獨(dú)塔斜拉橋主梁設(shè)計(jì)

李旭良 ，鄧 娟

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北武漢 430071）

1 概述

蕪申線五潭渡橋、徐葛大橋、泓口大橋橋梁工程是蕪申線高溧段（高淳至溧陽）航道整治工程的配套工程，是適應(yīng)航道整治提升等級(jí)而進(jìn)行的工程建設(shè)項(xiàng)目。徐葛大橋位于溧陽市開發(fā)區(qū)境內(nèi)徐葛村，為航道改線截?cái)嗉扔械缆范黾拥臉蛄?。道路等?jí):城市主干路。汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)：公路-Ⅰ級(jí)。橋梁雙幅布置，左幅橋孔跨布置為：4×25 m小箱梁+3×25 m小箱梁+（95+75）m斜拉橋+3×25 m小箱梁+15.5 m現(xiàn)澆箱梁+4×30 m小箱梁。右幅橋孔跨布置為：4×25 m小箱梁+（75+95）m斜拉橋+3×25 m小箱梁+3×25 m小箱梁+15.5 m現(xiàn)澆箱梁+4×30 m小箱梁。單幅主橋?qū)挾?7.5 m，設(shè)置2 m人行道、3.5 m非機(jī)動(dòng)車道及8 m機(jī)動(dòng)車道。單幅引橋?qū)挾?3 m，設(shè)置3.5 m非機(jī)動(dòng)車道及8 m機(jī)動(dòng)車道。橋梁起點(diǎn)樁號(hào)K0+180.460，終點(diǎn)樁號(hào)K0+740.040，全長559.58 m?？缭胶降罏槿?jí)航道，通航凈寬60 m，通航凈高7.0 m，與航道中心線夾角77.3°。圖1為徐葛大橋效果圖。

圖1 徐葛大橋效果示意圖

2 主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主梁采用邊主梁形式，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土標(biāo)號(hào)C50。梁高2.2 m，梁頂寬17.5 m，頂板厚度28 cm，肋寬1.6 m。設(shè)單向2%橫坡，橫梁間距采用6 m。為平衡結(jié)構(gòu)不對稱重量，通過計(jì)算后確定邊跨靠近過渡墩17.15 m范圍內(nèi)采用實(shí)心截面。圖2為主梁橫斷面構(gòu)造。

圖2 主梁橫斷面構(gòu)造（單位：cm）

3 主梁鋼束布置

3.1 主梁鋼束縱向布置

主梁采用滿堂支架澆筑主梁5個(gè)施工節(jié)段。主梁縱向鋼束在每個(gè)施工段采用連接器連接，每個(gè)施工節(jié)段澆筑完后張拉各節(jié)段主梁鋼束。主梁頂板設(shè)置19束19-15.2鋼束，邊主梁設(shè)置10束19-15.2鋼束，在邊跨配重實(shí)體段底板設(shè)置18束5-15.2鋼束和2束19-15.2鋼束。圖3為鋼束橫斷面構(gòu)造圖。

圖3 鋼束橫斷面構(gòu)造（單位：cm）

3.2 主梁橫梁鋼束布置

該橋半幅主梁寬度17.5 m，主梁寬度較窄，橫梁受力較小，橫梁鋼束的布置主要考慮避讓主梁內(nèi)斜拉索預(yù)埋管。設(shè)計(jì)過程中根據(jù)橋梁縱坡和斜拉索兩個(gè)方向的傾角畫出實(shí)際模型，對每個(gè)橫梁處鋼束進(jìn)行精確定位，以保證橫梁鋼束避讓預(yù)埋導(dǎo)管和主梁縱向鋼束。

4 計(jì)算分析

4.1 總體計(jì)算模型

采用Midas Civil2006建立整體分析模型，主梁、索塔按梁單元模擬，共321個(gè)節(jié)點(diǎn)，190個(gè)單元。斜拉索按等效桁架單元模擬（考慮彈模恩斯特修正），共56個(gè)單元。圖4為整體分析模型。

圖4 整體分析模型

4.2 斜拉索成橋合理索力確定

隨著設(shè)計(jì)理論的發(fā)展，設(shè)計(jì)軟件不斷完善，施工方法的改進(jìn)和高強(qiáng)輕質(zhì)材料的應(yīng)用，斜拉橋的發(fā)展正進(jìn)入一個(gè)嶄新的時(shí)代。今天的斜拉橋幾乎都是密索體系，屬高次超靜定結(jié)構(gòu)。斜拉橋的設(shè)計(jì)自由度很大，可以通過調(diào)整斜拉索索力來改變結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，一旦斜拉橋的結(jié)構(gòu)布局確定，總能找到一組索力，在確定的荷載作用下，使整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足某種理想狀態(tài)，如塔、梁、墩中彎曲應(yīng)變能最小，即合理成橋狀態(tài)。合理成橋狀態(tài)的確定通常不考慮施工過程，只根據(jù)成橋狀態(tài)的受力來計(jì)算，為了尋求合理的成橋狀態(tài)，各種方法應(yīng)運(yùn)而生。該橋采用一種能滿足工程設(shè)計(jì)要求、簡單易行的對成橋索力進(jìn)行優(yōu)化的實(shí)用方法。

用MIDAS程序計(jì)算斜拉橋成橋優(yōu)化索力的步驟為：（1）確定斜拉橋的結(jié)構(gòu)布局；（2）建立斜拉橋空間模型，節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)采用斜拉橋設(shè)計(jì)成橋坐標(biāo)，主梁、索塔用梁單元模擬，拉索用桁架單元模擬，抗彎剛度取實(shí)際值，抗壓剛度取值，用MIDAs截面特性調(diào)整系數(shù)功能進(jìn)行截面剛度調(diào)整；（3）施加結(jié)構(gòu)自重及二期恒載等外荷載，作一次落架成橋計(jì)算，計(jì)算的索力就是彎曲能量最小時(shí)的最優(yōu)索力，所得內(nèi)力就是彎曲能量最小時(shí)的成橋內(nèi)力，計(jì)算所得位移結(jié)果無任何物理意義；（4）局部調(diào)整單元?jiǎng)偠龋拐麄€(gè)結(jié)構(gòu)受力合理，優(yōu)化結(jié)構(gòu)內(nèi)力，可視其為斜拉橋成橋狀態(tài)的合理內(nèi)力。按恒載計(jì)算的成橋索力，與施工方法無關(guān)。

該橋采用對抗壓剛度增大10 000倍的方法來確定最小彎曲能量法[3]下的索力。該橋彎曲能量最小法索力及主梁彎矩見圖5、圖6。

圖5 成橋狀態(tài)索力

圖6 成橋狀態(tài)主梁彎矩

主梁最大彎矩在邊跨配重處為7 027.3 kN·m，最小彎矩在主跨第一個(gè)斜拉索處為5 756.4 kN。通過最小彎曲能量法計(jì)算出斜拉索主梁彎矩和索力比較均勻，能滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 主梁應(yīng)力

該橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土主梁獨(dú)塔斜拉橋，整體靜力計(jì)算按空間桿系有限元原理，采用MIDAS有限元程序進(jìn)行計(jì)算，按施工工序分析了施工各階段及運(yùn)營階段的應(yīng)力和變形情況，計(jì)算中計(jì)入了恒載、活載、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力、溫度變化、風(fēng)載、汽車制動(dòng)力、支座沉降、施工荷載等荷載。按施工階段流程和運(yùn)營階段，逐階段計(jì)算結(jié)構(gòu)各截面內(nèi)力、應(yīng)力和位移。成橋運(yùn)營計(jì)算包括恒載、活載、支座沉降、溫度及靜風(fēng)力等，按規(guī)范[1]進(jìn)行最不利荷載組合。

該橋主梁施工采用滿堂支架澆筑，施工階段應(yīng)力不受控制。通過計(jì)算，該橋營運(yùn)階段長期效應(yīng)組合最小壓應(yīng)力為2.15 MPa，短期效應(yīng)組合最小壓應(yīng)力為0.68 MPa，標(biāo)準(zhǔn)組合最大壓應(yīng)力為15.7 MPa，最大主壓應(yīng)力為15.8 MPa，最大主拉應(yīng)力為-0.68 MPa。各種組合應(yīng)力均能滿足規(guī)范要求，并有一定安全儲(chǔ)備。主要應(yīng)力見圖7～圖10。

圖7 短期效應(yīng)頂板最小壓應(yīng)力

圖8 短期效應(yīng)底板最小壓應(yīng)力

圖9 標(biāo)準(zhǔn)組合效應(yīng)頂板最大壓應(yīng)力

圖10 標(biāo)準(zhǔn)組合效應(yīng)底板最大壓應(yīng)力

5 施工工序

已建斜拉橋大部分采用掛籃懸臂澆筑主梁。由于該項(xiàng)目采用先完成上跨橋梁的施工，然后開挖航道，為加快施工進(jìn)度，主梁采用滿堂支架施工。先施工主橋橋墩及橋塔，然后依次澆筑主梁5個(gè)施工節(jié)段，并張拉各階段主梁鋼束，接著依次初張拉斜拉索，拆除支架進(jìn)行橋面系施工，最后二次張拉斜拉索。圖11為主橋施工流程圖。

圖11 主橋施工流程圖

6 結(jié)語

彎曲能量最小法可實(shí)現(xiàn)成橋階段最優(yōu)索力，簡單易行，用一般的平面桿系均可實(shí)現(xiàn)。

徐葛大橋設(shè)計(jì)力求技術(shù)先進(jìn)、簡潔美觀、結(jié)構(gòu)安全耐久、施工方便、造價(jià)經(jīng)濟(jì)。該橋于2011年6月開始施工，2012年12月主橋施工完成。從現(xiàn)場施工情況來看，主梁應(yīng)力結(jié)果與設(shè)計(jì)結(jié)果比較吻合。該橋的設(shè)計(jì)思路代表了同類跨徑斜拉橋梁設(shè)計(jì)的普通性，可為同類橋梁設(shè)計(jì)提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

[1]JTG D60—2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[2]JTG D60—2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]周孟波.斜拉橋手冊[M].北京：人民交通出版社，2004.

[4]范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2001.