梁高2.8m。标准箱梁顶板厚0.28m，底板厚0.25m，外腹板厚0.3m，中腹板为直腹板，厚0.40m。斜拉索为单索面体系，主梁上索距6.5m，主塔上索距1.8m，全桥斜拉索共有9对，18根。索塔为钢管混凝土结构；索塔总高自桥面起为53m。主塔墩采用圆台形结构，顶面半径2.75m，底面半径3.5m。转体施工用设备均布在承台上，承台下布置7根φ1.8m的钻孔灌注桩，呈梅花形布置，桩长40m。待转体完成后，将主墩与承台固结，形成塔墩梁固结形式。
2 技术标准
荷载：城—A级；地震烈度：7度；风速： 31.7m/s；桥面路幅宽度：0.6m（护栏）+3.0m（人行道）+8.0m（车行道）+2.2m（索锚区）+ 8.0m（车行道）+ 3.0m（人行道）+ 0.6m（护栏）=25.4m；桥面纵坡：±2.5%；桥面横坡：行车道±1.5%；
3 整体结构分析
对桥梁主体结构，利用Midas civil进行结构建模计算，模型中采用桁架单元模拟斜拉索，采用实体梁单元模拟主梁结构。梁与索，索与塔之间采用刚性连接进行边界模拟。全桥模型共有160个单元，170个节点。本模型主要分析在考虑施工阶段的情况下，主桥在正常使用极限状态下以及承载能力极限状态下的受力特性。模型主要计算的荷载形式包括桥梁的自重以及二期荷载，移动荷载，温度荷载，风荷载等可变荷载。所建立的模型如图1所示。
图1 主桥模型图
3.1 荷载组合
参考城市桥梁设计规范以及桥梁通用设计规范，利用承载能力极限状态组合计算成桥荷载。分别考虑长期组合、短期组合以及标准组合三种荷载组合工况。考虑荷载包括恒载、二期、预应力、系统温度、温度梯度以及混凝土收缩徐变。短期组合温度梯度取0.8，风载取0.75；长期组合人群取0.4，温度梯度取0.8；标准组合及其余系数均为1.
3.2 正常使用极限状态裂缝验算
查阅规范，主桥在正常使用情况下的抗裂性能应按照部分预应力A类进行计算，经过计算得到正应力在短期组合下为-0.12，容许应力1.76；主应力1.836，容许应力1.840。正应力在长期组合下-0.134，容许应力0。主梁主拉应力在短期组合下略超过规范允许值。查看应力图发现，超标位置发生在靠近索塔处未设置斜拉索的区域，独塔斜拉桥存在一定扭转效应，考虑该处超限主要是扭转引起的。
计算结果表明，采用平面杆系进行结构分析时，主梁最大主拉应力在只考虑剪切单独作用的情况下数值为0.33Mpa，在规范允许范围内。当共同考虑剪切和扭转作用并计入剪扭的情况下，主拉应力会略微超过规范的允许范围。主梁最大正弯矩发生在靠近主塔最近的拉所处，此处支座负弯矩相对较大，设计时应予以足够的重视。
3.3 第一次调索
第一次张拉调索的目标是使大悬臂状态位移小于0.001m。初次估索可以按CS2中的临时支撑反力除以索的sin值来反求索力，最后在施工阶段分析控制中把最终施工设置为CS4。
调整后，发现1～3号索，1t的索力会引起该索锚固点1mm的位移变化，同时对附近节点位移影响也很大，而6，7号索的节点位移对其他索的索力变化不敏感，类似虚铰，而8，9号索，则要10t的索力变化才能产生1mm的位移变化，而且对其他节点影响不大。按这个规律就可以很快把位移调整好。
3.4 第二次调索
第二次调索的主要目的是配合预应力刚束的作用，使全桥能通过运营阶段和承载能力的检算，而其中抗裂性又是控制因素。预应力刚束的主要作用是承受运营活载，可以以此为目标先初步配束，然后，第二次张拉索力设为第一次张拉的1/4，根据短期组合的应力状态，重新调整预应力刚束，预应力刚束调整后，根据位移状态再调整第二次张拉索力，整个过程比较烦琐。
4 结论
（1）本桥为一次性支架现浇，分批张拉，脱架再转体的方法，支架只在索梁连接点与主梁接触，只能手工调索。
（2）对主梁受力分析，主梁抗裂在规范允许范围内。
（3）主拉应力在考虑剪扭共同作用下，会超过规范允许范围，此时可以利用增大截面尺寸的方法增加抗扭刚度来改变受力。
（4）第一次调索以零位移为目的，第二次调索需要同时调整应力、位移，难点在于预应力钢束的设计。
参考文献
[1] 斜拉桥[M].人民交通出版社， 1994.
[2] 肖汝诚，项海帆. 斜拉桥索力优化的影响矩阵法[J]. 同济大学学报： 自然科学版， 1998， 26（3）： 235-240.
[3] 颜东煌.斜拉桥合理设计状态确定与施工控制 [D][J]. 湖南大学博士学位论文， 2001， 3.