某高速公路双塔斜拉桥成桥状态与断索工况有限元数值模拟分析

摘 要：大跨度斜拉桥是跨越深沟峡谷的山区桥梁常见的结构型式之一。文章为研究斜拉桥运营状态下断索后结构响应变化的情况，以某高速公路大跨度双塔斜拉桥为工程背景，利用有限元软件对成桥索力和断索工况进行了计算分析，结果表明：基于弯曲能最小法得到双塔斜拉桥成桥索力，索力由近塔处向远塔处逐渐增大，整体分布较为均匀；根据断索时索力整体变化情况，建议拉索设计时边索安全系数应适当提高，双塔斜拉桥在进行断索计算时应重点关注中跨长拉索断裂工况。此外，实桥中应避免断2根拉索以确保足够的安全储备。

关键词：山区桥梁；双塔斜拉桥；有限元软件；合理成桥状态；断索工况

中图分类号：U448.27

0 引言

双塔斜拉桥是大跨度桥梁的重要组成部分。相比于连续刚构、拱桥，双塔斜拉桥跨越能力更大，结合桥位地形地质能够应用于200～1 200 m跨度桥梁当中，相比于大跨度悬索桥，双塔斜拉桥的抗风稳定性更优，并且不需要大尺寸锚碇克服主缆拉力，同时塔梁受力明确、整体景观性较好、施工工艺成熟等，21世纪以来得到了广泛的应用。

双塔斜拉桥发展初期主要由疏索体系组成，主梁以压弯为主，整体截面较大且造价高，随着斜拉桥设计方法的不断成熟，双塔斜拉桥逐步由疏索体系向密索体系转变，拉索和主梁受力更为明确，结构更加美观轻盈。拉索是密索体系斜拉桥的关键构件，也是近年来相关学者研究的热点。戴杰等［1］系统研究了斜拉桥成桥索力分析方法并对索力优化进行了深入探索；刘兆丰等［2］以甬江特大斜拉桥为研究对象，对拉索位置、数量和索力情况进行了室内模型试验研究；仇发［3］借助ANSYS软件，从应变能角度对赣江二桥施工过程合理索力控制进行了计算分析；刘精山［4］探讨了国内外双塔斜拉桥施工监控技术的发展过程，结合实际工程建立了一套考虑有限元修正的施工控制系统并对索力进行了监测分析；陈一赫等［5］基于RSM响应面法对安徽六安市某双塔斜拉桥索力及其参数敏感性进行了分析。目前针对斜拉桥拉索的相关研究主要聚焦于拉索设计、索力优化、索力监测等方面，对于拉索本身的损伤，尤其是断索前后结构响应的变化研究相对缺少。近年来，恶劣天气出现的概率明显增加，对于沿海及山区峡谷大跨度桥梁运营安全性分析研究较为重要。本文基于某山区高速公路320 m大跨度双塔斜拉桥为工程背景，研究了拉索在断索工况下的受力变化，以期提高相关设计人员对双塔斜拉桥结构设计与计算分析的全面认识。

1 工程背景

某高速公路主跨跨越深沟峡谷，桥面至深沟设计水位高210 m，沟谷两岸地势起伏较大，经桥型方案比选，根据地形特征，此处不宜设置拱桥，此外两岸跨度＞300 m，超过连续刚构适宜跨度范围，因此主桥采取（130+325+130）m双塔斜拉桥方案，边主跨比为0.41，距边支点48 m处设置辅助墩以改善结构受力性能，桥塔整体高度分别为198 m和159 m，桥塔采用花瓶形，边中跨主梁采用预应力双主梁形式，桥面总宽为36 m，设计速度为80 km/h，按照双向六车道设计，设计荷载为公路-Ⅰ级。引桥采用40 m装配式T梁，简支桥面连续，主桥桥型布置图如图1所示。

主梁中心高度为3.5 m，单侧拉索区宽度为1.5 m，主梁和桥塔混凝土强度标号分别为C55和C50，边支点至辅助墩在箱梁内按照30 t/m灌入铁砂混凝土压重，根据拉索锚固位置按照拉索在主梁上的间距设置横隔板，单侧桥面一个桥塔处共设置24对拉索，边跨拉索根据桥塔至边支点方向依次按照S1～S24进行编号，中跨拉索按照桥塔至跨中方向依次按照M1-M24进行编号，拉索采用s15.2镀锌钢绞线，双塔斜拉桥各构件材料力学性能指标按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362-2018）进行选取［6］，拉索布置如图2所示。

2 合理成桥状态分析

2.1 有限元模型

该桥为半漂浮体系，未设置0号拉索。主要施工过程为：桥塔施工、主梁和拉索施工和中跨合龙成桥。考虑实际施工过程，主梁和桥塔采用梁单元模拟，拉索采用只受拉桁架单元模拟，桥塔底、塔梁相交处、交界墩和辅助墩按照实际约束情况对边界条件进行模拟，所建立的有限元模型如图3所示。全桥共653个节点、638个单元，建模时考虑拉索的非线性效应和塔梁混凝土收缩徐变效应。结合相近跨度斜拉桥拉索规格，在成桥索力确定前全桥拉索统一按照s15.2-61型镀锌钢绞线进行考虑，待索力确定后对钢绞线规格进行调整。活载考虑应急车道，按照八车道进行加载。

2.2 合理成桥状态

结合相关研究文献，本次采用弯曲能最小法确定合理成桥状态。合理成桥状态下斜拉桥表现为“塔直梁平”状态，即桥塔和主梁处受压状态，桥塔基本无偏位，主梁上下挠度较小。结合文献［7］，当EI→0或EA→∞时，斜拉桥一次落架的内力状态与调索目标为弯曲能最小时的内力状态一致。考虑结构自重和二期恒载，令成桥状态下拉索截面刚度增大1×104倍，求解得到一组索力，即弯曲能最小法模型对应索力，根据索力分布情况对突变处进行修正，然后将拉索刚度恢复成实际刚度，考虑车道荷载，输入修正后的索力，经计算分析后得到成桥状态下的实际索力分布，通过试算塔梁应力及变形满足要求，此时的成桥状态可认为是合理的。两处桥塔拉索索力相差不大，此处取高塔一侧边中跨拉索进行分析，以上计算过程的边中跨索力分布分别如图4和图5所示。

基于弯曲能最小法得到的实际成桥索力在辅助墩处出现波动，这与主梁在辅助墩处竖向刚度大，变形小有关，与端锚索一样对拉索起到一定的锚固作用。边跨和中跨拉索索力整体分布较为均匀，远离桥塔的拉索索力相对较大。

3 断索工况分析

根据成桥索力计算结果，对拉索规格进行调整，近塔处取37、43和55根镀锌钢绞线规格，远塔处取61和73根镀锌钢绞线规格。斜拉桥运营过程中，受拉索制造缺陷、疲劳损伤、极端气候等内外因素影响，实桥拉索可能出现断裂情况，按照《公路斜拉桥设计规范》（JTGT 3365-01-2020）相关要求［8］，换1根拉索期间，结构应满足强度要求。考虑边中跨第1、4、8、12、16、20、24及其相邻拉索分别断裂，以此分析断1根和2根拉索对索力变化的影响，如图6～9所示。

计算结果表明：（1）在断裂1根拉索时，相比于中间拉索，边索断裂对相邻索索力影响较大，边中跨24号拉索断裂时，23号索力均增加约10%，拉索安全系数由2.5降低至2.27，断1根拉索对拉索安全性影响较小；（2）在断裂2根拉索时，拉索索力分布均发生一定范围的变化，与边跨拉索相比，中跨拉索变化更为明显，拉索索力最大增幅约30%，发生在中跨M23-24号拉索断裂时的M22号拉索处，拉索安全性明显较低；（3）通过分析发现，断索发生时，全桥索力按照拉索刚度进行了重分布，断索附近索力均有所增加，远离断索位置的拉索索力有所降低，但索力的整体分布规律不会改变。

4 结语

本文以某高速公路（130+325+130）m双塔斜拉桥为工程背景，基于有限元软件对成桥索力和断索工况进行了计算分析，得出主要结论如下：

（1）基于弯曲能最小法得到了双塔斜拉桥成桥索力，索力由近塔处向远塔处逐渐增大，整体分布较为均匀。

（2）根据断索时索力整体变化情况，建议拉索设计时边索安全系数应适当提高。双塔斜拉桥在进行断索计算时应重点关注中跨长拉索断裂工况。此外，实桥中应避免断2根拉索以确保足够的安全储备。

参考文献：

［1］戴 杰，秦凤江，狄 谨，等.斜拉桥成桥索力优化方法研究综述［J］.中国公路学报，2019，32（5）：17-37.

［2］刘兆丰，戴显荣，赵人达，等.双塔联体分幅斜拉桥塔结构模型实验索力测试结果分析［J］.实验力学，2009，24（6）：573-578.

［3］仇 发.双塔双索面斜拉桥施工索力分析与优化［J］.铁道建筑技术，2017（6）：23-26，71.

［4］刘精山.双塔双索面预应力混凝土斜拉桥施工监控技术研究［D］.成都：西南交通大学，2021.

［5］陈一赫，孙亭亭，梁亚兰，等.有间索的双塔无背索斜拉桥索力参数敏感性［J］.武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2018，42（6）：1 059-1 062，1 067.

［6］JTG 3362-2018，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.

［7］梁 鹏，肖汝诚，张雪松.斜拉桥索力优化实用方法［J］.同济大学学报（自然科学版），2003（11）：1 270-1 274.

［8］JTGT 3365-01-2020， 公路斜拉桥设计规范［S］.20240426