1 600 m 雙塔自錨式斜拉橋結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析

姜洋

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

斜拉橋是由塔、梁、索和基礎(chǔ)共同受力的結(jié)構(gòu)體系，因其跨越能力強(qiáng)、受力明確合理、力學(xué)性能好、造型優(yōu)美等優(yōu)點(diǎn)，在過去半個(gè)多世紀(jì)里取得了快速的發(fā)展。近年來，斜拉橋的主跨跨徑記錄不斷刷新，我國在建的常泰長(zhǎng)江大橋主跨已達(dá)1 176 m。隨著斜拉橋主跨跨徑的增加，主梁的高跨比越來越小，橋塔高度越來越高，橋梁整體穩(wěn)定性問題已成為其主跨跨徑進(jìn)一步增加的限制因素[1-4]。

對(duì)于主跨1 600 m 的自錨式斜拉橋，橋塔處主梁承受巨大的軸向壓力，主梁的整體穩(wěn)定性成為控制結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵因素。現(xiàn)以某公路通道方案為工程背景，對(duì)影響超大跨徑自錨式斜拉橋結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的一些主要因素開展參數(shù)研究。

1 總體布置方案

某公路通道位于河口變遷河段，河槽沖刷深度達(dá)40m 以上，由于河槽不穩(wěn)定，通航寬度不僅需要考慮深槽寬度，還必須為河槽的變遷預(yù)留足夠的空間。依據(jù)現(xiàn)有水文、通航資料和可選橋址進(jìn)行研判，橋位處主橋跨徑需求為單主跨1 600 m。

主橋設(shè)計(jì)方案的橋型結(jié)構(gòu)為雙塔自錨式斜拉橋，橋跨布置為3×110+390+1 600+390+ 3×110=3040（m），邊中跨比0.45。橋塔處主梁為豎向支撐體系，橫向設(shè)置抗風(fēng)支座，橋塔處設(shè)置塔梁間縱橋向彈性索，采用沉井基礎(chǔ)，總體布置如圖1 所示。

圖1 主跨1 600 m 雙塔自錨式斜拉橋總體布置圖（單位：m）

橋塔高度為430 m，其中橋面以上橋塔高度為350 m，下塔柱高度為80 m。橋塔縱橋向?yàn)楠?dú)柱型，塔頂縱橋向尺寸為12 m，塔底為25 m；橫橋向?yàn)殂@石型，塔頂橫橋向尺寸為12 m，塔底為15 m，見圖2 所示。

圖2 橋塔布置圖（單位：m）

主梁采用分離式（中央開槽）扁平鋼箱梁斷面形式，全寬52 m，高度5.5 m。頂板板厚16 mm，底板板厚28~60 mm，腹板板厚20~50 mm，見圖3 所示。

圖3 主梁標(biāo)準(zhǔn)斷圖（單位：cm）

斜拉索為雙索面扇形布置，梁上拉索錨點(diǎn)位于主梁兩側(cè)，塔中心處標(biāo)準(zhǔn)索距為2.5 m，梁上標(biāo)準(zhǔn)索距為20 m，邊跨梁端索距減小到16 m 和12 m。斜拉索采用平行鋼絲拉索，最大拉索規(guī)格φ7-547。

2 結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性參數(shù)分析

經(jīng)試算，結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)兩種失穩(wěn)模態(tài)，分別為主跨和邊跨主梁失穩(wěn)，失穩(wěn)模態(tài)分別見圖4 和圖5 所示。

圖4 主跨主梁失穩(wěn)圖示

圖5 邊跨主梁失穩(wěn)圖示

接著，對(duì)影響斜拉橋結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的五個(gè)主要因素，即主梁梁高、輔助墩數(shù)量、塔梁約束、橋塔高度和塔上錨固間距進(jìn)行參數(shù)分析，以確定各參數(shù)的合理取值。

2.1 主梁梁高

邊跨設(shè)置三個(gè)輔助墩，塔梁間縱橋向彈性索剛度為100 MN/m，主梁梁高分別取5.0 m、5.5 m 和6.0 m時(shí)，結(jié)構(gòu)的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)見表1 所列。

表1 梁高對(duì)一階彈性穩(wěn)定系數(shù)的影響一覽表

從表1 可以得出以下主要結(jié)論：

（1）在邊跨設(shè)置三個(gè)輔助墩時(shí)，失穩(wěn)模態(tài)均為中跨主梁失穩(wěn)；

（2）隨著梁高的增加，中、邊跨一階彈性穩(wěn)定系數(shù)均隨之增加。

增加梁高有利于提高結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，但梁高增加將導(dǎo)致主梁迎風(fēng)面積增加，主梁承受的橫風(fēng)荷載增大，使得結(jié)構(gòu)在極限橫風(fēng)作用下的中跨跨中橫橋向位移增大，且橋塔的橫橋向彎矩也將增加。

因此，在滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下，應(yīng)選取盡量小的梁高。當(dāng)梁高為5.5 m 時(shí)，結(jié)構(gòu)的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)為4.346，大于4.0，滿足規(guī)范要求。

2.2 輔助墩數(shù)量

塔梁間縱橋向彈性索剛度為100 MN/m，主梁梁高為5.5 m，輔助墩數(shù)量分別為1 個(gè)、2 個(gè)和3 個(gè)時(shí)，結(jié)構(gòu)的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)見表2 所列。

表2 輔助墩數(shù)量對(duì)一階彈性穩(wěn)定系數(shù)的影響一覽表

從表2 可以得出以下主要結(jié)論：

（1）隨著輔助墩數(shù)量的增加，中、邊跨主梁的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)均增大；

（2） 輔助墩數(shù)量對(duì)中跨主梁一階彈性穩(wěn)定系數(shù)的影響很小，對(duì)邊跨主梁一階彈性穩(wěn)定系數(shù)的影響相對(duì)更大；

（3）當(dāng)輔助墩數(shù)量為1 個(gè)和2 個(gè)時(shí)，邊跨主梁先于中跨主梁失穩(wěn)；當(dāng)輔助墩數(shù)量為3 個(gè)時(shí)，中跨主梁先于邊跨主梁失穩(wěn)。

因此，輔助墩數(shù)量可選取為3 個(gè)，可顯著提高邊跨主梁的穩(wěn)定性。

2.3 塔梁約束

主梁梁高為5.5 m，邊跨設(shè)置3 個(gè)輔助墩，塔梁間縱橋向彈性索剛度選取為0～400 MN/m 以及縱向固定約束時(shí)，結(jié)構(gòu)的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)見表3 所列。

從表3 可以得出以下主要結(jié)論：

表3 塔梁約束對(duì)一階彈性穩(wěn)定系數(shù)的影響一覽表

（1）彈性索縱向剛度對(duì)邊跨主梁的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)影響很??；

（2）隨著彈性索縱向剛度的增加，中跨主梁的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)逐漸增加，但增加的速率越來越小。

隨著彈性索縱向剛度的增加，主梁的梁端縱向位移逐漸減小，但塔底的縱向彎矩大幅增加，因此彈性索縱向剛度不宜取值過大。

當(dāng)彈性索縱向剛度取50 MN/m 時(shí)，結(jié)構(gòu)的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)為4.188，大于4.0，滿足規(guī)范要求。

2.4 橋塔高度

主梁梁高為5.5 m，邊跨設(shè)置3 個(gè)輔助墩，塔梁間縱橋向彈性索剛度為50 MN/m，橋塔高度分別選取為430 m、420 m 和410 m 時(shí)，結(jié)構(gòu)的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)見表4 所列。

表4 橋塔高度對(duì)一階彈性穩(wěn)定系數(shù)的影響一覽表

從表4 可以得出以下主要結(jié)論：

（1）隨著橋塔高度的降低，拉索的水平傾角變小，拉索的水平分力增加，使得主梁的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)也隨之降低；

（2）橋塔高度對(duì)于中跨主梁的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)影響更大。

增加橋塔高度可提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，但也隨之增大了橋塔的施工難度，因此在滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下，應(yīng)選取小的橋塔高度，430 m 的橋塔高度是合適的。

2.5 塔上錨固間距

橋塔高度保持430 m 不變，塔上錨固間距分別為2.2 m、2.5 m 和2.8 m 時(shí)，結(jié)構(gòu)的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)見表5 所列。

表5 塔上錨固間距對(duì)一階彈性穩(wěn)定系數(shù)的影響一覽表

從表5 可以得出以下主要結(jié)論：

（1）橋塔高度不變時(shí)，隨著塔上錨固間距的增加，拉索的水平傾角變小，拉索的水平分力增加，使得主梁的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)也隨之降低；

（2）塔上錨固間距對(duì)于中、邊跨主梁的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)影響程度接近。

減小塔上錨固間距可提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，因此可根據(jù)斜拉索在塔上錨固構(gòu)造的空間要求確定斜拉索的塔上錨固間距。

3 結(jié)語

本文對(duì)1 600 m 雙塔自錨式斜拉橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行了參數(shù)分析，得到以下主要結(jié)論：

（1）在滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下，應(yīng)選取盡量小的梁高；當(dāng)梁高為5.5 m 時(shí)，結(jié)構(gòu)的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)為4.346，大于4.0，滿足規(guī)范要求。

（2）當(dāng)輔助墩數(shù)量為1 個(gè)和2 個(gè)時(shí)，邊跨主梁先于中跨主梁失穩(wěn)；當(dāng)輔助墩數(shù)量為3 個(gè)時(shí)，中跨主梁先于邊跨主梁失穩(wěn)，并可顯著提高邊跨主梁的穩(wěn)定性。

（3）為了減小塔底的縱向彎矩，彈性索縱向剛度不宜取值過大；當(dāng)彈性索縱向剛度取50 MN/m 時(shí)，結(jié)構(gòu)的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)為4.188，大于4.0，滿足規(guī)范要求。

（4）在滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下，應(yīng)選取小的橋塔高度，430 m 的橋塔高度是合適的。

（5）減小塔上錨固間距可提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，可根據(jù)斜拉索在塔上錨固構(gòu)造的空間要求確定斜拉索的塔上錨固間距。