斜拉桥拱形钢桥塔受力分析与设计

随着现代城市的快速发展,人们对城市斜拉桥的景观要求越来越高,拱形钢桥塔由于其造型优美、节能高效、绿色环保的优势而被广泛采用,但国内相关研究相对较少。而拱形钢桥塔的受力参数、整体稳定形、局部稳定性和极限承载力是设计中考虑的关键问题。

本文首先阐述了钢桥塔的国内外应用和研究状况,对拱形钢桥塔的受力特点和存在的问题进行了梳理。以某工程项目作为研究背景,计算分析了该斜拉桥拱形桥塔在不同荷载下的受力特性,以清晰该形式桥塔的受力形式及设计中需要着重关注的部位。

分析表明该桥的拱形钢桥塔的力学性能良好,能够满足正常使用要求。然后通过调整桥塔截面尺寸、塔柱壁板厚度、横梁尺寸、拉索初拉力和桥塔锚固区位置的参数,研究这些参数的变化对桥塔的静力和弹性稳定性的影响。

分析表明桥塔截面尺寸与横梁尺寸、初拉力和锚固区位置相比对桥塔的应力影响较大,随着桥塔截面尺寸减小桥塔应力有明显增大的趋势,且截面尺寸变化与桥塔应力变化近似反比例关系。同时截面尺寸及壁板厚度引起的桥塔刚度变化和拉索初拉力变化对斜拉桥弹性稳定影响较大,横梁尺寸和锚固区位置对斜拉桥稳定性影响较小。

针对拱形钢桥塔的局部稳定问题,首先阐述了受压加劲板的计算理论,对比了各国规范关于加劲板的设计及极限承载力计算方法,建立了ABAQUS板单元模型进行极限承载力模拟分析。结果表明相对弯曲度较小的加劲板,可视为初始几何缺陷平直板,存在屈曲后的强度,其极限承载力接近与平直板,应按照平直板的翘曲稳定系数进行极限承载力计算;而对于相对弯曲度较大的板件,其极限承载

力折减程度较大,面内弯曲的加劲板的翘曲稳定系数随着相对弯曲度的增大而线性减小,面外弯曲的加劲板翘曲稳定系数随这相对弯曲度的增大而趋于一定值。

最后对比并运用各国钢桥规范分析计算了桥塔节段的极限承载力,尽管方法上有所差别,但结果相差不大,其中我国新规范计算结果与有限元结果最为接近。研究表明拱形钢桥塔的设计不仅要按照规范要求还应该考虑其相对弯曲度进行设置横隔板,通过优化研究案例中的塔柱设计,依然具有较好的力学性能,提高了截面利用效率和经济性。