超寬幅矮塔斜拉橋設(shè)計與總體受力性能分析

王楠

（江蘇中設(shè)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 無錫 214072）

矮塔斜拉橋是一種索輔橋梁結(jié)構(gòu)，這種橋梁結(jié)構(gòu)既有梁橋的受力特性，也有斜拉橋的受力特性。通過拉索的輔助支撐效果使得主梁的跨越能力得到進(jìn)一步提升。同時通過對拉索承載比例的控制，使得大部分荷載仍通過主梁自身承擔(dān)，以使其經(jīng)濟(jì)效益在可控范圍之內(nèi)[1-3]。

矮塔斜拉橋的拉索布置主要分為中央索面和外側(cè)雙索面兩種形式。其中設(shè)置中央索面的一般采用平行的雙排拉索錨固與主梁中央位置，為了緩解錨固區(qū)位置的應(yīng)力集中問題，一般在中央拉索錨固位置對主梁頂板進(jìn)行加厚處理，兩側(cè)的懸臂寬度可根據(jù)橫向受力的要求進(jìn)行設(shè)計。對于外側(cè)設(shè)置雙索面的矮塔斜拉橋，一般采用單箱多室結(jié)構(gòu)形式，外側(cè)挑臂的尺寸一般選擇較小，其主要功能是為拉索提供錨固支撐[4-5]?，F(xiàn)有矮塔斜拉橋的設(shè)計中主要秉承了梁橋的受力理念，主梁斷面尺寸較大，箱梁自重大，自重的占比較高。如何通過箱梁的輕型化設(shè)計，降低矮塔斜拉橋的自重，使其承載能力得到更好的發(fā)揮，是矮塔斜拉橋進(jìn)一步發(fā)展過程中需要探索的主要問題之一。

本文以某矮塔斜拉橋?yàn)橐劳?，對超寬幅矮塔斜拉橋的輕型化設(shè)計問題進(jìn)行了研究，探索采用帶肋大懸臂矮塔斜拉橋的合理結(jié)構(gòu)形式和受力性能，以形成一種構(gòu)造新穎的輕型矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)。

1 依托工程概況

本文的依托某城市快速路的建造需求，對超寬幅矮塔斜拉橋的設(shè)計進(jìn)行探討，并對其總體受力性能進(jìn)行分析。依托工程跨越內(nèi)河河道，河床的總體寬度為122m，根據(jù)通航要求，橋梁的主跨跨徑形式宜取為135m，考慮到本橋的主跨跨徑較大，如果采用傳統(tǒng)的連續(xù)梁橋，在運(yùn)營階段易出現(xiàn)下?lián)系炔『?。為了提升橋梁運(yùn)營期的長期性能，提升橋梁綜合品質(zhì)，本橋選用了混凝土矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)形式。綜合考慮本橋的跨徑布置采用75+135+75m，見圖1，采用上下行雙幅布置。

圖1 橋梁總體布置示意圖（單位：m）

根據(jù)交通規(guī)劃的要求，近期橋梁橋位處的通行要求為：5.5m（人行道）+8m（非機(jī)動車道）+（分隔帶）+11.8m（機(jī)動車道）+（分隔帶）+11.8m（機(jī)動車道）+（分隔帶）+8m（非機(jī)動車道）+5.5m（人行道）。遠(yuǎn)期橋位處的通行要求為：2.5m（人行道）+11m（混行車道）+（分隔帶）+11.8m（機(jī)動車道）+（分隔帶）+11.8m（機(jī)動車道）+11m（混行車道）+2.5m（人行道）。在設(shè)計時需要整合考慮近期斷面的布置要求和遠(yuǎn)期改造的需要。

由于橋梁的總寬度較大，為了減小橋梁結(jié)構(gòu)的自重，在設(shè)計中需要對其斷面構(gòu)造開展研究，形成合理斷面構(gòu)造形式，在滿足承載能力的前提下盡可能減小混凝土自重，這也是本橋在設(shè)計過程中需要解決的主要問題。

2 帶肋大懸臂矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 橫向斷面設(shè)計

結(jié)合上述分析，本橋設(shè)計的主思路為“輕型化”設(shè)計思路，將結(jié)構(gòu)的承載性能充分應(yīng)用于抵抗活載效應(yīng)，盡量降低混凝土主梁的自身重量。因此在設(shè)計期間在綜合傳統(tǒng)矮塔斜拉橋斷面設(shè)計的基礎(chǔ)上提出了采用帶肋大懸臂的斷面形式。結(jié)合單索面斜拉橋的受力特點(diǎn)，主梁采用抗扭性能較好的整體式預(yù)應(yīng)力混凝土箱型斷面，采用單箱三室形式，單幅斷面寬度為30m。為了盡可能減輕結(jié)構(gòu)自重提高結(jié)構(gòu)效率，兩側(cè)翼緣板采用帶橫向肋板的大挑臂形式以減輕自重。同時邊腹板采用60°斜腹板形式，減小主梁底板的混凝土用量，達(dá)到最大程度降低重量的目標(biāo)。通過理論分析與研究，確定了本橋的合理斷面形式，見圖2。斷面采用左右幅分離式布置，單幅橋梁斷面總寬度為30m，橫向采用單向橫坡布置。主梁跨中標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖2a），箱梁頂寬30m，底板寬度16.564m，外側(cè)梁高為2.48m，內(nèi)側(cè)梁高為3.08m。兩側(cè)采用大懸臂構(gòu)造，懸臂端部至底板外側(cè)的距離達(dá)到6.718m。為了緩解大懸臂的受力性能，在懸臂下方設(shè)置加勁肋，加勁肋端部高度為20cm，根部與底板下緣齊平，在緩解其橫向受力的同時取得良好的景觀效果。支點(diǎn)斷面在跨中斷面的基礎(chǔ)上進(jìn)行變高處理，保持頂板、挑臂和加勁肋不改變的情況下，將斜腹板沿著與跨中相同的斜度向下延伸至對應(yīng)梁高位置。這樣的設(shè)計可以獲得優(yōu)美外形的基礎(chǔ)上，便于箱梁模板的加工制造。支點(diǎn)位置梁高在跨中梁高的基礎(chǔ)上增加2m，外側(cè)梁高為4.48m，內(nèi)側(cè)梁高為5.08m。

圖2 關(guān)鍵斷面設(shè)計示意圖（單位：cm）

2.2 總體構(gòu)造設(shè)計

在確定跨中截面和支點(diǎn)截面的基礎(chǔ)上，其他位置的梁高按照加勁肋構(gòu)造不變的原則，采用二次拋物線變化，其中墩頂梁高為5.14m，高跨比為1:26.3，跨中梁高為3.14m，高跨比為1:43.0，梁底曲線按照2.0 次拋物線線形過渡。主墩根部設(shè)置13m 長的托架現(xiàn)澆段，托架現(xiàn)澆段內(nèi)設(shè)置4 道加勁肋。單個T 構(gòu)設(shè)置15 個懸澆塊段，每個懸澆塊段的長度為4m，每個塊段設(shè)置1 道加勁肋，其中1#～9#節(jié)段為變截面塊段，10～15#為等截面塊段。在2#～14#節(jié)段設(shè)置斜拉索輔助支撐，拉索采用鋼絞線拉索結(jié)構(gòu)。主塔采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主塔采用布置在中央分隔帶的獨(dú)塔形式，橋塔高度為30m。塔身截面采用刻槽、倒圓角的矩形截面，主塔標(biāo)準(zhǔn)截面段縱橋向?qū)挾?m，橫橋向?qū)挾?m，塔根部寬度在縱橋向漸變?yōu)? 個1.5m×2m 斷面，塔頂部切斜角進(jìn)行漸變。在為斜拉索提供可靠支撐的同時，取得良好的景觀效果。

3 結(jié)構(gòu)總體受力分析

為了對這種構(gòu)造較為新穎的輕型化帶肋大挑臂矮塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行研究，利用有限元軟件對其總體受力性能進(jìn)行了分析與研究。

3.1 分析方法

本文對帶肋輕型矮塔斜拉橋的總體受力性能分析采用了商業(yè)軟件Midas Civil。為了考慮大懸臂的剪力滯效應(yīng)影響，總體受力分析時采用了梁格法進(jìn)行建模計算，將箱梁沿橫向劃分為6 個板條，通過橫向虛梁連接，計算模型如圖3所示。

圖3 有限元計算模型

在計算分析中模擬了大橋的主要施工步驟，考慮了箱梁逐段澆筑與拉索安裝及邊、中跨合攏的詳細(xì)流程。同時分析了結(jié)構(gòu)在運(yùn)營階段規(guī)范規(guī)定的各項(xiàng)荷載效應(yīng)。

3.2 主要分析結(jié)果

利用有限元分析，對主梁的承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行了檢驗(yàn)。計算得到主梁的正截面承載能力、斜截面承載能力及對應(yīng)抗力狀態(tài)如圖4 所示。由圖可知，在承載能力極限狀態(tài)下，主梁具有良好的正截面承載能力，結(jié)構(gòu)承載能力可滿足要求。同樣對斜截面的抗剪承載能力也進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明主梁具有良好的斜截面承載能力。通過對主梁承載能力極限狀態(tài)下的承載能力分析可知這種寬幅帶肋結(jié)構(gòu)具有良好的極限承載能力。同時對主梁的抗力性能進(jìn)行檢驗(yàn)，分析在規(guī)范規(guī)定的荷載效應(yīng)頻遇值組合下主梁的應(yīng)力狀態(tài)。計算結(jié)果表明，在頻遇值組合下主梁應(yīng)力狀態(tài)如圖5 所示。主梁上緣在邊跨15#梁段附近的壓應(yīng)力儲備最小，最小的壓應(yīng)力儲備為0.8MPa。主梁下緣的壓應(yīng)力儲備均較大，最小位置在邊跨合攏段附近，壓應(yīng)力儲備值為1.2MPa。由此可知，這種寬幅矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)具有良好的抗裂性，可滿足鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗裂性控制的要求。

圖4 承載能力極限狀態(tài)下主梁抗力及內(nèi)力包絡(luò)圖（kNm）

圖5 荷載頻遇值組合下主梁最小壓應(yīng)力圖（MPa）

通過上述總體受力性能的分析可知，依托工程采用的超寬帶肋矮塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)形式較為合理。在實(shí)現(xiàn)了輕型化的同時，具有良好的承載能力和抗裂性，總體受力狀況良好。

4 結(jié)論

本文以某寬幅矮塔斜拉橋工程為依托，超寬幅矮塔斜拉橋的關(guān)鍵構(gòu)造設(shè)計及總體受力性能進(jìn)行了研究與分析。研究結(jié)果表明，在通過兩側(cè)設(shè)置加勁肋的方式，可以有效的增加主梁懸臂的尺寸，同時通過斜腹板的設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)主梁的輕型化，減小主梁自重。通過拉索的輔助支撐，可以減少變高度節(jié)段數(shù)量的設(shè)置，在截面變化時可保持上部加勁肋和頂板尺寸不變的情況，沿著斜腹板改變梁高，已獲得較好的施工便利性。通過梁格法的總體有限元計算模型系統(tǒng)的檢驗(yàn)了這種輕型矮塔斜拉橋的總體受力性能，分析表明這種結(jié)構(gòu)形式具有良好的承載能力和抗裂性，且均具有良好的安全儲備。綜上，本文研究的超寬幅帶肋矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)是一種合理的輕型化矮塔斜拉橋，可在類型工程中進(jìn)行應(yīng)用。