拱塔斜拉橋設(shè)計(jì)

李東瀟，孫海波，胡明剛

（山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250031）

1 工程概況

該橋位于遼寧省朝陽(yáng)市，跨越什家子河。為改善人民生活質(zhì)量，提高城市市政基礎(chǔ)設(shè)施水平，加快城市發(fā)展進(jìn)程，急需新建一座橋梁連接新城區(qū)與老城區(qū)，以滿足日益增長(zhǎng)的交通量，同時(shí)為協(xié)調(diào)城市景觀，打造新地標(biāo)，橋梁主橋采用V 型拱塔斜拉橋。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大橋主橋采用兩跨鋼拱塔雙索面斜拉橋，跨徑布置為2×90 m，其中兩個(gè)鋼拱塔呈V 字形布置于中間，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用實(shí)體橋墩，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)。

主梁采用單箱四室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，全寬34 m，梁高2.8 m。頂板厚28 cm，底板厚28 cm，塔處增加至55 cm；腹板厚45 cm，塔處增加至75 cm。拱塔采用V 型雙拱塔，拱塔中心傾斜20°。拱軸線為橢圓形，拱塔斷面為單箱單室鋼箱斷面，寬度由塔根4.5 m 漸變至塔頂2.5 m，為正方形。頂、底、腹板厚均為30 mm，塔根附近增厚至40 mm。標(biāo)準(zhǔn)橫隔板垂直于拱塔軸線，間距2 m 左右，板厚16 mm。斜拉索和水平拉索均采用高強(qiáng)度鍍鋅平行鋼絲外擠包高密度聚乙烯拉索，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 670 MPa，型號(hào)為PES(C)7-151 和PES(C)7-187，全 橋 共40 根。下 部結(jié)構(gòu)塔根采用矩形變截面鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上寬下窄，底部截面10×5.7 m。主墩為正方形實(shí)心混凝土墩，3×3 m。塔根與主墩共用承臺(tái)，承臺(tái)厚4.5 m，上設(shè)二承臺(tái)厚度2 m，承臺(tái)平面形狀為八邊形，寬度24.8 m，主墩兩個(gè)承臺(tái)之間設(shè)系梁，尺寸為8×4.5 m。

主梁按照A 類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，鋼拱塔按照容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)，斜拉索按照極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)[2]。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 有限元模型建立

采用有限元軟件Midas Civil 對(duì)主橋建立模型，進(jìn)行計(jì)算分析。整個(gè)計(jì)算模型共計(jì)268 個(gè)節(jié)點(diǎn)，264個(gè)單元，有限元模型見(jiàn)圖1。

圖1 拱塔斜拉橋有限元模型

3.2 主梁正截面抗彎承載力驗(yàn)算

由圖1、圖2 可以看出，截面的設(shè)計(jì)彎矩均小于極限承載彎矩，各截面的抗彎承載力均滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）要求。

圖2 基本組合下的彎矩抗力及對(duì)應(yīng)內(nèi)力/（kN·m）

3.3 主梁抗裂驗(yàn)算

3.3.1 正截面抗裂驗(yàn)算

由圖3、圖4 可以看出，截面最大拉應(yīng)力1.3 MPa，小于0.7ftk=1.92 MPa，滿足要求。另外，準(zhǔn)永久組合下截面均處于受壓狀態(tài)，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足要求。

圖3 頻遇組合下截面上緣最小正應(yīng)力/MPa

圖4 頻遇組合下截面下緣最小正應(yīng)力/MPa

3.3.2 斜截面抗裂驗(yàn)算

由圖5 可以看出，截面最大主拉應(yīng)力1.17 MPa，小于0.5ftk=1.37 MPa，滿足要求。

圖5 頻遇組合主拉應(yīng)力/MPa

3.4 主梁撓度驗(yàn)算

活載作用下的最大撓度見(jiàn)圖6、圖7，主梁最大豎向撓度為44 mm ＜L/500=180 mm，滿足要求。

圖6 活載作用下的最大撓度/mm

圖7 活載作用下的最小撓度/mm

3.5 鋼拱塔應(yīng)力

由圖8、圖9 可以看出，成橋階段鋼拱塔最大壓應(yīng)力為-79.9 MPa，主力組合（成橋+活載作用）下，鋼拱塔最大壓應(yīng)力為-88.1 MPa，小于規(guī)范規(guī)定的210 MPa。主力+附加力組合作用下，鋼拱塔最大壓應(yīng)力為-114.4 MPa，小于規(guī)范規(guī)定的273 MPa，滿足要求。

圖8 主力組合拱塔應(yīng)力/MPa

圖9 主力+附加力組合拱塔應(yīng)力/MPa

3.6 拉索索力

通過(guò)索力優(yōu)化調(diào)整[3]，見(jiàn)圖10，基本組合下拉索最大索力6 129.9 kN，最大拉應(yīng)力為852 MPa，小于《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）規(guī)定的900 MPa，滿足要求。

圖10 基本組合下拉索索力/kN

4 結(jié)語(yǔ)

V 型拱塔斜拉橋不僅實(shí)現(xiàn)了交通功能需求，憑其獨(dú)特的造型，提高了城市景觀性，成為當(dāng)?shù)匦碌貥?biāo)。通過(guò)索力優(yōu)化調(diào)整，索力分布合理，成橋狀態(tài)下索、梁受力各分擔(dān)50%恒載，拉索和主梁強(qiáng)度均得到了充分利用[1]。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，主梁和鋼拱塔的強(qiáng)度、剛度以及斜拉索強(qiáng)度均滿足要求。