萬曉明

（遼寧省公路勘測設(shè)計公司 沈陽市 110006）

小跨徑獨塔斜拉橋主梁構(gòu)造與靜力分析

萬曉明

（遼寧省公路勘測設(shè)計公司 沈陽市 110006）

以海城市同澤大橋為背景，針對采用塔梁墩固結(jié)體系的小跨徑獨塔斜拉橋的受力特點，借助Midas/ Civil有限元程序建立主橋模型并進行靜力分析，得到主梁在成橋階段的內(nèi)力傳遞和運營階段的應(yīng)力分布，為相似結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計提供借鑒。

斜拉橋；塔梁墩固結(jié)；靜力分析

1 工程概況

同澤大橋工程位于遼寧省海城市內(nèi)，大橋橫跨海城河。橋孔跨度布置為3×20m+（72.5+62.5）m+5×20m，橋梁總長（包含耳墻）300.2m。引橋上部采用3×20m一聯(lián)和5×20m一聯(lián)的裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支空心板，主橋采用（72.5+62.5）m不等跨預(yù)應(yīng)力混凝土獨塔雙索面斜拉橋，斜拉橋采用塔、梁、墩固結(jié)剛構(gòu)體系。主橋標準斷面橋面寬20m，雙向4車道，荷載等級采用公路-I級，設(shè)計洪水頻率1/100，地震基本烈度Ⅶ度，無通航要求。主橋布置圖如圖1所示。

2　主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

主橋（72.5+62.5）m箱梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土變高、變寬箱梁。箱梁采用單箱三室截面，邊支點、跨中箱梁中心高2.4m，在橋塔位置局部加高為3.2m；箱梁梁端頂寬18m，距梁端10m位置箱梁頂寬漸變?yōu)?0m。主跨（72.5m跨）標準斷面的箱梁頂板厚度為25cm，底板厚度為25cm，邊腹板厚度1.5m，中腹板厚度50cm。箱梁在拉索位置設(shè)置厚度為35cm的中間橫梁，端部設(shè)厚度為2m的端橫梁，在橋塔固結(jié)處設(shè)置箱式橫梁（總寬5m）。

為保持塔柱的受力平衡，邊跨（62.5m跨）通過采用將箱梁頂板、底板、腹板厚度加大的方式，增加邊跨的自重，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力。邊跨標準斷面的箱梁頂板厚度為35cm，底板厚度為35cm，邊腹板厚度1.5m，中腹板厚度 70cm。箱梁在拉索位置設(shè)置厚度為50cm的中間橫梁。主梁主跨和邊跨橫斷面尺寸如圖2所示。

為減小混凝土收縮、徐變的影響，主橋箱梁在塔根位置兩側(cè)各預(yù)留2m混凝土后澆帶，后澆帶于斜拉索張拉前澆注完畢，并盡量加大后澆帶澆的時間差。后澆帶采用C50微膨脹混凝土澆筑。

3 技術(shù)特點

3.1塔梁墩固結(jié)剛構(gòu)體系

同澤大橋主橋采用塔梁墩固結(jié)剛構(gòu)體系，這種體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于整體剛度好，主梁和索塔的撓度較小。由計算結(jié)果可知，在汽車荷載作用下（不計沖擊力）主梁最大撓度24mm，撓跨比為L/3020＜L/500，主塔最大撓度20mm。結(jié)構(gòu)剛度的增大是由塔梁墩固結(jié)位置的負彎矩換取的，在汽車荷載作用下，塔梁墩固結(jié)位置的負彎矩是主跨跨中正彎矩的1.33倍。

塔梁墩固結(jié)不需要設(shè)置支座，避免了設(shè)置支座的困難，并且獨塔斜拉橋的剛節(jié)點和塔腳不像其他雙塔或多塔斜拉橋存在溫度內(nèi)力問題，因而塔梁墩固結(jié)的剛構(gòu)體系特別適用跨徑不大的獨塔斜拉橋。

3.2橋塔下橫梁設(shè)計

由于塔梁墩固結(jié)體系結(jié)構(gòu)的整體剛度相比其他結(jié)構(gòu)體系大，框架結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了塔梁固結(jié)部位產(chǎn)生較大的應(yīng)力，且無法做成連續(xù)梁的形式，因此橋塔橫梁受力復(fù)雜。本次橋塔橫梁計算采用Midas軟件建立橫橋向橋塔空間模型，構(gòu)件采用桿件單元模擬，設(shè)計時考慮恒載（自重、拉索及預(yù)應(yīng)力）和活載（風荷載，汽車荷載）以及偶然荷載（地震力）各種荷載工況組合。為減小橋塔橫梁及塔根附近主梁主拉應(yīng)力，本橋在橋塔橫梁及塔根附近主梁腹板設(shè)置了豎向預(yù)應(yīng)力。計算結(jié)果表明，橋塔橫梁在各種荷載工況的作用下滿足規(guī)范要求。塔梁固結(jié)處結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

4 主梁縱向靜力計算

全橋采用空間桿系理論進行結(jié)構(gòu)離散，應(yīng)用Midas/Civil 2015程序?qū)χ鳂蜻M行縱向靜力計算，全橋有限元模型共有空間梁單元218個，空間桁架單元44個。主梁采用“魚刺梁”模型，橋塔為空間梁單元，斜拉索為桁架單元，其彈性模量采用考慮垂度影響的換算彈性模量。主梁邊支點橫梁、中支點橫梁以均布載的形式作用于主梁結(jié)構(gòu)上，標準梁段小橫梁以集中力的形式作用于主梁結(jié)構(gòu)上。

4.1施工階段模擬

施工階段的模擬遵循以下施工步驟：先滿堂支架現(xiàn)澆完成全橋梁部施工，而后掛索，掛索后施工橋面鋪裝及橋面附屬設(shè)施，最終張拉斜索橋完成全橋施工。

4.2模型邊界條件

主塔承臺底、主塔及主梁采用完全固結(jié)；邊墩處主梁豎向位移、橫橋向位移、扭轉(zhuǎn)位移約束，滿堂支架采用僅受壓彈性連接與固結(jié)節(jié)點連接模擬。

4.3計算荷載

（1）一期恒載：包括混凝土主梁、主塔及斜拉索自重。

（2）二期恒載：包括人行道、防撞護欄以及橋面鋪裝重，以均布荷載的形式施加在主梁單元上，荷載集度為116kN/m。

（3）收縮、徐變：混凝土收縮徐變計算原理符合《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）。計算中分別考慮施工階段、成橋狀態(tài)及橋梁建成后運營10年時的收縮徐變效對結(jié)構(gòu)的影響。

（4）基礎(chǔ)沉降：主塔和邊墩按1.0cm沉降考慮，按最不利組合。

（5）活載：公路-I級（雙向4車道）空間加載；沖擊系數(shù)按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）的規(guī)定根據(jù)結(jié)構(gòu)基頻計算。橫向折減系數(shù)0.67，不考慮縱向折減系數(shù)，人群荷載標準值按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）的規(guī)定加載。

（6）溫度荷載

體系溫度：體系整體均勻升溫20℃、均勻降溫40℃。

主梁溫度梯度：正溫差T1=14℃，T2=5.5℃；負溫差T1=-7℃，T2=-2.75℃索與主梁溫差：±10℃塔身左右側(cè)溫差：±5℃

4.4作用組合（表1）

表1　

4.5主梁主要計算結(jié)果

（1）成橋階段主梁內(nèi)力（圖4～圖6）

（2）運營階段主梁應(yīng)力計算（圖7～圖9）

應(yīng)力：拉應(yīng)力為“+”，壓應(yīng)力為“-”，單位“MPa”。

計算結(jié)果表明，成橋階段主梁彎矩除塔根無索區(qū)有較大正彎矩和剪力外，其他梁段內(nèi)力較勻，控制較好；而運營階段主梁除在固結(jié)位置上緣拉應(yīng)力和主拉應(yīng)力偏大外，其他梁段應(yīng)力計算均滿足規(guī)范要求，而固結(jié)位置在考慮主梁與塔墩的剛域效應(yīng)后亦能滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

（1）斜拉橋采用塔梁墩固結(jié)剛構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)的整體剛度好，主梁和索塔的撓度較小，無需設(shè)置支座，且沒有像雙塔或多塔斜拉橋采用相同體系而存在溫度內(nèi)力問題，因此剛構(gòu)體系特別適用于跨徑不大的獨塔斜拉橋。

（2）采用塔梁墩固結(jié)體系的獨塔斜拉橋，主梁各局部段落的剛度有較大的不均衡性，斜拉索對主梁的“多點彈性支承”作用與該點距離塔梁固結(jié)點的位置有很大的關(guān)系，因此，確定非對稱的剛構(gòu)體系斜拉索初張力相對困難一些。有時僅僅調(diào)整索力，很難使截面應(yīng)力得到明顯改善，需同時調(diào)整主梁某些節(jié)段的預(yù)應(yīng)力配筋量及形式，甚至調(diào)整部分梁段的截面尺寸和結(jié)構(gòu)配重。

（3）采用塔梁墩固結(jié)剛構(gòu)體系的斜拉橋，主梁在固結(jié)位置產(chǎn)生較大的應(yīng)力，導(dǎo)致橋塔橫梁受力復(fù)雜，在對橋塔橫梁設(shè)計時，應(yīng)建立合理的計算模型，并考慮各種不利荷載工況及施工階段的影響。

［1］ 劉士林，王似舜.斜拉橋設(shè)計［M］.北京：人民交通出版社，2006.

The Main Girder Structure and Static Analysis of Small-span Cable-stayed Bridge with Single Tower

WAN Xiao-ming
（Liaoning Highway Surveying and Designing Company，Shenyang 110006，China）

The thesis takes Tongze bridge as study background，focusing on the characteristics of small-span Cable-stayed Bridge with single tower which adopt pier beam consolidation system.with the help of Midas/Civil finite element software，the main bridge model has been established and a static analysis has been done，and the distribution of main girder internal force and stess has been obtained，the results will provide reference for similar structure bridge design.

Cable-stayed Bridge；Fixation of pylon-beam-pier；Static analysis

U441

A

1673-6052（2016）01-0032-04

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.01.008