斜拉桥设计计算参数分析

斜拉桥设计计算参数分析
摘要: 在斜拉桥的设计中，除对塔、梁、索的构造形式及尺寸的选取外，主要的总体设计参数有主梁的中边跨跨径比、跨高比、跨宽比、宽高比和主塔的有效跨高比以及主梁的温度变化、混凝土收缩徐变，这些参数将直接对斜拉桥的结构性能产生影响，故有必要通过统计已建斜拉桥的设计资料，对上述参数的选用给出一总体认识。

关键词:斜拉桥;设计参数;
1 概述
斜拉桥属高次超静定结构,所采用的施工方法和安装程序与成
桥后的主梁线形、结构内力有着密切的联系。

并且在施工阶段随着斜拉桥结构体系和荷载状态的断变化,主梁线形和结构内力亦随之不断发生变化。

因此,需对斜拉桥的每一施工阶段进行详尽的分析、验算,从而求得斜拉索张拉吨位和主梁挠度、主塔位移等施工控制参数,并依此对施工的顺序做出明确的规定,并在施工中加以有效
的管理和控制。

2 设计参数分析
2.1 主梁的中、边跨跨径比主梁的中、边跨跨径比反映了结构体系的变形特性和锚索的抗疲劳性能：
从图1、图2可见，三跨钢斜拉桥的中边跨跨径比较多地位于2．0～3．5之间，集中在2．5处；三跨混凝土斜拉桥的相应数值则为1．5～3．0，较集中于2．2处。

就一般而言，中、边跨跨径
的比值大于2．0，将能控制锚索的应力幅度在一定的范围内，并提高结构体系的总体刚度。

在许多斜拉桥中，虽然中、边跨跨径的比值较小，但边跨中往往采用设置辅助墩或将主梁与引桥连接形成组合体系以提高结构刚度，适应结构的变形要求。

2.2 主梁自重分析
选取某斜拉桥桥5号、9号梁段(见图3)，各自增重5 %(其它参数取理论值) ,分别计算得到在浇筑完5号、9号梁段后各控制点挠度及主梁控制截面弯矩变化情况，见图3 、图4 。

图3：主梁自重增大5 %的梁段挠度影响图4：主梁自重增大5 %的梁段弯矩影响
从图3 、图4可见,梁段自重对控制点挠度的影响较大,且悬臂越大,影响越明显。

梁段自重对控制点弯矩的影响更加不容忽视, 9 号梁段自重增大5 %,导致6 号梁段的弯矩值增加至1 200 kn ·m ,达到合理成桥状态下该截面弯矩值的7 %。

2.3 主梁弹性模量分析
选取该桥5号、9号梁段弹性模量增大10 %(其它参数取理论值) ,分别计算得到在浇筑完9号梁段后主梁控制截面弯矩变化及各控制点挠度影响情况，见图5 、图6 。

图5：主梁弹性模量增大10%的梁段弯矩影响图6：主梁弹性模量增大10%的梁段挠度影响
从图5 、图6 可见,主梁混凝土弹性模量增大10 %时,控制点挠度变化的最大值仅为1 mm ,弯矩变化的最大值也只有220 kn ·m。

与主梁部分梁段自重增大5 %的情况相比,该影响是很小的。

2.4 温度变化分析
在斜拉桥施工过程的两类温度影响中,年温差的周期性季节影响,一般假定在结构内各处以均值变化;局部温差影响,主要是指日照等因素因作用程度差异而导致各部分的温度变化不均匀。

2.4.1 年温差分析
年温差也称为季节温差,它对该斜拉桥挠度和弯矩的影响(有关数据分析按照结构各部位均匀升温24 ℃考虑,见图7) ,从图7 可以看出,温度升高会使主梁上拱,使其上缘受拉、下缘受压,但由此而产生的挠度和弯矩都不大。

图7：全桥均匀升温24 ℃时主梁挠度、弯矩变化
2.4.2 局部温差分析
在日照作用下,斜拉桥温度场的变化比较复杂,各部分结构对温度的敏感程度存在重大差异。

斜拉索由钢绞线制成,横截面较小,虽温度变化相对均匀,但温度敏感程度较高;主梁和主塔的温度场分布复杂,由于横截面较大和构成梁塔的混凝土的导热系数较小,梁塔内温度变化随大气温度变化表现出明显的滞后性,受光表面和构件内部呈现出较大的温度梯度[3 ]。

假设主梁上下缘温差为±5 ℃,索梁温差为±10 ℃,主塔前后缘温差为±10 ℃,3种非均匀温度变化共同作用下,对该斜拉桥的影响见图8。

图8：非均匀温度变化产生的主梁挠度、弯矩包络图
从图8 可知,温度变化的影响,非均匀温度要远大于均匀温度。

塔梁固结处的位移没有变化,但是该处的弯矩变化最大值达到了
-13143 kn ·m ,主梁各节段挠度变化的最大值也达到了17.4 mm。

由此可见,局部温差较年温差的影响更为显著。

虽然局部温差的变化十分复杂,实际很难加以准确计算,但不同温差对主梁挠度和
弯矩的影响是各有侧的。

因此,合理地确定梁段安装时间,可以很好地避开昼夜温差的影响;如果条件允许,那些对结构受力有显著
影响的重要施工工序应尽量安排在结构处于均匀温度状态下进行。

同时,施工过程中的测量工作也应在这种稳定状态下进行。

2.5混凝土收缩徐变分析
目前大多数的预应力混凝土桥梁,在其施工过程中,由于混凝土龄期短、收缩徐变对桥梁各方面都有一定影响。

但鉴于目前桥梁结构型式多、架设方法也各有不同,因此对收缩徐变的影响不能一概而论。

特别是对于预应力混凝土斜拉桥,其外部的斜拉索并不会发生收缩徐变现象,主梁在架设过程中的收缩徐变的影响必须经过计算才能做出判断。

收缩徐变效应对跨中挠度、弯矩的影响见图9 。

从图9 可见,斜拉桥的混凝土收缩徐变效应对跨中挠度和弯矩的影响均较大,不容忽视。

而且这一影响在桥梁竣工以后相当长的一段时间内有加剧的趋势。

5 年以后因收缩徐变效应引起的跨中弯矩的变化值为15 750 kn ·m。

图9：收缩徐变效应对跨中挠度、弯矩
2.6荷载冲击系数的影响
图10结出了几个国家的冲击系数曲线。

由此可见各国对冲击系
数的规定仍然相差很大。

特别是我国，冲击系数偏小。

另外世界各国都有很多旧桥需要维修和评估其承载能力。

需要一个比较精确又方便的冲击系数计算办法。

因此，车辆冲击系数的研究目前仍在很多国家进行，如美国、加拿大、日本、澳大利亚等。

图10 :各国冲击系数比较
3 长大跨斜拉桥总体设计参数的选用以下表11列出了主跨跨径超过600m的已建和拟建斜拉桥的总体设计参数。

从表11可以看出，主粱结构多为钢结构或结合梁混合结构，主梁的中边跨跨径比为2．0～3．3，边跨长相对都取得较长，并设有辅助墩；主梁的跨高比普遍较大，由最小的l79到最大的330，主梁结构显得更加柔细；主梁的跨宽比或许受结构抗风性能的影响，仍以分别小于30、大于10的居多；主塔跨高比在4．6左右，并以倒y形或a形塔居多。

4 结语
通过上述结构参数分析说明, 主梁的中、边跨跨径比、梁体自重、非均匀温度变化、混凝土的收缩徐变效应,都是斜拉桥的重要设计参数;而梁体的弹性模量、均匀温度变化,则属于一般设计参数。

(1) 临时荷载的堆放相当于增加某梁段的自重。

故对于混凝土浇筑泵等较大的临时荷载,一定要注意其堆放时间和位置;拆除当前梁段的支架前,一定要首先撤除重型临时荷载。

(2)斜拉桥施工过程中,条件允许时,每梁段混凝土浇筑时间宜
选在温度相对较低、气温较稳定的夜晚,尽量避开非均匀温度变化的影响。

(3) 主梁的跨高比、跨宽比都有增大的趋势，如何构筑一个合理的结构形式，以提高斜拉桥的总体性能是急待解决的问题。

注：文章内所有公式及图表请用pdf形式查看。