900m跨組合鋼箱梁斜拉橋方案試設(shè)計(jì)

湯虎

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

900m跨組合鋼箱梁斜拉橋方案試設(shè)計(jì)

湯虎

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

本文假定某跨海峽工程背景，以900 m大跨度為目標(biāo)進(jìn)行組合鋼箱梁斜拉橋方案試設(shè)計(jì)，通過成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)受力分析，探討該橋的動(dòng)靜力性能，同時(shí)證明該方案是可行的。相比于鋼主梁斜拉橋，該橋型可提高橋面系局部剛度、解決正交異性鋼橋面板疲勞及橋面鋪裝易損問題。拓展組合鋼箱梁斜拉橋的適用跨徑，是適應(yīng)未來跨江海大橋工程建設(shè)需求的選擇之一。

斜拉橋；組合鋼箱梁；橋梁設(shè)計(jì)；方案

0　引言

目前，我國最大跨徑鋼箱組合梁斜拉橋?yàn)橹骺?80 m的椒江二橋，其次為主跨420 m的東海大橋主航道橋。傳統(tǒng)認(rèn)為，超過700 m的斜拉橋應(yīng)當(dāng)選擇鋼橋面形式，該結(jié)論是基于傳統(tǒng)鋼板梁組合梁抗風(fēng)性能的不足而得出的，而封閉箱型截面組合梁彌補(bǔ)了開口截面組合梁抗風(fēng)性能的不足，顯然，進(jìn)一步提高組合鋼箱梁斜拉橋最大跨度紀(jì)錄的機(jī)遇和挑戰(zhàn)是并存的。

本文假定某跨海峽工程背景，以900 m大跨度為目標(biāo)進(jìn)行組合鋼箱梁斜拉橋方案試設(shè)計(jì)，探討進(jìn)一步拓展組合梁斜拉橋跨徑的可能性。

1　橋址區(qū)基礎(chǔ)資料及計(jì)算荷載

1.1橋址區(qū)基礎(chǔ)資料

對大多數(shù)橋址建設(shè)條件而言，傳統(tǒng)的雙塔扇形雙索面自錨體系全組合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)具有更大的普遍性，本文的方案試設(shè)計(jì)及驗(yàn)證也是針對這類斜拉橋，其中橋址區(qū)基礎(chǔ)資料如下：

（1）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。公路橋梁，橫斷面布置及橋面寬度要求與蘇通大橋等國內(nèi)大多數(shù)公路橋梁相同，主梁寬度為36 m（不含風(fēng)嘴），雙向6車道+緊急停車帶，荷載采用公路-Ⅰ級，按雙向8車道設(shè)計(jì)。

（2）橋下凈空。按當(dāng)前最大通航要求設(shè)計(jì)，滿足橋下凈空不少于65 m。

（3）設(shè)計(jì)風(fēng)速。假定橋址設(shè)計(jì)基本風(fēng)速vs10= 40 m/s，按A類場地計(jì)算風(fēng)速剖面，基本可以覆蓋長江沿線及預(yù)期大部分跨海工程的設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速、顫振檢驗(yàn)風(fēng)速、風(fēng)載系數(shù)按《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D60-01—2004）相關(guān)條款進(jìn)行計(jì)算。

（4）結(jié)構(gòu)材質(zhì)。主梁鋼結(jié)構(gòu)以Q345qD為主，部分范圍可采用Q370qD；橋塔采用C50混凝土，主梁混凝土橋面板采用C60混凝土。斜拉索采用7 mm鍍鋅平行鋼絲成品索，抗拉強(qiáng)度1 860 MPa，主力作用下控制最大應(yīng)力744 MPa。

（5）地震動(dòng)。假定為Ⅵ度區(qū)，地震設(shè)計(jì)不控制。

1.2計(jì)算荷載

在對試設(shè)計(jì)方案進(jìn)行論證時(shí)，著重對以下幾種控制性荷載組合進(jìn)行分析：（1）運(yùn)營組合，恒+沉降+溫度+運(yùn)營風(fēng)+活+制動(dòng)力；（2）百年風(fēng)組合，恒+沉降+溫度+百年風(fēng)；（3）主力組合，恒+沉降+活+制動(dòng)力。同時(shí)，分別進(jìn)行剛成橋時(shí)和成橋10年后考慮收縮徐變兩種情況。

2　試設(shè)計(jì)方案概述

擬定的組合梁斜拉橋試設(shè)計(jì)方案的跨徑布置為144 m+261 m+900 m+261 m+144 m，如圖1所示。邊跨設(shè)置一個(gè)輔助墩，邊中跨比為0.45。采用漂浮體系，索塔下橫梁處可設(shè)置阻尼緩沖裝置或彈性連接限制主梁縱漂位移。

索塔采用橫橋向鉆石型、順橋向直立單柱式混凝土塔柱，如圖2所示，混凝土標(biāo)號為C50，橋塔塔高242 m，橋面以上高度175 m，索塔塔高比0.194，錨索區(qū)高度為57.6 m（32×1.8 m）。橋塔截面尺寸為：下塔柱順橋向?qū)挾?3～11 m，橫橋向?qū)挾?0～7 m，塔柱順橋向和橫橋向壁厚均為1.8 m；中塔柱順橋向?qū)挾?1～9.5 m，橫橋向?qū)挾?～6.5 m，塔柱順橋向和橫橋向壁厚均為1.3 m；上塔柱順橋向?qū)挾?.5～8 m，橫橋向?qū)挾? m，塔柱順橋向和橫橋向壁厚均為1.3 m。

圖1　主跨900 m組合梁斜拉橋總體立面布置（單位：m）

圖2　主跨900 m組合梁斜拉橋索塔布置（單位：m）

主梁采用流線型扁平組合鋼箱梁，如圖3所示，梁高3.0 m，沿橋長不變，主梁高寬比為1/300；箱梁全跨39 m（含風(fēng)嘴），主跨寬跨比為1/23.1?；炷翗蛎姘鍖?3 m，鋼底板寬25.4 m。主梁混凝土標(biāo)號為C60，混凝土面板一般厚度25 cm，在腹板頂附近加厚至45 cm，邊跨和塔根無索區(qū)的混凝土板均加厚至45 cm。鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)為Q345qD，斜腹板厚40 mm，腹板上翼緣厚24 mm，但在塔根及邊墩、輔助墩頂附近主梁鋼板局部加厚，斜腹板和腹板上翼緣厚分別增加60 mm和40 mm。鋼梁底板為了適應(yīng)主梁軸力變化以及抵抗近塔區(qū)橫向風(fēng)引起的側(cè)彎，彎曲需要采用變厚布置，厚度變化范圍為16～32 mm，底板采用U形加勁肋，加勁肋板厚8 mm。主梁橫隔梁采用桁架形式，橫隔梁順橋向間距4.5 m，橫隔梁板厚16 mm，上翼緣板厚24 mm。主梁鋼結(jié)構(gòu)部分和混凝土面板之間通過設(shè)置剪力釘實(shí)現(xiàn)結(jié)合傳力。剪力釘采用直徑22 mm的圓頭焊釘，其長度除上翼緣鋼板兩端為450 mm外，其余均為200 mm。剪力釘根據(jù)受力大小布置。

全橋斜拉索共計(jì)256（32×4×2）根，規(guī)格為PES7-187～PES7-421（1 860 MPa），單索最大長度約475 m，中跨索距13.5 m，邊跨索距采用10.5 m和13.5 m兩種。其中，B32～B1為邊跨梁端至塔根處32根拉索編號，M1～M32為中跨塔根處至跨中處32根拉索編號。

圖3　主跨900 m組合梁斜拉橋組合梁橫斷面布置（單位：m）

結(jié)構(gòu)分析采用TDV RM Bridge有限元程序，主梁、主塔和橋墩采用梁單元模擬，拉索采用桿單元模擬，整體計(jì)算模型如圖4所示。

圖4　整體計(jì)算模型

3　成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)靜力性能分析

3.1成橋狀態(tài)

優(yōu)化后的成橋恒載狀態(tài)主梁彎矩和主梁應(yīng)力如圖5～圖7所示?？梢钥闯觯褐髁涸谥魉幖拜o助墩處彎矩相對較大，其余部分彎矩均很小，主梁軸力則隨著與橋塔位置的縮短而逐漸增加。鋼梁上、下翼緣應(yīng)力相差不大，尤其是中跨主梁，基本處于軸心受壓狀態(tài)，上、下翼緣的最大壓應(yīng)力值分別為99.2 MPa、121.5 MPa，基本無拉應(yīng)力出現(xiàn)；同樣，混凝土橋面板上、下翼緣應(yīng)力也相差不大，最大壓應(yīng)力值分別為17.6 MPa、17.3 MPa，無拉應(yīng)力出現(xiàn)。

3.2結(jié)構(gòu)靜力荷載總響應(yīng)

方案試設(shè)計(jì)過程主要考慮了表1所列的六種控制性荷載組合進(jìn)行分析計(jì)算，得到的不同組合工況下各構(gòu)件最大應(yīng)力見表1，最不利組合下主梁上、下翼緣、混凝土橋面板、橋塔應(yīng)力分別如圖8～圖11所示。

從圖表中可以看出，鋼梁上翼緣最大壓應(yīng)力為組合4工況的182.8 MPa，發(fā)生在橋塔附近，組合1工況下鋼梁上翼緣拉應(yīng)力達(dá)到最大值，為8.4 MPa，出現(xiàn)在邊跨梁端截面；鋼梁下翼緣最大壓應(yīng)力為組合4工況的197.7 MPa，發(fā)生在輔助墩和塔根附近，最大拉應(yīng)力為組合1工況的50.3 MPa，發(fā)生在跨中附近；組合3工況的混凝土板最大壓應(yīng)力最不利，塔根處壓應(yīng)力最大，達(dá)到23.3 MPa，在組合4工況下混凝土板在跨中附近出現(xiàn)4.4 MPa的拉應(yīng)力，需說明的是，組合4工況是成橋10年后的百年風(fēng)短暫工況；組合2工況下，橋塔最大壓應(yīng)力18.8 MPa，發(fā)生在下塔柱頂端截面的橫橋向截面；而在組合3工況下，下塔柱頂截面位置將出現(xiàn)0.8 MPa的最大拉應(yīng)力。參照類似工程經(jīng)驗(yàn)，考慮橋塔配筋后亦可滿足截面承載力要求；拉索應(yīng)力最大值較為均勻，基本在600～700 MPa，應(yīng)力幅不超過180 MPa。

圖5　成橋狀態(tài)主梁彎矩分布

圖6　成橋狀態(tài)下鋼梁應(yīng)力分布

圖7　成橋狀態(tài)下混凝土橋面板應(yīng)力分布

表1　不同組合工況下各構(gòu)件最大應(yīng)力　　　　　MPa

圖8　鋼梁上翼緣應(yīng)力最不利組合

圖9　鋼梁下翼緣應(yīng)力最不利組合

圖10　混凝土橋面板應(yīng)力最不利組合

由上述計(jì)算結(jié)果可以看出，試設(shè)計(jì)的主跨900 m組合鋼箱梁斜拉橋的主梁、橋塔、拉索受力均處于安全范圍之內(nèi)，表明試設(shè)計(jì)方案可行，構(gòu)件尺寸合理。

圖11　橋塔應(yīng)力最不利組合

3.3結(jié)構(gòu)靜力穩(wěn)定性評估

本文按第一類穩(wěn)定分析對900 m跨組合鋼箱梁斜拉橋成橋狀態(tài)下在不同計(jì)算工況下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見表2。結(jié)構(gòu)在主跨滿布荷載時(shí)一階穩(wěn)定系數(shù)為4.165，為所有工況中最小，但仍滿足規(guī)范要求。

3.4結(jié)構(gòu)抗風(fēng)穩(wěn)定性評估

采用空間動(dòng)力有限元分析，結(jié)構(gòu)在成橋狀態(tài)下的典型動(dòng)力特性見表3，顫振臨界風(fēng)速可按規(guī)范進(jìn)行估算，顫振檢驗(yàn)風(fēng)速由設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速乘以風(fēng)速脈動(dòng)修正系數(shù)得到。

表3　動(dòng)力特性與顫振穩(wěn)定性檢驗(yàn)

表2　成橋狀態(tài)下一階穩(wěn)定系數(shù)

以上計(jì)算表明，本文擬定的主跨900 m組合鋼箱梁斜拉橋試設(shè)計(jì)方案在設(shè)計(jì)風(fēng)速vs10=40 m/s工況下，按規(guī)范分別取主梁截面形狀系數(shù)、攻角系數(shù)為0.8和0.8對顫振臨界風(fēng)速進(jìn)行折減后，臨界風(fēng)速仍遠(yuǎn)高于檢驗(yàn)風(fēng)速，初步說明試設(shè)計(jì)方案滿足風(fēng)致顫振穩(wěn)定性要求。

4　結(jié)　語

成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)受力分析證明主跨900 m的組合梁斜拉橋方案是可行的。與鋼主梁斜拉橋相比，鋼-混凝土組合梁斜拉橋具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）利用混凝土板受壓，可改善主塔附近加勁梁抗壓性能；（2）增加橋梁抗彎、抗扭整體剛度；（3）組合梁的混凝土橋面板代替正交異性鋼橋面板，提高了橋面板局部剛度，很好地解決鋼箱梁鋼結(jié)構(gòu)疲勞及橋面鋪裝易損壞的問題。從經(jīng)濟(jì)性和耐久性考慮，拓展組合梁斜拉橋的適用跨徑、在更大跨度范圍內(nèi)與鋼斜拉橋形成競爭，是適應(yīng)未來跨江海大橋工程建設(shè)需求的選擇之一。

上海軌交2025年前將規(guī)劃再建設(shè)9條線路 全長約250 km

近日，上海市軌道交通近期建設(shè)規(guī)劃(2017—2025)環(huán)境影響評價(jià)公示，公示顯示，本次建設(shè)規(guī)劃預(yù)計(jì)由9條線路組成，全長約250 km，具體線路和長度根據(jù)建設(shè)規(guī)劃研究情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

U448.27

B

1009-7716（2016）03-0058-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.017

2015-12-10

“973”國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（2013CB03600）

湯虎（1986-），男，江蘇寶應(yīng)人，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。