公路特大跨度拱塔斜拉橋設(shè)計(jì)分析

文

工程背景

某特大拱塔斜拉橋位于河北某市的主干道上，行駛速度設(shè)計(jì)為40km/h，橋面斷面寬為27m，總長333m，其中有跨河橋梁一座，全長248m。主橋受力體現(xiàn)采取的是索輔梁橋受力系統(tǒng)，而主梁主要采用預(yù)應(yīng)力連續(xù)施工方式，斜拉索空間布置方式按照雙索面布置，橋塔則采取雙肢V型鋼拱塔結(jié)構(gòu)，其跨徑設(shè)計(jì)為188m。兩側(cè)引橋跨徑為30m，總長248m。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

總體布置

該特大拱塔斜拉橋全長248m，由188m的拱塔斜拉索輔梁橋主橋和兩側(cè)單跨30m的簡支箱梁引橋組成。塔梁分離是主橋的主要形式，在橋塔上設(shè)置有橫向限位支座與豎向支座，橋塔與橋面上的結(jié)構(gòu)，選擇的是鋼箱塔布置，而橋面下的位置主要使用混凝土塔作為支架，使其能夠配合鋼混凝土過渡；鉆孔灌注樁與混凝土承臺是橋塔基礎(chǔ)施工主要方式，而在主梁上選擇的是平混凝土箱梁與單箱多室箱梁進(jìn)行構(gòu)建，且在河道中央搭建支架進(jìn)行澆筑施工；斜拉索涵蓋斜向拉索與水平拉索，其中，水平拉索塔主要是實(shí)施內(nèi)張拉，而斜向拉索主要負(fù)責(zé)梁端錨固張拉。

主梁

主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，主橋采用單箱四室流線型等截面，箱梁在中心線處梁高2.5m；引橋采用單箱六室流線型等截面，箱梁在中心線處梁高1.8m。橋面標(biāo)準(zhǔn)寬27m，梁頂設(shè)置2.0%的橫坡，梁底水平；橋塔及邊墩處設(shè)置橫梁，以保證支座處集中力的傳遞；在主梁縱向的位置上，按照間隔8m的距離設(shè)置混凝土隔板，并且將其拉伸到拉索錨存在的位置中，使其有效與拉索錨結(jié)合成為一個整體。主梁施工以支架現(xiàn)澆的方式作業(yè)。該工程主梁橫斷面剖面圖如圖1所示。

鋼塔

圖1 主梁的橫斷面圖（單位：mm）

主塔外觀橫立面呈斜伸的雙網(wǎng)球拍型，與豎直方向立面呈1：2.5的傾斜角，塔高約57m（鋼混凝土結(jié)合面至塔頂），采用鋼箱截面，標(biāo)準(zhǔn)尺寸高3.2m、寬度2.5m，鋼筋混凝土結(jié)合面以上16m范圍內(nèi)拱高逐漸加高至4.0m。鋼塔和混凝土連接設(shè)置高4m的鋼筋混凝土結(jié)合段過渡，箱內(nèi)布置隔板、焊釘，箱內(nèi)澆注混凝土后通過精軋螺紋鋼連接緊密，確保塔底全截面受壓。拱肋主要是選擇型號為Q345qD鋼材，其規(guī)格為mm；在間隔2m的位置上，設(shè)置隔離板，且在其腹板與頂?shù)装宓奈恢弥Ъ茕摻?。將鋼錨箱設(shè)置在塔上，并且在其內(nèi)部固定拉索錨固。主塔在塔座端固定，采用鋼筋混凝土固定，再使用精軋螺紋鋼固定措施提高固結(jié)能力。在實(shí)踐過程中，為了能將鋼筋混凝土結(jié)合段傳力的可靠性提高，需要在混凝土內(nèi)部，采用PBL剪力鍵與混凝土連接。鋼塔節(jié)段焊接連接，在支架平臺組拼成形后豎轉(zhuǎn)施工到位。

斜拉索、水平索

該特大拱塔斜拉橋?yàn)榭臻g雙索面斜拉索，其固定位置設(shè)置在錨固和箱梁的兩側(cè)肋的旁邊位置中，整體項(xiàng)目斜拉索18對，水平索9對，且設(shè)置的距離控制為8m，同時塔上的豎向距離控制為4m。斜拉索的為單端張拉，且在塔的端面設(shè)置鋼錨箱，使其作為斜拉索的錨固端；同時，混凝土錨塊設(shè)置在梁上的斜拉索位置，使其能夠?qū)崿F(xiàn)梁端張拉。水平索設(shè)置于兩鋼塔之間，采用一端張拉。

結(jié)構(gòu)計(jì)算

正常使用階段應(yīng)力驗(yàn)算

大跨度拱塔斜拉橋短期組合正應(yīng)力，主梁的上緣應(yīng)力絕大部分處于受壓狀態(tài)，上緣最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在兩跨的跨中，

上緣最大壓應(yīng)力為-12.6MPa，主梁上緣只有在主梁的兩端

個別區(qū)域出現(xiàn)了拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為1.24MPa。下緣最大壓應(yīng)力則出現(xiàn)在主梁與拱塔相交處的主梁下緣，最大壓應(yīng)力為-11.8MPa，而下緣在主梁的兩端出現(xiàn)了拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為0.23MPa。

橋塔內(nèi)力

圖2、圖3為該大跨度拱塔斜拉橋成橋后的縱向彎矩圖和橫向彎矩圖，成橋后橋梁的縱向彎矩最大值為4107kN·m，最小值為-4107kN·m，兩者均發(fā)生在拱塔的根部。成橋后橫橋向的彎矩最大值為17804kN·m，發(fā)生在拱塔頂部和底部之間中間的位置，最小彎矩值為-13519kN·m，發(fā)生在拱塔的根部。

圖2 成橋縱向彎矩（kN·m）

圖3 成橋橫向彎矩（kN·m）

圖4 標(biāo)準(zhǔn)組合最大應(yīng)力（MPa）

橋塔應(yīng)力

圖4為標(biāo)準(zhǔn)組合作用下雙套拱塔的最大應(yīng)力圖，拱塔標(biāo)準(zhǔn)組合最大壓應(yīng)力最小值為-109.4MPa，發(fā)生在拱塔底部的鋼混結(jié)合段，最大值為28.7MPa，發(fā)生在拱塔的頂部。

拉索索力

圖5、圖6為成橋狀態(tài)恒載作用下索力值和標(biāo)準(zhǔn)組合作用下的最大索力值，成橋恒載索力最大值為4122kN，標(biāo)準(zhǔn)組合的最大索力值為4489kN，均發(fā)生在橫索自上而下第三根索處。

豎向剛度

圖7為單獨(dú)活載作用下梁體的位移包絡(luò)圖，拱塔斜拉橋主梁向下和向上最大位移均發(fā)生在跨中位置，向下最大位移為-0.043m，向上最大位移值為0.012m。

圖5 成橋恒載索力（kN）

圖6 標(biāo)準(zhǔn)組合最大索力（kN）

結(jié)語

本文根據(jù)該大跨度拱塔斜拉橋所在的地理位置及地質(zhì)條件，對該橋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中主要包括：橋梁的總體布置、主梁的設(shè)計(jì)、鋼塔的設(shè)計(jì)、斜拉索及水平索的設(shè)計(jì)，同時建立全橋有限元模型，對該橋在正常試用階段應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算、橋塔的內(nèi)力計(jì)算、橋塔的應(yīng)力計(jì)算，拉索的索力，橋梁的豎向剛度計(jì)算、支座反力的計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析得出結(jié)論。

主梁在長期效應(yīng)組合下以及短期效應(yīng)組合下，最大壓應(yīng)力為-13.9MPa，發(fā)生在主梁兩跨跨中的上緣板，根據(jù)相關(guān)公路橋梁規(guī)范可知，在公路橋涵設(shè)計(jì)中最大壓應(yīng)力不應(yīng)超過0.6fck=0.6×32.4=19.44MPa，短期效應(yīng)組合下，拉應(yīng)力不超過0.7ftk=2.65×0.7=1.855MPa；短期效應(yīng)組合下主拉應(yīng)力不超過0.5ftk=0.5×2.65=1.325MPa；標(biāo)準(zhǔn)值組合下梁內(nèi)最大壓應(yīng)力不超過0.5fck=0.5×32.4=16.2MPa，而主梁經(jīng)過計(jì)算混凝土的拉應(yīng)力及壓應(yīng)力均滿足相關(guān)規(guī)范的基本要求。

單獨(dú)活載作用下梁體的位移包絡(luò)圖，拱塔斜拉橋主梁向下和向上最大位移均發(fā)生在跨中位置，向下最大位移為-0.043m，向上最大位移值為0.012m。該橋的撓跨比為1/2186，剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足規(guī)范的要求，該設(shè)計(jì)滿足規(guī)范的要求。

拱塔標(biāo)準(zhǔn)組合最大壓應(yīng)力最小值為-109.4MPa，發(fā)生在拱塔底部的鋼混結(jié)合段，最大值為28.7MPa，發(fā)生在拱塔的頂部。遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Q345qD鋼材的抗拉壓強(qiáng)度，設(shè)計(jì)滿足要求。

橋塔的內(nèi)力、拉索的索力及支座的反力的計(jì)算結(jié)果均能夠滿足相關(guān)規(guī)范的基本要求。