吳平平

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，安徽合肥 230088)

1 概述

混合梁斜拉橋是指其主跨全部或部分為鋼梁而邊跨或部分邊跨為混凝土梁的斜拉橋。混合梁斜拉橋利用混凝土梁段剛度大、自重大及經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，在大跨徑斜拉橋中被廣泛采用。尤其在邊、中跨比較小情況下的應(yīng)用，更加體現(xiàn)出此類型斜拉橋方案的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)混合梁斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知其主要優(yōu)點(diǎn)如下:1)增加了邊跨主梁剛度和重量，減小了主跨內(nèi)力和變形;2)減小或避免邊跨端支點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)反力;3)主跨鋼箱梁也較容易實(shí)現(xiàn)由主塔開始用懸臂法連接架設(shè);4)減小了全橋鋼梁的長(zhǎng)度，節(jié)約造價(jià)。

目前世界上已建跨徑前10位的斜拉橋中，采用混合梁結(jié)構(gòu)的有6座，橋梁跨徑及邊中跨比參數(shù)如表1所示;除設(shè)置較多輔助墩的諾曼底大橋外，其余采用混合梁的斜拉橋邊中跨比均在0.25～0.36 之間。

表1 部分大跨度混合梁斜拉橋邊中跨比參數(shù)

2 工程概況

蕪湖長(zhǎng)江公路二橋擬采用雙塔斜拉橋橋型，其中混合梁方案采用獨(dú)柱索塔，邊跨設(shè)置輔助墩，布置為:(100+308+806+308+100)m。其中邊跨110 m范圍內(nèi)采用混凝土梁(即輔助跨100 m+308 m中的10 m)，其余部位采用鋼箱梁。橋跨布置如圖1所示。

圖1 橋跨布置示意圖（單位：m）

混凝土箱梁橋面鋪裝按5 cm混凝土+8 cm瀝青混凝土計(jì)算重量，鋼箱梁橋面鋪裝按6 cm瀝青混凝土計(jì)算重量。

3 混合梁方案論證

3.1 合理跨徑比例理論推演

在斜拉橋混合梁方案中，主梁邊跨總長(zhǎng)度La和中跨跨徑Lm比例一定的情況下，為了保證主梁和索塔處于較理想的恒載狀態(tài)，邊跨鋼箱梁長(zhǎng)度La2和邊跨鋼箱梁長(zhǎng)度La1的合理比例是一個(gè)關(guān)鍵因素。斜拉橋理想恒載狀態(tài)是:主梁恒載彎矩接近剛性支承連續(xù)梁的彎矩，索塔恒載彎矩接近于零。因此，斜拉橋的主梁和索塔要達(dá)到這一理想恒載狀態(tài)，索塔兩側(cè)的主梁要求處于一定的重量平衡狀態(tài)。圖2為典型5跨斜拉橋橋跨布置圖及參數(shù)示意圖。

圖2 橋跨布置關(guān)鍵參數(shù)示意圖

圖2中，ga為混凝土梁段單位長(zhǎng)度恒載集度;gm為鋼箱梁段單位長(zhǎng)度恒載集度;La1為邊跨混凝土梁段長(zhǎng)度;La2為邊跨鋼箱梁段長(zhǎng)度;Lm為中跨跨徑;定義 β=gm/ga，γ=La2/La1，α=g活/gm。

根據(jù)理想恒載狀態(tài)的要求，邊跨主梁最小長(zhǎng)度應(yīng)滿足:邊跨梁重平衡中跨梁重，即恒載狀態(tài)下邊跨不出現(xiàn)負(fù)反力。此時(shí)按照剛性支承連續(xù)梁建立結(jié)構(gòu)力學(xué)簡(jiǎn)圖，以過渡墩端支點(diǎn)在恒載作用下不產(chǎn)生拉力為邊界條件，可以推導(dǎo)下列不等式方程:

邊跨主梁最大總長(zhǎng)度應(yīng)滿足:邊跨梁重平衡中跨滿布荷載時(shí)的總重量，將此作為邊跨主梁最大總長(zhǎng)度的上限值的情況下，可以推導(dǎo)下列不等式:

由式(1)，式(2)可以確定滿足恒載平衡條件下邊、中跨比例的范圍。在邊中跨比La/Lm一定的情況下，可以確定邊跨鋼箱梁段與邊跨混凝土梁段的合理跨徑范圍。

在邊中跨比La/Lm一定的情況下，由于按照式(1)，式(2)不能得到γ的解析解，可以通過作圖的方法判斷混合梁方案邊跨鋼箱梁段與邊跨混凝土梁段比例的合理性;蕪湖二橋混合梁方案中，β=gm/ga=0.288，La/Lm=0.506，γ=2.611。如圖 3 所示為 β=0.288的情況下，混合梁邊、中跨合理跨徑比的關(guān)系曲線。

由圖3所示的針對(duì)蕪湖二橋混合梁結(jié)構(gòu)方案跨徑比合理性的計(jì)算可以看出:1)蕪湖二橋采用的混合梁方案，跨徑布置不合理，邊跨明顯偏重，邊跨梁重是1/2中跨主梁重量的1.7倍;2)在邊、中跨比La/Lm不能變動(dòng)的情況下，增大邊跨鋼箱梁段與邊跨混凝土梁段比例γ，使得跨徑布置趨于合理。表明蕪湖二橋在跨徑布置確定的情況下，鋼箱梁方案更具有合理性。

圖3 混合梁斜拉橋邊、中跨合理跨徑比關(guān)系曲線

由于邊、中跨的重量的嚴(yán)重不平衡，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)出現(xiàn)以下兩種問題:1)CaseⅠ:當(dāng)斜拉索索力滿足主梁重量時(shí)，會(huì)將這一不平衡重量傳遞至索塔，使得索塔產(chǎn)生很大的恒載彎矩;2)CaseⅡ:當(dāng)通過成橋索力調(diào)整，使得橋塔處于恒載平衡狀態(tài)后，混凝土段主梁彎矩接近于等截面連續(xù)梁的情況，需要按照滿足梁高和跨徑關(guān)系的等截面連續(xù)梁進(jìn)行設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)。

3.2 數(shù)值模擬

針對(duì)前面簡(jiǎn)化理論分析得出的結(jié)論，以獨(dú)柱塔分幅混合梁方案為例，通過建立有限元模型，對(duì)其成橋階段恒載狀態(tài)下的受力情況進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。整體有限元模型如圖4所示，各橋塔底部按照地質(zhì)土層分布情況，采用6×6彈簧模擬。

圖4 有限元模型示意圖

采用有限元分析軟件對(duì)蕪湖二橋獨(dú)柱塔分幅混合梁方案進(jìn)行建模計(jì)算，并比較分析了混合梁方案中，混凝土梁段、橋塔等單組構(gòu)件分別處于較為理想受力狀態(tài)的情況下，對(duì)另一組構(gòu)件受力的影響。兩組不同的狀態(tài)目標(biāo)如下:CaseⅠ:通過調(diào)整索力，使得邊跨混凝土梁段受力狀態(tài)較為理想;CaseⅡ:通過調(diào)整索力，使得橋塔受力狀態(tài)較為理想;如表2所示為兩種成橋狀態(tài)下，橋塔及混凝土主梁等主要構(gòu)件在恒載作用下受力情況(未考慮活載、溫差等造成的應(yīng)力幅約6 MPa)。

表2 主要構(gòu)件計(jì)算結(jié)果匯總

CaseⅠ:通過調(diào)整成橋索力，使得混凝土主梁達(dá)到較為理想受力狀態(tài)下，橋塔相應(yīng)變形及受力結(jié)果如圖5，圖6所示。

CaseⅡ:通過調(diào)整成橋索力，使得成橋狀態(tài)下橋塔處于較為理想受力狀態(tài)時(shí)，混凝土主梁相應(yīng)變形及受力分析如圖7，圖8所示。

4 結(jié)語

本文以蕪湖長(zhǎng)江公路二橋初步設(shè)計(jì)階段混合梁方案論證過程為工程實(shí)例，分別通過理論推導(dǎo)、數(shù)值分析兩種方法對(duì)該方案的合理性進(jìn)行了分析論證，結(jié)論如下:

1)混合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)體系的理想恒載狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)，與該體系的邊中跨比例、鋼混梁重之比β以及邊跨內(nèi)鋼混梁長(zhǎng)度之比γ關(guān)系緊密。合理的邊中跨之比是由鋼混梁重之比β以及邊跨內(nèi)鋼混梁長(zhǎng)度之比γ決定的。

圖5 CaseⅠ主梁成橋受力狀態(tài)

圖6 CaseⅠ橋塔成橋受力狀態(tài)

圖7 CaseⅡ主梁成橋受力狀態(tài)

圖8 CaseⅡ橋塔成橋受力狀態(tài)

2)蕪湖長(zhǎng)江公路二橋混合梁方案，邊跨主梁偏重，在邊、中跨比La/Lm不能變動(dòng)的情況下，增大邊跨鋼箱梁段與邊跨混凝土梁段比例γ至15后，使得跨徑布置趨于合理。表明蕪湖二橋在跨徑布置確定的情況下，鋼箱梁方案更具有合理性。

3)數(shù)值計(jì)算對(duì)理論推導(dǎo)得出的結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果表明:混凝土梁高4.5 m，并且加密邊跨混凝土梁段索距后，仍然難以確保橋塔及混凝土梁段均處于合理受力狀態(tài)。

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