大跨度獨(dú)塔自錨式懸索橋橋面結(jié)構(gòu)形式的對比研究

周德，張羽龍，黃方林，王寧波，弗威

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

對于大跨度懸索橋，常用橋面結(jié)構(gòu)形式有鋼?混凝土組合梁、鋼-UHPC組合梁和正交異形鋼橋面板等。鋼?混凝土組合梁充分發(fā)揮了鋼受拉、混凝土受壓的特點(diǎn)[1-2]。鋼-UHPC組合梁不僅能減輕橋梁自重且能提高結(jié)構(gòu)抗裂性能[3]。正交異性鋼橋面板具有自重輕、強(qiáng)度高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[4-5]，但易發(fā)生疲勞，產(chǎn)生裂紋[6]。許多學(xué)者對上述3種橋面結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了研究。葉梅新等[7]借助有限元軟件，對混凝土橋面板與縱橫梁之間的結(jié)合方式進(jìn)行了研究。傅晨曦等[8]對縱、橫梁式和密布橫梁式橋面體系的受力性能進(jìn)行了研究。胡少偉等[9]研究了一種新的寬翼緣雙箱型鋼?混凝土組合梁結(jié)構(gòu)。李政圜等[10]采用有限元分析和試驗(yàn)相結(jié)合方法，對鋼?混凝土組合梁橋面進(jìn)行研究。針對正交異性鋼橋面板疲勞裂紋問題，吳鵬均等[11]采用多尺度建模法將SPS正交異性橋面板應(yīng)用于自錨式懸索橋，并進(jìn)行了研究。羅如登等[12]提出了一種大縱肋-PBL剪力鍵組合橋面板，通過增加縱肋的尺寸，減少其數(shù)量，提高橋面板局部剛度，從而達(dá)到改善靜力和抗疲勞性能。劉揚(yáng)等[13]系統(tǒng)歸納了鋼-UHPC組合結(jié)構(gòu)的受力性能，分析其在大跨度橋梁的應(yīng)用前景，并探討了該結(jié)構(gòu)在設(shè)計理論、規(guī)范體系及應(yīng)用領(lǐng)域的研究趨勢等。朱平等[14]在Gjels‐vik位移函數(shù)與修正的翹曲位移函數(shù)基礎(chǔ)上，建立了能同時考慮界面滑移和剪力滯效應(yīng)的鋼-UHPC組合梁模型，對矮肋板作為橋面體系的新型組合梁剪力滯效應(yīng)進(jìn)行了研究。周昌棟等[15]系統(tǒng)研究了不同溫度條件下鋪裝層對鋼橋面板疲勞性能的影響，得到ERS鋪裝層能顯著降低疲勞易損部位的應(yīng)力幅值等。然而，眾多學(xué)者對橋面結(jié)構(gòu)形式的研究雖多，但專門針對大跨度獨(dú)塔自錨式懸索橋橋面結(jié)構(gòu)形式的研究偏少，更缺乏對比性研究。本文以杭州九喬路主跨2×150 m獨(dú)塔自錨式懸索橋?yàn)楣こ瘫尘?，設(shè)計并對比橋面結(jié)構(gòu)分別采用鋼-混凝土組合梁、鋼-UHPC組合梁和正交異性鋼橋面板3種方案下橋梁的受力性能，對橋面鋪裝分別采用瀝青混凝土和ECO改性聚氨酯混凝土2種方案進(jìn)行探討，以期為同類型橋梁設(shè)計和建造提供參考。

1 工程概況

九喬路獨(dú)塔自錨式懸索橋全長368.4 m，主跨布置為2×150 m，橋面寬40 m，采用半漂浮體系。纜索為雙跨雙索面線形，理論跨徑140.635 m，矢跨比為1/12。索塔高67.0 m，采用異型雙柱式鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，壁厚1.2 m。索塔基礎(chǔ)采用矩形承臺，長×寬×高為25.6 m×15.6 m×6.0 m。全橋設(shè)15對吊索，吊索順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距為8 m，均采用高強(qiáng)度鍍鋅平行鋼絲。索塔、過渡墩及橋臺處各設(shè)置一個縱橋向單向活動支座和一個雙向活動支座，索塔處設(shè)置縱向阻尼器及橫向抗風(fēng)支座，過渡墩處設(shè)置橫向限位裝置。

2 橋面結(jié)構(gòu)及橋面鋪裝方案

針對九喬路大橋，在既有設(shè)計基礎(chǔ)上，根據(jù)造價基本相同原則，保持加勁梁造價在8 000萬左右，設(shè)計并對比分析如下3種橋面結(jié)構(gòu)方案：1)鋼?混凝土組合梁；2)鋼-UHPC組合梁；3)正交異性鋼橋面板。3種方案典型斷面如圖2所示。同時，對橋面鋪裝采用常用的瀝青混凝土和近年興起的ECO改性聚氨酯混凝土也進(jìn)行了對比分析。ECO改性聚氨酯混凝土鋪裝通常澆筑在鋼板上，橋面鋪裝對比研究以正交異性鋼橋面板為依托。

圖2 3種橋面結(jié)構(gòu)方案典型斷面Fig.2 Cross-sectional view of the three bridge deck structures

3 有限元仿真模型

采用有限元分析軟件Midas Civil 2019建立九喬路自錨式懸索橋空間仿真模型。建模時，索塔和加勁梁均采用梁單元模擬，纜索、吊索均采用只受拉索單元模擬，混凝土板和鋼板采用空間板單元模擬，通過調(diào)整纜索和吊索力確定合理成橋狀態(tài)。邊界條件按實(shí)際情況施加。全橋空間有限元仿真模型如圖3所示。

圖3 九喬路大橋有限元模型Fig.3 Finite element model of Jiuqiao road bridge

材料參數(shù)取值如表1所示。

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameter

4 3種橋面結(jié)構(gòu)方案受力性能及耐久性對比

4.1 撓度

撓度是衡量橋梁剛度的重要參數(shù)。圖4和圖5分別為3種橋面結(jié)構(gòu)方案下活載引起的加勁梁和纜索豎向撓曲線對比，圖中撓度以向上為正，向下為負(fù)?？梢姡夯钶d作用下，3種橋面結(jié)構(gòu)方案加勁梁豎向撓度分布規(guī)律基本一致；其中，鋼?混凝土組合梁方案加勁梁豎向撓度最小，為?164.9 mm，鋼-UHPC組合梁方案的次之，為?179.7 mm，正交異性鋼橋面板的最大，達(dá)?199.5 mm；3種橋面結(jié)構(gòu)方案的橋梁豎向剛度均滿足要求[16]。這表明：與采用鋼-混凝土組合梁方案相比，采用鋼-UHPC組合梁和正交異性鋼橋面板方案時，橋梁豎向剛度分別降低約9.0%和21.0%。纜索豎向撓值略小于對應(yīng)位置處加勁梁豎向撓度，但分布規(guī)律基本一致。

圖4 加勁梁豎向撓曲線對比Fig.4 Comparison of the main beam deflection

圖5 纜索豎向撓曲線對比Fig.5 Comparison of the cable deflection

4.2 成橋索力

纜索是自錨式懸索橋重要承重構(gòu)件之一，索力大小能直觀反映橋梁的受力狀態(tài)。3種方案纜索索力在活載作用時相差不大，其差異主要由恒載引起，即反映在成橋索力上。

圖6為成橋狀態(tài)時3種橋面結(jié)構(gòu)方案纜索索力對比?？梢姡?種橋面結(jié)構(gòu)方案的纜索成橋索力分布規(guī)律具有一致性，均為從索塔向錨固區(qū)方向逐漸變??；其中，鋼?混凝土組合梁方案的成橋索力最大，為71.4 MN，鋼-UHPC組合梁的次之，為61.9 MN，正交異性鋼橋面板的最小，為50.5 MN；考慮纜索抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值后，其安全系數(shù)分別為3.13，3.60和4.42。這表明：與采用鋼-混凝土組合梁方案相比，采用鋼-UHPC組合梁和正交異性鋼橋面板方案時，纜索安全系數(shù)分別提高約15.0%和41.2%。

圖6 成橋狀態(tài)時纜索索力對比Fig.6 Comparison of the cable force

圖7為成橋狀態(tài)時3種橋面結(jié)構(gòu)方案吊索索力對比。可見：3種橋面結(jié)構(gòu)方案吊索成橋索力分布規(guī)律均為靠索塔處較大而其他區(qū)域較為均勻。其中，鋼?混凝土組合梁、鋼-UHPC組合梁和正交異性鋼橋面板3種方案下吊索成橋索力最大分別為3.76，3.41和2.96 MN，安全系數(shù)分別為3.76，4.15和4.79，該結(jié)果與纜索成橋索力結(jié)果具有一致性和相關(guān)性。

圖7 成橋狀態(tài)時吊索索力對比Fig.7 Comparison of the sling force

4.3 應(yīng)力

橋面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平是考查其適用性及優(yōu)越性的重要指標(biāo)，尤其是成橋狀態(tài)時的應(yīng)力水平。圖8和圖9分別為成橋狀態(tài)時3種橋面結(jié)構(gòu)方案的索塔和加勁梁應(yīng)力對比，應(yīng)力匯總見表2。應(yīng)力以受拉為正，受壓為負(fù)?？梢姡撼蓸驙顟B(tài)時，3種橋面結(jié)構(gòu)方案的索塔和加勁梁基本保持受壓，最大壓應(yīng)力分別不超過9.65 MPa和180.3 MPa，強(qiáng)度滿足要求，3種橋面結(jié)構(gòu)形式均適用于大跨度獨(dú)塔自錨式懸索橋；與采用鋼?混凝土組合梁方案相比，采用鋼-UHPC組合梁和正交異性鋼橋面板方案時，索塔應(yīng)力分別減少約11.7%和35.0%，加勁梁應(yīng)力分別減少約2.4%和30.1%。

表2 3種橋面結(jié)構(gòu)方案下最大應(yīng)力對比Table 2 Comparison of the max stress

圖8 成橋狀態(tài)時索塔應(yīng)力對比Fig.8 Stress comparison of the tower

圖9 成橋狀態(tài)時加勁梁應(yīng)力對比Fig.9 Stress comparison of the stress of the deck structure

4.4 耐久性

通過查閱相關(guān)資料及文獻(xiàn)[17]，在施工及養(yǎng)護(hù)均得當(dāng)情況下，鋼-UHPC組合梁耐久性最優(yōu)，鋼?混組合梁次之，正交異性鋼橋面板容易疲勞產(chǎn)生裂縫耐久性最差。

5 2種鋪裝層方案受力性能對比

以正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)模型為依托，對橋面鋪裝分別采用瀝青混凝土和ECO改性聚氨酯混凝土進(jìn)行研究。2種橋面鋪裝材料特性參數(shù)如表3所示，其中，ECO改性聚氨酯混凝土是由20 mm ECO+50 mm厚SMA組合而成。模擬鋪裝層的板單元和底下鋼板之間通過約束進(jìn)行耦合。

表3 不同鋪裝層結(jié)構(gòu)特性Table 3 Structural characteristics of different paving layers

圖10和圖11分別為2種橋面鋪裝方案對應(yīng)的纜索和吊索成橋索力對比?？梢姡?種橋面鋪裝方案的成橋索力分布規(guī)律具有一致性；與瀝青混凝土鋪裝方案相比，ECO改性聚氨酯橋面鋪裝方案的纜索索力由47.1 MN減少到45.8 MN，吊索索力由2.84 MN減少到2.72 MN；考慮抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值后，纜索安全系數(shù)由4.74增加到4.87，吊索安全系數(shù)由5.00增加到5.21。這表明：與采用瀝青混凝土鋪裝層相比，采用ECO改性聚氨酯鋪裝層的纜索和吊索安全系數(shù)分別提高約2.74%和4.20%。

圖1 九橋路大橋總體布置圖Fig.1 Overall layout of Jiuqiao road bridge

圖10 成橋狀態(tài)時纜索索力對比Fig.10 Comparison of the cable force

圖11 成橋狀態(tài)時吊索索力對比Fig.11 Comparison of the sling force

圖12和圖13分別為成橋狀態(tài)時2種鋪裝層方案下索塔和加勁梁應(yīng)力對比，應(yīng)力匯總見表4?？梢姡撼蓸驙顟B(tài)時，2種鋪裝層方案的索塔和加勁梁基本保持受壓，最大壓應(yīng)力分別為7.01 MPa和137.0 MPa，強(qiáng)度滿足要求，表明2種鋪裝層方案均適用于大跨度獨(dú)塔自錨式懸索橋；與采用瀝青混凝土鋪裝層方案相比，采用ECO改性聚氨酯混凝土方案時，索塔、加勁梁應(yīng)力分別減少約1.19%和0.74%。

表4 不同橋面結(jié)構(gòu)下最大應(yīng)力對比Table 4 Comparison of the max stress

圖12 成橋狀態(tài)時索塔應(yīng)力對比Fig.12 Stress comparison of the tower

圖13 成橋狀態(tài)時加勁梁應(yīng)力對比Fig.13 Stress comparison of the stress of the deck structure

6 結(jié)論

1)3種橋面結(jié)構(gòu)均適用于九喬路獨(dú)塔自錨式懸索橋，橋面結(jié)構(gòu)形式對橋梁受力狀態(tài)影響較大。與采用鋼?混凝土組合梁方案相比，采用鋼-UHPC組合梁和正交異性鋼橋面板時，橋梁豎向剛度分別降低9.0%和21.0%，纜索安全系數(shù)分別提高15.0%和41.2%，索塔應(yīng)力分別減少11.7%和35.0%，加勁梁應(yīng)力分別減少2.4%和30.1%。

2)3種橋面結(jié)構(gòu)在受力性能上各具特點(diǎn)。鋼?混凝土組合梁方案橋梁剛度最大，但結(jié)構(gòu)強(qiáng)度儲備相對偏弱；正交異性鋼橋面板方案橋梁剛度雖小，但結(jié)構(gòu)強(qiáng)度儲備有優(yōu)勢；鋼-UHPC組合梁方案介于兩者之間。

3)2種橋面鋪裝層均適用于九喬路獨(dú)塔自錨式懸索橋，但橋面鋪裝層對橋梁受力狀態(tài)影響有限。與瀝青混凝土鋪裝層相比，采用ECO改性聚氨酯混凝土鋪裝層時，纜索、吊索安全系數(shù)分別提高2.74%和4.20%，索塔、加勁梁應(yīng)力分別減少1.19%和0.74%。