蘇揚2號橋斜塔斜拉橋靜力分析

朱南松，甄國君

（中國市政工程華北設(shè)計研究總院，天津市 300074）

1 概述

蘇揚2號橋位于鄂爾多斯市東勝區(qū)鐵西三期開發(fā)片區(qū)的城市主干道西緯六路上。橋梁總長180 m，全寬50 m，為一座卵形斜塔組合梁特種斜拉橋，跨徑組合其附跨60 m，為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)；主跨120 m，為鋼箱梁；梁高均為2.5 m；采用雙索面、扇形布置，索體采用鋼絞線擠壓錨式索，見圖1。

圖1 蘇揚2號橋

2 設(shè)計原則及技術(shù)標(biāo)準

2.1 設(shè)計原則

蘇楊公路2號橋處于蘇楊公路的直線段上跨越昆獨龍溝規(guī)劃景觀河道，橋梁兩端接開發(fā)片區(qū)中規(guī)劃主干道上，在滿足功能要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)與環(huán)境相融合，努力成為該區(qū)域景觀亮點。橋型方案設(shè)計遵循以下原則：1

（1）橋型方案應(yīng)全面貫徹適用、安全、經(jīng)濟、耐用、美觀原則，在滿足使用功能的前提下，結(jié)構(gòu)應(yīng)力求技術(shù)先進、安全可靠、適用耐久、經(jīng)濟合理，充分體現(xiàn)當(dāng)今先進的建橋新技術(shù)、新水平，富有時代風(fēng)貌。

（2）大橋所采用的結(jié)構(gòu)和材料，應(yīng)根據(jù)環(huán)境條件充分考慮結(jié)構(gòu)的合理性及材料耐久性，并注重防腐設(shè)計，提高結(jié)構(gòu)耐久性。

（3）隨著鄂爾多斯市的經(jīng)濟增長，大橋設(shè)計時應(yīng)具有一定的前瞻性，并能體現(xiàn)橋梁特色建筑的特點。

2.2 技術(shù)標(biāo)準

（1）橋梁寬度：橋梁全寬50 m=0.25 m(欄桿)+2.75 m(人行道)+2.75 m(非機動車道)+0.25 m(護欄)+4 m(機非分隔帶)+0.25 m(護欄)+14.625 m(機動車道)+0.25 m(護欄)+14.625 m(機動車道)+0.25 m(護欄)+4 m(機非分隔帶)+0.25 m(護欄)+2.75m(非機動車道)+2.75 m(人行道)+0.25 m(欄桿),橋塔和斜拉索布置在機非分隔帶內(nèi)。

（2）設(shè)計基準期：100 a。

（3）結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：1.1。

（4）荷載標(biāo)準：機動車：公路-I級的1.3倍，雙向8車道，非機動車及人群荷載：3 kPa。

（5）設(shè)計基準溫度：1.5℃。

（6）體系溫度：46℃～-43℃。

3 結(jié)構(gòu)分析計算

3.1 計算模型

采用Midas/Civil程序計算，將結(jié)構(gòu)離散為空間桿系模型，按照結(jié)構(gòu)實際尺寸和施工過程進行模擬。39個鋼主梁單元、56個混凝土主梁單元、52個主塔單元、全橋總共劃分196單元、296節(jié)點，見圖2。

3.2 力學(xué)指標(biāo)

混凝土：C50。軸心抗壓強度標(biāo)準值：fck=32.4 MPa；軸心抗拉強度標(biāo)準值：ftk=2.65 MPa；軸心抗壓強度設(shè)計值：fcd=22.4 MPa；軸心抗拉強度設(shè)計值：ftd=1.83 MPa。

圖2 全橋結(jié)構(gòu)離散圖

鋼絞線：φs15.2、1 860級1×7股高強度低松弛鋼絞線?？刂茝埨瓚?yīng)力為：σCon=0.73fpk=1 357.8 MPa；采用塑料波紋管，管道局部偏差對摩擦影響系數(shù)k=0.001 5、預(yù)應(yīng)力鋼絞線與管道摩擦系數(shù)μ=0.17；每個張拉端錨具變形、鋼筋回縮6 mm。

Q345鋼材：軸向應(yīng)力容許值為200 MPa，彎曲應(yīng)力容許值為210 MPa，剪應(yīng)力容許值為120 MPa。

3.3 荷載

二期恒載：包括二期鋪裝、人行道板、護欄、中央分隔帶等。預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土側(cè)為：110 kN/m；鋼梁側(cè)為：170 kN/m。

體系升降溫按44.5℃考慮，非線性溫度按規(guī)范規(guī)定考慮。

收縮徐變時間：3 650 d；收縮徐變嚴格按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》進行計算。

支座不均勻沉降按1 cm考慮。

橋塔上的裝飾荷載按實際重量添加，共重：975 kN。

風(fēng)荷載根據(jù)規(guī)范采用，作用于橋塔上。

3.4 荷載組合

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D62-2004）和《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62-2004）相關(guān)規(guī)定進行荷載組合。總計184種荷載組合，主要進行4類荷載組合驗算：

（1）短期效應(yīng)組合；

（2）長期效益組合；

（3）標(biāo)準荷載組合；

3.5 結(jié)構(gòu)安全驗算

結(jié)構(gòu)安全驗算包括正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)兩個方面。

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)強度驗算按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62-2004）的要求進行。結(jié)構(gòu)總剛度驗算按《公路斜拉橋設(shè)計細則》（JTG-T D65-01-2007T）和《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTJ 025-86）的規(guī)定進行。

4 計算結(jié)果

通過Midas/Civil結(jié)構(gòu)計算分析與施工方案多次的循環(huán)修正，總體結(jié)構(gòu)在各種狀態(tài)和荷載組合下，控制截面組合正應(yīng)力、強度、位移、支座反力及拉索張力等均達到規(guī)范規(guī)定的要求。將計算結(jié)果拉力和拉應(yīng)力為正，壓力和壓應(yīng)力為負；彎矩以局部坐標(biāo)系下單元下緣受拉為正，支座反力和位移正負與總體坐標(biāo)系一致。

4.1 施工階段

成橋階段應(yīng)力見圖3。

圖3 成橋階段應(yīng)力圖

分析鋼塔在無支架的施工過程中位移累積和階段應(yīng)力、塔頂水平位移等情況，見表1。本次斜拉索的張拉力要對鋼塔進行復(fù)位，每次斜拉索的張拉力都會對其他梁段的索力產(chǎn)生一定影響。

表1 成橋狀態(tài)各部應(yīng)力及位移

由表1可知，成橋狀態(tài)各個部位的應(yīng)力和位移滿足規(guī)范的要求。

4.2 運營階段

（1）預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁驗算（見表2）

PBL（problem based learning）被稱為“以問題為中心的學(xué)習(xí)法”，以學(xué)生為中心，教師為引導(dǎo)，學(xué)生自主學(xué)習(xí)的特點。PBL教學(xué)中指導(dǎo)老師根據(jù)不同規(guī)培階段的培訓(xùn)學(xué)員提出一些具體有針對性的問題，讓他們自己思考以激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，并通過討論的方式進行，最后由指導(dǎo)老師集中解釋疑惑，并盡可能在超聲操作實踐中檢驗討論結(jié)果。通過這種方式，可以使學(xué)員們在書本中的理論內(nèi)容得到感性體會，并加深了對理論的理解和認識。

表2 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁應(yīng)力計算表

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》7.1.5條，在標(biāo)準組合下，受壓區(qū)混凝土的最大壓應(yīng)力要求不大于0.5fck=0.5×32.4=16.2 MPa，以上表中計算結(jié)果滿足規(guī)范的要求。

根據(jù)《公路斜拉橋設(shè)計細則》4.4.1條，主梁在車道荷載（不及沖擊力）作用下的最大撓度值，混凝土梁應(yīng)不大于l/500。汽車荷載作用下，預(yù)應(yīng)力混凝土主梁的最大撓度為：0.73 cm<12 000/500=24 cm，滿足規(guī)范要求。

（2）鋼箱梁驗算（見表3）

表3 鋼箱梁應(yīng)力計算表

鋼主梁上下緣最大壓應(yīng)力為133.3 MPa<210 MPa；上下緣最大拉應(yīng)力為：58.8 MPa<210 MPa，因此，滿足規(guī)范要求。

根據(jù)《公路斜拉橋設(shè)計細則》4.4.1條，鋼梁在車道荷載（不及沖擊力）作用下的最大豎向撓度值不大于l/400，鋼梁的最大撓度為：16.5 cm<12 000/400=30 cm，滿足規(guī)范容許變形的要求。

（3）主塔應(yīng)力驗算（見表4）

表4 主塔應(yīng)力計算表

主塔上下緣最大壓應(yīng)力為210 MPa出現(xiàn)在塔根底部，此處有內(nèi)部填充混凝土的聯(lián)合作用，因此實際壓應(yīng)力達不到210 MPa，可以滿足規(guī)范要求；主塔除塔根外，其他位置均小于210 MPa，所以滿足規(guī)范要求。主塔上下緣最大拉應(yīng)力為99 MPa<210 MPa，滿足規(guī)范要求

5 微膨脹混凝土配比設(shè)計

鋼混結(jié)合段要求具有一定的膨脹性能，混凝土膨脹率影響混凝土與鋼箱梁之間的密實程度，進而影響鋼混結(jié)合段結(jié)構(gòu)的承載能力，而膨脹率大小取決于混凝土中所用膨脹劑種類和摻量。因此，必須選用合適的膨脹劑和摻量，以保證混凝土的膨脹與強度增長能匹配協(xié)調(diào)發(fā)展。

本橋?qū)ξ⑴蛎浕炷恋呐浜媳群拖拗婆蛎浡蔬M行了試驗研究。結(jié)果見表5。

表5 微膨脹混凝土配合比和限制膨脹率試驗結(jié)果

6 結(jié)語

（1）本橋主跨采用鋼箱梁，自重小、強度高、跨越能力大，且外觀流暢輕盈。邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁，既為平衡主跨提供了所需的重量，又節(jié)省了工程造價。同時明顯提高了結(jié)構(gòu)剛度。鋼箱梁與混凝土梁通過鋼混結(jié)合段實現(xiàn)受力過度連接。

（2）主塔在運營階段正常使用極限狀態(tài)情況下，最大壓應(yīng)力，不滿足規(guī)范要求。主要是有限元計算模型主塔混結(jié)合段是鋼箱梁代替混合梁，與實際情況有一定的偏差。由于主塔根部填充混凝土，實際運營階段的應(yīng)力要比簡化的計算模型的結(jié)果要小，滿足規(guī)范的規(guī)定。

（3）整體施工流程也是決定成橋結(jié)構(gòu)狀態(tài)的關(guān)鍵因素。通過對塔頂位、塔底應(yīng)力、主梁位移及主梁應(yīng)力計算結(jié)果，確定本橋施工流程。

該橋現(xiàn)已投入運營3年，養(yǎng)護部門嚴格按照國家有關(guān)規(guī)范要求隨時跟蹤建設(shè)質(zhì)量，按年、按月對其進行檢測、保養(yǎng)、維護，從來沒有發(fā)現(xiàn)蘇揚2號橋有任何安全問題。因此蘇揚2號橋設(shè)計安全可靠，運營穩(wěn)定。

[1]中國市政工程華北設(shè)計研究總院.蘇揚2號橋施工圖設(shè)計[Z].2009.

[2]林元培.斜拉橋[M].北京:人民交通出版社,2004.

[3]JTG/T D65-01-2007,公路斜拉橋設(shè)計細則[S].2007.