【分享】矮塔斜拉桥和连续刚构计算模型的对比验

本文介绍了两桥模型数据的说明及建模过程，对矮塔斜拉桥与连续刚构主梁受力的异同点进行了讨论,并提取相关计算结果。


0引言
　　对矮塔斜拉桥与连续刚构主梁受力的异同点讨论并提供结果的同时,还要验证两模型的正确性,列举出相同计算工况下两模型部分计算结果,进行部分控制截面的内力数据对比与分析。
　　1数据说明
　　1.1连续刚构数据说明
　　连续刚构模型采用用82.5m+128.5m三跨不等高箱形截面布置。
　　主梁结构:采用C40混凝土,为单箱三室大悬臂斜腹板箱梁,支点梁高3.8m,跨中梁高2.4m,梁高按二次抛物线变化,箱梁顶板宽26m,底板宽16m~17m,顶板厚0.45m,底板厚0.25m~0.45m,边腹板厚0.51m,中腹板厚0.3m,边室净宽7.45m,中室净宽1.5m。
　　桥墩:高度为44.5m,采用C40混凝土,实心矩形截面。
　　1.2矮塔斜拉桥数据说明
　　矮塔斜拉桥为80.8m+132m+80.8m三跨不等高箱形截面布置。
　　主梁结构:采用C40混凝土,为单箱三室大悬臂斜腹板箱梁,支点梁高3.8m,跨中梁高2.3m,梁高按二次抛物线变化,箱梁顶板宽26m,底板宽16m～17m,顶板厚0.4m~0,5m,底板厚0.3m~0.5m,边腹板厚0.5m,中腹板厚0.3m,边室净宽7.45m,中室净宽1,5m,斜拉索布置在中室。
　　主塔结构:塔高16.5m,采用实心矩形截面,塔根部顺桥向长3m,横桥向宽1.7m,布置在中央分隔带上,塔上部设有鞍座,以便拉索穿过。鞍座采用双套管结构。外钢管埋设于混凝土塔内，内钢管置于外钢管内,斜拉索从内钢管穿过,双套管采用圆弧形，弯曲半径4m。施工完成后,在内钢管压人高标号环氧水泥浆，并在塔两侧设抗滑锚头，这烊可以防止斜拉索滑动,同时可以更化斜拉索。
　　斜拉索:斜拉索为单索面,布置在中央分隔带上,顺集中布置在梁体的L/3跨度附近,梁上索间距4m,塔上索0.7m。塔根部有约50m的无索区段,边跨及中跨均有一定长无索区段。桥墩:采用C40混凝土,R=3m的实心圆柱形桥墩。
　　2计算模型比较
　　2.1矮塔斜拉桥计算模型
　　2,1.1单元的划分
　　绘制矮塔斜拉桥的杆件图

主梁单元划分:采用悬臂浇筑法施工,0号节段长12m,在墩旁托架上现浇,1号、2号节段长3.5m,3号~15号节段长4m,均在挂篮上悬臂浇筑,合龙段长2.0m,每个节段为一个单元。
　　2.1,2指定拉索初张力
　　根据金属热胀冷缩的原理,对拉索单元指定温度荷载,通过降低温度,使拉索便短,来模拟拉索对主梁和桥塔存在的拉力。
　　2.1.3计算工况确定
　　静力荷载工况
　　即主梁、塔、索、墩的自重荷载。混凝土的容重为24kN/m3,钢的容重为78kN/m3,按实际荷载取值。
　　活载工况
　　定义车道荷载:按照公路I级计算,为双向六车道,车道宽度取3.5m,均布力qk=10.5kN/m,集中力Pk=360kN;横向折减系数取0.55。
　　人群荷载:人群荷载标准值取3.5kN/m2。
　　（3)工况组合


主梁单元:梁体采用悬臂浇筑法施工,0号节段长13m,1~3号节长4m,4~13号节段长4.5m,合龙段长1.5m,边跨部分有支架现浇梁体长17.5m=(7*2.5)。每个节段划分为一个单元。计算工况的确定
　　（1）静力荷载工况即主梁,墩的自重荷载。混凝土的容重为24kN/m3,均按实际荷载取值；
　　（2）活载工况
　　车道荷载一按照公路I级计算,布置双向六车道, 车道宽度为3.5m，qk=10.5Kn/m,Pk=360Kn;横向折减系数取0.55。
　　人群荷载 -人群荷载标准值取3.5kN/m2。
　　（3）工况组合


通过手工计算得出,主梁弯曲应力最大压应力为8.712MPa,最大的拉应力为-2.1MPa,塔的最大压应力值7.854MPa,桥墩最大压应力值为10.94MPa。满足部分预应力A类的设计要求。
　　（3)模型的正确性
　　总体来说模型的变形图曲线比较合理,应力计算符合要求,跨中挠度为19.64cm,接近实际工程。故可认定模型比较准确。
　　3.2连续刚构模型的验证
　　连续刚构桥的变形图


通过手工计算得出,主梁弯曲应力最大压应力为10.22MPa,最大的拉应力为-2.6MPa,桥墩最大压应力值为5.99MPa。满足部分预应力A类的设计要求。
　　（3)模型的正确性
　　总体来说模型的变形图曲线比较合理,应力计算符合要求,跨中挠度为22.03cm,可认定模型基本准确。
　　4静力荷载工况下部分计算结果比较
　　4.1矮塔斜拉桥
　　主梁弯矩


注:L表示截面到左侧梁端的距离,单位以m计
　　结果分析:
　　由于重力作用,主梁边跨承受正弯矩,并且在L=17.8m处达到最大,为M=70129.21（kN?m),然后边跨的正弯距开始逐渐减小，在L=39.7m。左右减小为0。自此,边跨梁开始承受负弯矩并且迅速增长,塔根右侧负弯距最大,为M=275892.67（kN.m）。以上表所列出的截面为例,把L=43.8m的负弯距设为1,后面6个截面分别是此截面的2.79、4.13、7.32、12.37、18.53、20.21倍。
　　塔根左右两侧负弯距差值为22827.48（kN.m）,这是因为此矮塔斜拉桥是塔墩梁固结结构,桥塔及桥墩也承受了部分弯矩。
　　中跨弯矩由塔根的最大负弯距开始逐渐减小,在L=115m左右减小为0,变为承受正弯矩,在跨中达到最大M=122589.67（kN.m）。。跨中最大正弯距占塔根最大负弯距的44.4%。
　　主梁轴力
　　主梁单元轴力分析:
　　轴力分布位置:除边跨无索区段无轴力分布外,其余主梁单元均存在轴力。主梁单元轴力的大小可以看是斜拉索的索力在主梁上的投影(即斜拉索索力在水平方向上的分力)。每一段梁轴向的力均和斜拉索的索力和与主梁所成的夹角有关。
　　拉索轴力
　　拉索轴力分析:
　　a.直观上,每根拉索的索力是在承担相邻两主梁单元的部分自重,但是具体数值由梁体单元的自重和索梁单元的夹角决定。换句话说,相邻两拉索单元间的主梁单元的自重,由相邻两根拉索承担,具体数值的分配业要依赖于索梁单元的夹角。
　　b.数值上,与梁体相交的索端轴力要比与桥塔相交的索端轴力小,数值约为10KN。这是因为拉索单元也有重量,与桥塔相交的索端比与梁体相交的索端要多承担拉索单元的自重。
　　桥塔轴力
　　桥塔单元轴力分析:
　　桥塔自重和斜拉索索力提供的竖向分力都会使桥塔承受压力。桥塔轴力图中,设置拉索相邻两桥塔单元,轴力存在突变,就是拉索索力的竖向分造成的。
　　塔顶8段桥塔单元只承受单元自重产生的轴力,以下每段桥塔单元都要承受本段单元自重及上面所有桥塔单元的自重和所有拉索索力的竖向分力。例:8~7段单元要承受塔顶~8段、8~7段桥塔单元的自重和8号拉索索力的竖向分力。
　　桥墩轴力
　　桥墩单元轴力分析:
　　桥墩要承担全部主梁单元、桥塔单元、拉索单元及桥墩的自重,当有活载作用时,还要承担全部活载,然后把这些荷载全部传递给墩台基础。
　　桥墩最大压应力值为10.舛MPa。满足部分预应力A类的设计要求。
　　挠度
　　许多因素会影响桥梁的后期变形,如:混凝土收缩徐变、主梁刚度的变化、纵向预应力的有效丿l±降低、预拱度设置偏差、汽车活荷载长期效应的影响、施工质量与管理等。
　　4.2连续刚构


结果分析:
　　a.由于重力作用,主梁边跨承受正弯矩,并且在L=27.5m处达到最大,为M=89218.01（kN.m）,然后边跨的正弯距开始逐渐减IH ,在L=525m。左右减小为0。自此,边跨梁开始承受负弯矩并且迅速增长,塔根右侧负弯距最大,为M=314500.41（kN.m）。
　　b.在L=80与L=85截面左右两侧负弯距存在差值,这是因为此桥桥墩指定约束为固定端,墩梁固结属刚性连接,可以传递弯矩,故桥墩也承受了部分弯矩。
　　c.中跨弯矩由塔根的最大负弯距开始逐渐减小,在L=111m左右减小为0,变为承受正弯矩,在跨中达到最大M=145287.87（kN.m）。跨中最大正弯距占塔根最大负弯距的46,2%。桥墩单元轴力分析:
　　a.柱式桥墩的结构特点是由分离的两根或多根立柱(或桩柱)所组成,是桥梁中采用比较多的一种桥墩形式。它的外形美观,圬工体积少,而且重量较轻。
　　b。桥墩要承担全部主梁单元及桥墩的自重,当有活载作用时,还要承担全部活载,然后把这些荷载全部传递给墩台基础。桥墩最大压应力值为5.99MPa,符合设计要求。挠度分析:
　　a.挠度产生的原因:许多因素会影响大跨径连续刚构桥的后期变形,如混凝土收缩徐变、主梁刚度的变化、纵向预应力的有效性降低、竖向接缝质量对后期变形的影响、预拱度设置偏差、汽车活荷载长期效应的影响、施工质量水平不高,管理不完善等。
　　b.控制主梁跨中下挠的对策:在设计上,保证梁有足够的正截面强度和斜截面强度;施工控制上,采用预抛高的方法控制大跨径连续刚构的线形;在施工上,要控制混凝土的坍落度在Igcm以内,尽可能的延长混凝土加载龄期.预应力管道定位一定要准确,确保建立足够的预应力;在运营管理上,应严格控制车辆的超速和超载,对大桥进行定期检测,并建立桥梁检测档案,密切注视桥梁的使用情况。
　　4.3数据对比分斫
　　以组合一为例,重要截面数据列表如下:


5结语
　　本文选择了两座相似程度较高的连续刚构桥和矮塔斜拉忏。通过结构分析建立模型,成桥状态下的静力计算,进行平面结构有限元分析。计算出截面的轴力、弯矩等内力后,分别在相同的计算工况下进行比较, 矮塔斜拉桥的优越性为：
　　（1）主梁弯矩能够了显著减小
　　主梁最大负弯矩，矮塔斜拉桥为-275892.67（kN.m），连续刚构为-314500.41（kN.m），矮塔斜拉桥为连续刚构桥的87.72%。
　　跨中最大正弯矩:矮塔斜拉桥为122589.67（kN.m）,连续刚构为145287.87（kN.m）,矮塔斜拉桥为连续刚构桥的80.03%。
　　能充分发挥混凝土材料性能
　　矮塔斜拉桥主梁轴力较大,仅边跨无索区段没有轴力,轴力位置分布均匀,有利于发挥混凝土材料的受压特性,连续刚构桥轴力为0,混凝土材料善于承受压力的性能并没有体现。
　　（3)跨中挠度显著减小。
　　矮塔斜拉桥跨中截面挠度为19.72cm,连续刚构跨中截面挠度为22.03cm,矮塔斜拉桥为连续刚构桥的89..51%。
　　通过比较，显而易见,矮塔斜拉桥比连续刚构桥承受的弯矩显著减小,挠曲变形较小,能够充分发挥材料的自身的性能,充分保证了结构安全。同时说明矮塔斜拉桥的发展必将填补我国刚性梁桥型与柔性梁桥型之间的空自,为桥梁事业的发展提供更为广阔的发展空间。






=============================

132m+264m+132m双塔双索面漂浮体系斜拉桥竣工图236张（知名大院 变截面箱梁）
跨江大桥引桥25m现浇连续箱梁桥竣工图339张（纵向预应力）
[地标建筑]双塔斜拉桥附属工程竣工图109张
二建《公路工程》全科保过班套餐
二级建造师名师通关方案[工程法规+施工管理+公路实务]
一级建造师保过直通方案[法规+经济+管理+公路]