勐古怒江特大橋主橋斜拉橋鋼箱梁設(shè)計(jì)難點(diǎn)

袁少洋，馬 健，張 皓，朱 忠

（云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650011）

1 項(xiàng)目概況

勐古怒江特大橋主橋?yàn)樵颇鲜∈鬃蛛x式鋼箱梁半漂浮體系斜拉橋，跨徑組合為（100+240+100）m，邊中跨比約為0.417，總體布置見圖1[1]。考慮橋址區(qū)各種不利因素，主橋鋼梁采用分離式扁平流線型鋼箱梁；箱梁內(nèi)外均設(shè)置橫隔板以增強(qiáng)箱梁受力整體性；斜拉索塔端直接錨固于混凝土齒塊，梁端采用鋼錨拉板直接與邊腹板焊接傳遞索力。基于橋址區(qū)現(xiàn)場施工條件，主梁采用纜索吊裝法施工。

圖1 主橋立面布置圖（單位：cm）

2 鋼箱梁總體設(shè)計(jì)

為改善主橋結(jié)構(gòu)受力及橋梁景觀需要，主梁縱斷面位于路線變坡點(diǎn)在中跨跨中處的凸曲線上，兩側(cè)路線縱坡均為0.5%，豎曲線半徑R=35 000 m，切線T=175 m，偏距E=0.44 m；路線平面位于直線段。主梁全寬30.1 m（含兩側(cè)風(fēng)嘴寬度），至索塔處縮窄至26.5 m；箱梁從頂板底面至底板頂面高為2.8 m。主橋鋼箱梁采用Q345qC 型鋼材，分離式鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面見圖2[1]。斜拉索梁端采用鋼錨拉板直接與邊腹板焊接（鋼錨拉板采用Q420qD 型鋼材），標(biāo)準(zhǔn)間距為9 m，邊跨尾端加密至6 m。

斜拉橋主梁采用半漂浮體系，索塔處設(shè)置橫橋向鋼阻尼器、順橋向黏滯阻尼器，交界墩處設(shè)置橫橋向鋼阻尼器以改善主梁在地震下的響應(yīng)。

為避免使用過程中出現(xiàn)負(fù)反力，在過渡墩處設(shè)置集中荷載、邊跨設(shè)置均布荷載壓重。

圖2 分離式鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：cm）

3 鋼箱梁構(gòu)造要點(diǎn)

本橋位于高速公路整體式路基寬度為25.5 m的直線段，設(shè)計(jì)橫橋向斜拉索間距26.5 m，分離式單箱寬度7.1 m（不含風(fēng)嘴），箱梁間距12.3 m，箱梁設(shè)置10 mm 橫橋向預(yù)拱值以保證成橋橫坡準(zhǔn)確；為改善箱梁結(jié)構(gòu)氣動(dòng)性能，箱梁兩側(cè)各設(shè)置1.8 m 寬風(fēng)嘴同時(shí)作為主梁檢修通道使用，鋼箱梁典型橫斷面見圖3[1]。

圖3 鋼箱梁典型橫斷面（單位：mm）

a）主梁梁段劃分。考慮主梁受力、運(yùn)輸設(shè)備、起吊能力、橋位處自然條件等因素，主梁共劃分6 種類型共計(jì)57 個(gè)梁段，其中主跨標(biāo)準(zhǔn)梁段長為9 m，起吊重量約109.3 t；邊跨梁段由于斜拉索加密，標(biāo)準(zhǔn)梁段有 6 m 和 9 m 兩種，邊跨 6 m 起吊重量約73.3 t；中跨合龍段長8 m，起吊重量約99.9 t；邊跨合龍段長4.6 m，起吊重量約77.5 t。

b）頂、底板及其加勁肋。鋼箱梁頂板采用正交異性鋼橋面板，考慮鋼箱梁構(gòu)造及施工需要同時(shí)有利于提高橋面板剛度和抗疲勞性能，減少橋面鋪裝病害的發(fā)生，較好地適應(yīng)重載交通的不利影響，主梁頂板厚度取用16 mm，其采用板厚8 mm 的U 型加勁肋。加勁肋上口寬300 mm，下口寬170 mm，高度280 mm，間距600 mm，順橋向采用高強(qiáng)螺栓連接。

底板分為傾斜底板和水平底板，根據(jù)受力需要，底板板厚在靠近索塔區(qū)梁段采用18 mm，其余均采用14 mm，其采用板厚6 mm 的U 型加勁肋。加勁肋上口寬190 mm，下口寬340 mm，高度260 mm，間距680 mm，順橋向采用焊接連接。

c）腹板。主橋斜拉索為空間扇形雙索面布置，每個(gè)斜拉索角度均不相同，為使錨拉板與斜拉索傳力順暢且方便施工，邊腹板與鉛垂線夾角全橋統(tǒng)一設(shè)置為8.5°；中腹板與鉛垂線夾角為17.62°。邊腹板板厚取用24 mm，共設(shè)置兩道200×16 mm 板式加勁肋；中腹板近索塔區(qū)板厚取用20 mm，其余均采用12 mm，共設(shè)置 5 道 140×12 mm 板式加勁肋，其均在橫隔板上連續(xù)開孔通過。

d）橫隔板。橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距3 m，腹板由上板和下板拼合而成，上板厚為12 mm，下板在拉索錨固隔板加厚至12 mm，其余隔板均為10 mm，在靠近斜拉索錨固區(qū)域隔板局部加強(qiáng)至16 mm。

端部梁段隔板考慮支座設(shè)置和集中壓重的受力需求，采用14 mm 板厚。

4 鋼箱梁主要計(jì)算結(jié)果

鋼箱梁的橋面板為正交異性鋼橋面板，而鋼橋面板不僅作為橋面系直接承受車輛荷載，還作為主梁結(jié)構(gòu)的一部分參與主梁共同受力，具有復(fù)雜的力學(xué)行為，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)可按3 個(gè)受力體系進(jìn)行受力計(jì)算，其結(jié)構(gòu)系Ⅰ為頂板和縱肋組成的結(jié)構(gòu)系作為主梁的一個(gè)組成部分，參與主梁共同受力，成為主梁體系；結(jié)構(gòu)系Ⅱ由縱肋、橫肋和頂板組成的結(jié)構(gòu)系，頂板被看成縱肋、橫肋上翼緣的一部分，成為橋面體系。結(jié)構(gòu)系Ⅲ把設(shè)置在肋上的頂板看成是各向同性的連續(xù)板，直接承受作用于肋間的輪荷載，同時(shí)把輪荷載傳遞到肋上，成為蓋板體系。設(shè)計(jì)鋼橋面板時(shí)，結(jié)構(gòu)系Ⅲ的應(yīng)力往往可以忽略不計(jì)[2]。鋼橋面板的強(qiáng)度主要受Ⅰ、Ⅱ體系疊加應(yīng)力控制。

4.1 結(jié)構(gòu)系Ⅰ應(yīng)力計(jì)算

鋼箱梁作為斜拉橋的組成部分參與全橋受力，承擔(dān)恒載、活載、溫度等作用。依據(jù)實(shí)際施工流程建立有限元計(jì)算模型，對(duì)鋼箱梁結(jié)構(gòu)在施工階段和正常使用階段進(jìn)行逐階段受力分析。經(jīng)計(jì)算，橋梁結(jié)構(gòu)在基本組合下，鋼箱梁上緣最大拉應(yīng)力88 MPa，最大壓應(yīng)力72 MPa；下緣最大拉應(yīng)力153 MPa，最大壓應(yīng)力161 MPa。

4.2 結(jié)構(gòu)系Ⅱ應(yīng)力計(jì)算

按正交異性橋面板實(shí)際構(gòu)造建立板殼單元模型，共建立五跨橋面板。計(jì)算模型見圖4。分別在縱橫向按照一定的步幅施加車輛荷載后對(duì)應(yīng)力取包絡(luò)值。經(jīng)計(jì)算，在荷載基本組合作用下，橋面板最大拉應(yīng)力為70 MPa，最大壓應(yīng)力為60 MPa。與第一體系應(yīng)力組合后，鋼箱梁應(yīng)力均小于設(shè)計(jì)允許值[3]。

圖4 橋面體系板殼單元計(jì)算模型

4.3 主梁設(shè)計(jì)難點(diǎn)

4.3.1 標(biāo)準(zhǔn)梁段局部計(jì)算

主梁采用分離式鋼箱梁設(shè)計(jì)，設(shè)置箱內(nèi)外隔板以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)受力整體性，因此隔板受力復(fù)雜。需對(duì)箱梁內(nèi)外橫隔板受力進(jìn)行計(jì)算以保證結(jié)構(gòu)安全，取邊跨6 m 標(biāo)準(zhǔn)段建立板殼單元模型（見圖5）。

圖5 鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段模型

橫向計(jì)算考慮自重和車輛兩種荷載，活載采用兩種布載工況：a）工況1 車輛荷載于斜拉索處橫隔板對(duì)稱布載；b）工況2 車輛荷載于非斜拉索處橫隔板對(duì)稱布載。計(jì)算結(jié)果表明（見圖6、圖7），橫隔板最大應(yīng)力均小于設(shè)計(jì)允許值；橫隔板活載特征值屈曲系數(shù)大于4，受力滿足規(guī)范[3]要求。

圖6 橫隔板Mises 應(yīng)力分布（單位：MPa）

圖7 一階屈曲模態(tài)形狀

4.3.2 梁端壓重區(qū)局部計(jì)算

依據(jù)斜拉橋整體受力分析，在邊跨梁端需設(shè)置集中壓重以避免運(yùn)營期間支座處出現(xiàn)上拔力，因此需要對(duì)梁端集中壓重處進(jìn)行局部分析以保證結(jié)構(gòu)安全，建立板殼單元模型如圖8。

圖8 端橫梁板殼單元計(jì)算模型

按照規(guī)范要求設(shè)置車輛荷載正載（工況1）和偏載（工況2）工況，經(jīng)計(jì)算分析工況1 作用下橫梁所有構(gòu)件均滿足規(guī)范要求，最大應(yīng)力為232 MPa（詳見圖9），小于設(shè)計(jì)允許值270 MPa[3]；在工況2 作用下端橫梁所有構(gòu)件受力均滿足規(guī)范要求，且絕大部分構(gòu)件安全系數(shù)均較高（詳見圖10），僅在隔板與U 肋連接位置及支座支承隔板底部區(qū)域局部應(yīng)力超過設(shè)計(jì)值[3]，因本模型未關(guān)注加勁肋與橫隔板連接細(xì)部構(gòu)造，并未設(shè)置U 肋切口，模擬存在失真，故該位置應(yīng)力不做參考指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

對(duì)端橫梁橫隔板進(jìn)行彈性穩(wěn)定分析，結(jié)果表明端橫梁橫隔板在工況2 作用下其一階屈曲恒載系數(shù)大于1.12，受力滿足規(guī)范要求。橫隔板活載特征值屈曲系數(shù)大于4，受力滿足規(guī)范要求[3]。

圖9 工況1 作用下端橫梁Mises 應(yīng)力分布（單位：MPa）

圖10 工況2 端橫梁Mises 應(yīng)力分布（單位：MPa）

4.3.3 錨拉板局部計(jì)算

斜拉索梁端采用錨拉板直接與邊腹板焊接以傳遞索力的錨固形式，錨拉板為重要的傳力構(gòu)造。為確保結(jié)構(gòu)受力安全，選擇索力最大的錨拉板B12（邊跨最外側(cè)錨拉板）建立實(shí)體有限元模型進(jìn)行局部應(yīng)力分析，錨拉板典型構(gòu)造見圖11。計(jì)算荷載以基本組合下索力（6 023 kN）施加于套筒錨固面，同時(shí)在節(jié)段前端面施加索力沿順橋向分力的反力，邊界條件為對(duì)主梁側(cè)采用固結(jié)邊界。

計(jì)算結(jié)果表明（見圖12），B12 錨拉板在基本組合最大索力作用下絕大部分應(yīng)力均小于設(shè)計(jì)允許值270 MPa[3]，但是在錨墊板與拉板的接觸位置以及套筒與板件的連接位置均出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，總的超限范圍面積在0.2～3 cm2，分布范圍小且多位于焊縫根部及部分過焊孔區(qū)域。對(duì)于這部分應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯的位置，在施工過程中必須確保焊接后打磨勻順并進(jìn)行錘擊減少焊接殘余應(yīng)力的影響，盡量增大焊縫接觸面積，避免出現(xiàn)裂紋?？傮w而言錨拉板受力滿足規(guī)范要求[3]。

圖11 錨拉板典型構(gòu)造

圖12 錨拉板Mises 應(yīng)力分布（單位：MPa）

4.4 主梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)

橋址區(qū)風(fēng)場較復(fù)雜且橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)要求較高，因此本橋通過CFD 數(shù)值計(jì)算對(duì)成橋階段和施工階段主梁斷面抗風(fēng)性能進(jìn)行分析。經(jīng)計(jì)算，本橋的顫振臨界風(fēng)速均大于200 m/s，遠(yuǎn)大于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速52.5 m/s，滿足顫振檢驗(yàn)風(fēng)速的要求，表明主梁斷面具有良好的氣動(dòng)穩(wěn)定性能；主梁出現(xiàn)豎向渦激共振，最大振幅為0.055 m，小于豎向渦激共振容許幅值0.071 m；主梁扭轉(zhuǎn)振幅最大值為0.032°，遠(yuǎn)小于扭轉(zhuǎn)渦激共振容許幅值5.8°[4]。

本橋位于Ⅷ度高烈度地震區(qū)，地震動(dòng)參數(shù)專題研究表明橋址區(qū)E1 地震動(dòng)設(shè)計(jì)動(dòng)峰值加速度（50 年超越概率10%）為0.266 5g，E2 地震動(dòng)設(shè)計(jì)動(dòng)峰值加速度（50 年超越概率2%）為0.400 6g[5]。鋼主梁設(shè)置縱向黏滯阻尼器和橫向鋼阻尼器，E2 地震下鋼主梁順橋向位移為±40 cm，橫橋向位移為±25 cm。

5 結(jié)語

本文以云南省首座分離式扁平流線型鋼箱梁斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)該結(jié)構(gòu)形式主梁在高地震烈度山區(qū)大跨度斜拉橋中的設(shè)計(jì)難點(diǎn)進(jìn)行論述：鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)段和壓重區(qū)的橫橋向受力應(yīng)安全可靠，鋼錨拉板應(yīng)采取構(gòu)造和施工措施以減少應(yīng)力集中。本橋在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行了整體力學(xué)計(jì)算和關(guān)鍵部分局部力學(xué)分析，計(jì)算結(jié)果表明鋼箱梁在外部作用下的應(yīng)力等均能滿足相關(guān)規(guī)范要求。通過本橋的修建，能為國內(nèi)高地震烈度區(qū)大跨徑斜拉橋主梁的設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。