公路兩用斜拉橋鋼混組合梁與鋼桁梁對比分析

付強　遲東彪

摘要：在山區(qū)大跨徑斜拉橋主梁方案設(shè)計中，鋼結(jié)構(gòu)加勁梁主要考慮鋼桁梁及鋼混組合梁。已建成的滿足兩種及兩種以上交通功能的斜拉橋，主梁形式多采用鋼桁梁，以公鐵合建橋為主。文章以某山區(qū)主跨為480 m的公路斜拉橋為工程背景，針對單層鋼混組合梁及雙層鋼桁梁方案，從力學(xué)性能、施工方案、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行對比分析，提出一種適合多功能山區(qū)公路的斜拉橋設(shè)計方案，可為今后同類橋梁建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：斜拉橋;鋼桁梁;鋼混組合梁;對比分析

中國分類號：U443.33文章標(biāo)識碼：A311204

0 引言

近些年來，公路結(jié)合梁斜拉橋技術(shù)在國內(nèi)外應(yīng)用廣泛，在設(shè)計和施工方面均積累了豐富的經(jīng)驗。目前已建成通車的最大跨徑結(jié)合梁斜拉橋主跨達(dá)到638 m（安徽望東長江大橋），在建的湖北赤壁長江大橋跨徑達(dá)到720 m。由于其鋼結(jié)構(gòu)在工廠制作，現(xiàn)場吊裝拼接方便，節(jié)省結(jié)構(gòu)用鋼量，具有良好的橋面鋪裝性能，后期養(yǎng)護(hù)費用低，也是極具競爭力的主梁形式。本文以宜來高速公路項目中的柴埠溪特大橋為例，從主梁剛度、穩(wěn)定性、施工方案、工程量及經(jīng)濟(jì)性等方面對兩種主梁方案進(jìn)行對比分析。

1 工程概述

柴埠溪特大橋主橋為（68+144+480+144+68）m雙塔雙索面鋼混組合梁斜拉橋，半漂浮體系。橋型布置如圖1所示。主橋主梁采用組合梁，組合梁全寬38.9 m，中心斷面全高3.56 m，雙工字鋼縱梁肋間距為38.0 m，梁高3.0 m，組合梁主體結(jié)構(gòu)采用Q420qE。橋面板設(shè)2%和1.13%雙向橫坡。全橋共劃分79個組合梁梁段，組合梁標(biāo)準(zhǔn)梁段長12.0 m，邊跨處梁段長8 m。主塔采用H形橋塔，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。宜都側(cè)承臺以上塔高215.0 m，來鳳側(cè)承臺以上塔高170.0 m。斜拉索采用平行雙索面扇形布置，斜拉索的錨固為在塔端設(shè)置張拉端，梁端為錨固端。梁上索距與主梁節(jié)段長度一致，為8 m或12 m，全橋共設(shè)4×18對斜拉索。

目前國內(nèi)同一座橋?qū)崿F(xiàn)多種交通功能的斜拉橋多采用雙層橋面布置，特別是公鐵兩用橋梁，其主梁均為鋼桁梁。本文研究橋梁為高速公路與地方道路合建橋，橋梁斷面布置可采用雙層布置的鋼桁梁方案或單層布置的鋼混組合梁方案。如圖2、表1所示。

考慮到高速公路斷面為四車道斷面，與省道兩車道斷面相差較大，鋼桁梁方案可采用兩片直主桁外設(shè)副桁斷面方案。桁式采用“N”形桁，桁高8.5 m，節(jié)間距12 m，主桁橫向中心距為14 m，主桁節(jié)點處兩側(cè)設(shè)傾斜副桁，副桁上弦橫向中心距為27.5 m，上端連接副桁節(jié)點，下端連接下弦節(jié)點。斜拉索布置在上層橋面副桁上弦桿上，中心距為27.5 m，主梁橫斷面布置如圖3所示。

借鑒國內(nèi)山區(qū)斜拉橋設(shè)計及建造經(jīng)驗，本文通過建立有限元模型，對兩種不同的加勁梁形式進(jìn)行受力性能分析。

2 有限元模型

采用土木結(jié)構(gòu)分析軟件Midas Civil 2019對全橋運營狀態(tài)計算分析。全橋采用三維梁單元模擬索塔、橋墩、主梁，橋面板采用板單元模擬，采用桁架單元模擬斜拉索。邊界條件如下：輔助墩、過渡墩、塔梁交界處為豎向、橫向約束;塔下橫向抗風(fēng)支座用只受壓彈性約束模擬;塔墩底按照固結(jié)模擬。如圖4、圖5所示。

3 對比分析

3.1 荷載效應(yīng)對比

兩個主梁方案考慮的荷載效應(yīng)主要有恒載及可變荷載兩部分，恒載包括結(jié)構(gòu)重力、支座沉降、預(yù)加力、收縮徐變等，可變荷載包括汽車、制動力、溫度荷載和交通風(fēng)荷載，偶然荷載包括百年一遇風(fēng)荷載。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）的規(guī)定，對荷載進(jìn)行荷載組合。

鋼混組合梁方案成橋狀態(tài)主梁最大壓應(yīng)力為149.5 MPa，最大拉應(yīng)力為31.9 MPa。附加組合包絡(luò)主梁最大壓應(yīng)力為270.4 MPa，最大拉應(yīng)力為81.1 MPa。鋼桁梁方案成橋狀態(tài)主梁最大壓應(yīng)力為133.4 MPa，最大拉應(yīng)力為58.8? MPa。附加組合包絡(luò)主梁最大壓應(yīng)力為294.1 MPa，最大拉應(yīng)力為190.1 MPa。

成橋狀態(tài)下，組合梁的斜拉索恒載索力普遍大于鋼桁梁斜拉索恒載索力;對比兩者斜拉索的活載應(yīng)力幅，組合梁方案更具優(yōu)勢。對比圖如圖6、圖7所示。

通過計算分析得出：

（1）運營階段鋼桁梁方案的最大壓應(yīng)力較組合梁方案低8.8%左右，而最大拉應(yīng)力則相差較大。兩個方案均能很好地滿足設(shè)計要求。

（2）兩個方案的斜拉索索力均按索長由短到長逐漸遞增。對比鋼桁梁，由于鋼混組合梁梁端加厚了混凝土橋面板，造成尾索索力較大。對比一個主梁節(jié)段重量，鋼混組合梁較鋼桁梁方案重約80%，鋼混組合梁方案整體索力均較大，對應(yīng)斜拉索的型號也較大。

3.2 剛度對比

結(jié)構(gòu)的變形是結(jié)構(gòu)剛度最直觀的體現(xiàn)，經(jīng)過對比分析，分別計算了兩個方案在活載、風(fēng)荷載作用下的位移值。計算結(jié)果詳見表2。

（1）汽車荷載作用下主梁最大豎向撓度和為：fmax=0.529/0.397 m

（2）在百年一遇縱風(fēng)作用下，兩種方案主塔位移量相差不大。百年一遇橫風(fēng)作用下，由于鋼桁梁受風(fēng)荷載影響較大，主梁的橫向位移較鋼混組合梁方案略大。計算結(jié)果表明索塔和主梁橫向剛度強，能滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。

3.3 穩(wěn)定性對比

大跨度斜拉橋主梁和索塔都是壓彎構(gòu)件，索塔較高而主梁較輕，穩(wěn)定性問題尤為突出。本文主要對比施工階段及成橋階段的穩(wěn)定性。對施工階段而言，最大懸臂狀態(tài)的穩(wěn)定性對整個施工階段起著控制性的作用，本階段主要考慮的荷載有自重、初拉力及施工荷載。成橋階段需考慮自重、成橋索力及二期鋪裝對穩(wěn)定性的影響。

第一類穩(wěn)定問題的分析一般采用有限元方法，解得臨界荷載系數(shù)即第一類穩(wěn)定系數(shù)。兩種方案的穩(wěn)定系數(shù)見表3。

由表可知，兩種方案成橋狀態(tài)及施工階段結(jié)構(gòu)體系第一類穩(wěn)定安全系數(shù)均>4，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

3.4 施工方案對比

鋼桁梁方案主梁可采用工廠加工桁架桿件、現(xiàn)場拼裝，再采用雙懸臂懸拼的施工方案。該方案優(yōu)點是“化整為零”“散件運輸”，可較好地適應(yīng)山區(qū)比較復(fù)雜的運輸條件;但其對現(xiàn)場拼裝的技術(shù)要求較高，質(zhì)量不易保證，且施工工期較長。鋼混組合梁方案單個節(jié)段可在工廠加工，現(xiàn)場簡單拼裝后采用雙懸臂懸拼。該方案現(xiàn)場拼裝質(zhì)量易于保證，缺點是單個節(jié)段體積較大，對運輸條件有一定要求。

兩種方案索塔及基礎(chǔ)施工方案相同。索塔塔柱采用爬模分段澆筑施工，泵送混凝土?；A(chǔ)采用鉆（挖）孔灌注樁基礎(chǔ)。

3.5 工程量及造價對比

橋梁設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性對確定合理的橋梁方案、節(jié)省造價、提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益有著重要的作用。材料的用量是經(jīng)濟(jì)性的主要控制指標(biāo)。對比兩個方案，鋼桁梁方案主梁用鋼量大，約18 128 t;鋼混組合梁方案主梁用鋼量較省，約13 186 t。

主跨480 m不是鋼桁梁斜拉橋的經(jīng)濟(jì)跨徑，造價較高，主橋建安費約8.0億元，經(jīng)濟(jì)性較差。鋼混組合梁方案工程造價較低，主橋建安費約6.5億元。在同等使用功能及應(yīng)力指標(biāo)下，鋼混組合梁的經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于鋼桁梁。

4 結(jié)語

斜拉橋主梁的設(shè)計是斜拉橋設(shè)計的關(guān)鍵。鋼結(jié)構(gòu)加勁梁形式主要有鋼箱梁、鋼桁梁及鋼混組合梁，鑒于山區(qū)運輸條件比較復(fù)雜，鋼箱梁運輸不便，不具備整體吊裝條件。本文主要對鋼桁梁及鋼混組合梁兩種主梁方案進(jìn)行對比分析。分析結(jié)果可知，在剛度、工程量及造價方面，鋼混組合梁方案均優(yōu)于鋼桁梁方案。對于山區(qū)大跨徑斜拉橋設(shè)計而言，鋼混組合梁方案因其鋼結(jié)構(gòu)為工廠制作，現(xiàn)場吊裝拼接方便，結(jié)構(gòu)用鋼量少，具有良好的橋面鋪裝性能，后期養(yǎng)護(hù)費用低，是一種理想的主梁方案選擇。

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