某矮塔斜拉橋整體計算分析研究

謝 銀

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥230088）

1 橋梁總體設(shè)計

主橋長395m，為（105+185+105）m矮塔斜拉橋，剛構(gòu)體系，上部結(jié)構(gòu)主梁為單箱三室大懸臂懸澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，箱梁支點梁高7.0m，跨中梁高3.5m，頂面寬度25.5m，支點底面寬度10m；中腹板厚度50cm，邊腹板厚度由跨中向支點按50cm、60cm、70cm變化；中箱室頂板厚70cm，邊箱室頂板厚28cm；跨中底板厚32cm，支點底板厚130cm；主塔為矩形塔，塔柱計算高度31m，順橋向長5m，橫橋向?qū)挾?.5m；每塔設(shè)置8對斜拉索，拉索橫橋向雙排布置，雙排間距0.8m，梁上索距8.0m，塔上索距1.0m；下部結(jié)構(gòu)主墩為雙肢薄壁墩，雙肢中心間距6.0m，墩壁橫橋向?qū)挾?0m，壁厚1.6m。

整體計算模型全橋共劃分為302個單元，主梁、主塔、主墩用梁單元模擬，拉索用索單元模擬，計算模型如圖1所示。

圖1 主橋計算模型

2 計算荷載

2.1 恒載

含主體結(jié)構(gòu)自重、橫隔板、橋面鋪裝、護欄等，混凝土容重按26.5kN/m3計算。

2.2 活載

公路—I級，按雙向4車道計算；人非荷載，按城市橋梁荷載標準取值。

2.3 整體升、降溫

溫熱地區(qū)混凝土橋最高溫度取34℃，最低溫度取-3℃，合龍溫度按15℃考慮，升溫溫差取最高溫度與合龍溫度差值19℃，降溫溫差取合龍溫度與最低溫度差值18℃。

2.4 梯度溫度

升溫梯度頂板溫度按14℃考慮，距頂板100mm位置處溫度按5.5℃考慮，距頂板400mm位置處溫度按0℃考慮；豎向日照反溫差取日照正溫差乘以-0.5。

2.5 橋墩變位

取過渡墩、主墩各發(fā)生2cm變位的最不利組合。

2.6 施工掛籃

最大懸澆節(jié)段重量3749.2kN，取施工掛籃重量1500kN。

3 計算結(jié)果

3.1 正常使用極限狀態(tài)主梁抗裂檢算

正截面抗裂驗算應(yīng)對構(gòu)件正截面混凝土的主拉應(yīng)力進行驗算，全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，在作用(或荷載)短期效應(yīng)組合下，對于分段澆注構(gòu)件應(yīng)符合下列要求：σst-0.80σpc≤0。

圖2表明正常使用極限狀態(tài)短期效應(yīng)組合下主梁上、下緣均不出現(xiàn)拉應(yīng)力，正截面抗裂驗算滿足規(guī)范要求。

圖2 正常使用極限狀態(tài)短期效應(yīng)組合主梁最小應(yīng)力圖(單位：MPa)

斜截面抗裂應(yīng)對構(gòu)件斜截面混凝土的主拉應(yīng)力進行驗算，全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，在作用(或荷載)短期效應(yīng)組合下，對于現(xiàn)場澆注構(gòu)件需滿足以下要求：σtp≤0.40ftk。

圖3 正常使用極限狀態(tài)短期效應(yīng)組合主梁主拉應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖3表明正常使用極限狀態(tài)短期效應(yīng)組合下，主梁截面主拉應(yīng)力較小，最大主拉應(yīng)力發(fā)生在主墩位置處，為0.86MPa，滿足允許值1.10MPa的要求。

3.2 正常使用極限狀態(tài)主梁正截面壓應(yīng)力檢算

使用階段預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件正截面混凝土的壓應(yīng)力應(yīng)符合下列要求：σkc+σpt≤0.5fck。

圖4 正常使用極限狀態(tài)主梁最大壓應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖4表明正常使用極限狀態(tài)標準組合下，主梁上緣最大壓應(yīng)力16.48MPa，下緣最大壓應(yīng)10.57MPa，均滿足允許值17.8MPa的要求。

3.3 正常使用極限狀態(tài)主梁斜截面主壓應(yīng)力檢算

預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件由作用(或荷載)標準值和預(yù)加力產(chǎn)生的混凝土主壓應(yīng)力應(yīng)符合下列規(guī)定：

圖5 正常使用極限狀態(tài)主梁主壓應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖5表明正常使用極限狀態(tài)主梁最大主壓應(yīng)力16.6MPa，滿足允許值21.3MPa的要求。

3.4 短暫狀況構(gòu)件應(yīng)力檢算

橋梁構(gòu)件按短暫狀況設(shè)計時，應(yīng)計算其在制作、運輸及安裝等施工階段，由自重、施工荷載等引起的正截面應(yīng)力不應(yīng)超過規(guī)范允許值，預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件，在預(yù)應(yīng)力和構(gòu)件自重等施工荷載作用下截面邊緣混凝土的法向應(yīng)力應(yīng)符合下列規(guī)定：

圖6、圖7表明最大懸臂階段主梁上緣最大應(yīng)力11.0MPa，下緣最大應(yīng)力10.5MPa；成橋階段主梁上緣最大應(yīng)力11.4MPa，下緣最大應(yīng)力11.2MPa，均滿足允許最大值19.9MPa的要求。

3.5 正常使用極限狀態(tài)主梁撓度檢算

圖6 最大懸臂階段主梁應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖7 成橋階段主梁應(yīng)力圖(單位：MPa)

本橋短期效應(yīng)組合下主梁最大豎向位移為16.1cm，結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的豎向位移為13.3cm，撓度長期增長系數(shù)ηθ=1.4，因此，主梁撓度值為：1.4×（16.1-13.3）=3.9cm＜1/600×185=30.8cm

3.6 主墩正常使用極限狀態(tài)抗裂檢算

本橋為I類環(huán)境，裂縫允許值為0.20mm；為取得較合理的主墩構(gòu)造，對比分析了主墩裂縫在不同墩高、壁厚、墩間距情況下的裂縫值（見表1、表2、表3）。

主墩裂縫與墩高關(guān)系表 表1

主墩裂縫與墩高關(guān)系表 表2

墩裂縫與墩間距關(guān)系表 表3

圖8 墩高23m壁厚1.6m間距6m時正常使用極限狀態(tài)短期效應(yīng)組合主墩裂縫寬度圖(單位：mm)

如圖8所示，正常使用極限狀態(tài)短期效應(yīng)組合并考慮長期效應(yīng)影響后，主墩上、下緣最大裂縫寬度均為0.091mm，滿足最大裂縫寬度0.20mm限值的要求。

3.7 正常使用極限狀態(tài)拉索索力檢算

圖9 正常使用極限狀態(tài)拉索索力圖(單位：kN)

正常使用極限狀態(tài)拉索最大軸力為13219kN，最小軸力為9118kN。

4 結(jié)語

通過以上驗算內(nèi)容可知，主梁在正常使用極限狀態(tài)下及短暫狀態(tài)下的應(yīng)力、變形均滿足規(guī)范要求。

雙肢薄壁墩的裂縫寬度受墩高影響最為顯著，壁厚次之，肢距對裂縫寬度基本沒有影響。

部分斜拉橋因為其景觀效果好、結(jié)構(gòu)受力合理、跨徑布置靈活、施工簡便、經(jīng)濟性好等諸多優(yōu)點，越來越受到青睞。本文所設(shè)計計算的（105+185+105）m部分斜拉橋可為以后相似工程提供設(shè)計參考。