陳 凱 李長(zhǎng)坤

1.山東萬(wàn)方建筑工程設(shè)計(jì)有限公司2.濟(jì)南城建集團(tuán)有限公司

1 引言

常規(guī)斜拉橋橋塔設(shè)計(jì)目標(biāo)一般為承壓為主彎矩較小，無(wú)背索斜拉橋通常將橋塔設(shè)計(jì)為斜塔以減小橋塔彎矩[1]，彎塔斜拉橋則在塔背側(cè)設(shè)預(yù)應(yīng)力以抵抗塔身彎拉應(yīng)力[2]。順橋向圓環(huán)塔兼具了無(wú)背索橋塔和彎橋塔兩種構(gòu)造特征，斜拉索布置應(yīng)盡量使橋塔處于有利受力狀態(tài)。某城市橋梁方案設(shè)計(jì)采用順橋向圓環(huán)塔斜拉橋，跨徑布置為（45+25+45）m，將圓環(huán)塔設(shè)計(jì)于橋面以上。橋梁采用塔墩梁固結(jié)體系，橋面以上塔柱分為上下兩部分，上塔柱為圓環(huán)塔，下塔柱為斜支承柱。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋梁主梁為單箱雙室混凝土箱梁，梁高1.75m。橋墩為混凝土薄壁板墩，厚1.5m，寬4.0m。圓環(huán)塔為鋼箱，箱高2.5m，箱寬1.5m。橋面以上圓環(huán)塔高27.0m，圓環(huán)外徑25.0m，內(nèi)徑20.0m。斜拉索采用扇形布置，外索水平傾角采用27.44°，梁上索距6.0m，塔中心線處索軸線間距0.75m。該橋采用支架法、先梁后索的施工方法。橋梁立面布置見(jiàn)圖1。

圖1 橋梁立面圖

2.2 結(jié)構(gòu)分析與索力優(yōu)化

表1 合理成橋索力（單位：kN）

采用midas/civil 有限元分析軟件建立橋梁空間桿系有限元模型，墩、梁、塔采用空間梁?jiǎn)卧崩鞑捎描旒軉卧?。斜拉索與橋塔連接采用共用節(jié)點(diǎn)，與主梁連接采用剛臂。采用剛性支承連續(xù)梁法、最小彎曲能量法、midas 未知荷載系數(shù)法和影響矩陣法分別試算合理成橋索力，四種方法計(jì)算所得索力如表1所示。

剛性支承連續(xù)梁法只保證主梁節(jié)點(diǎn)位移為零，不能考慮橋塔受力，該方法所得索力較大，較大索力導(dǎo)致圓環(huán)塔彎矩最大約60000kN·m。最小彎曲能量法兼顧了主梁和圓環(huán)塔彎矩控制，所得索力下圓環(huán)塔最大彎矩約25000kN·m，主梁最大彎矩約37000kN·m，但該方法得到的索力分布不均勻，且最外索索力為負(fù)值。采用midas未知荷載系數(shù)法計(jì)算，塔梁墩最大恒載彎矩范圍取為±35000kN·m，所得索力仍不均勻，長(zhǎng)索索力過(guò)于偏小。利用影響矩陣進(jìn)行索力調(diào)勻，并進(jìn)行檢驗(yàn)得：主梁最大負(fù)彎矩-34300kN·m，最大正彎矩28700kN·m；墩柱最大彎矩24200kN·m；圓環(huán)塔最大負(fù)彎矩-35800kN·m，最大正彎矩22200kN·m。塔梁彎矩基本取得平衡，即以此成橋狀態(tài)進(jìn)行后續(xù)分析。

根據(jù)索力初勻的成橋狀態(tài)，考慮自重、二期恒載、支座沉降和10年收縮徐變等永久作用，及車輛、人群、溫度、風(fēng)荷載等可變作用進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果按應(yīng)力平衡法[3]配置主梁預(yù)應(yīng)力后再進(jìn)行驗(yàn)算。結(jié)果表明，主梁基本組合最大彎矩56800kN·m，最大軸力21500kN；圓環(huán)塔基本組合最大彎矩42900kN·m，最大軸壓力4840kN，最大軸拉力5350kN。主梁頻遇組合最大主拉應(yīng)力1.1MPa，標(biāo)準(zhǔn)組合最大主壓應(yīng)力13.0MPa。圓環(huán)塔基本組合最大組合應(yīng)力240MPa，小于Q345 鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。車輛和人群荷載作用下全橋最大活載撓度8mm，滿足規(guī)范要求。

3 拉索布置方式影響分析

以圖1中斜拉索扇形布置為拉索布置方式一。以塔頂截面下緣輻射形布索為拉索布置方式二，以塔頂截面兩側(cè)向?qū)γ嫔刃尾妓鳛槔鞑贾梅绞饺?，?jiàn)圖2、圖3。拉索布置方式二中，拉索塔上錨固在同側(cè)圓環(huán)塔鋼箱內(nèi)。拉索布置方式三中，拉索塔上錨固在對(duì)側(cè)圓環(huán)塔鋼箱內(nèi)，并通過(guò)預(yù)埋索管穿過(guò)同側(cè)圓環(huán)塔鋼箱。

圖2 拉索布置方式二

圖3 拉索布置方式三

拉索布置方式二時(shí)，圓環(huán)塔最大負(fù)彎矩43490kN·m，最大正彎矩26132kN·m，較方式一時(shí)圓環(huán)塔最大負(fù)彎矩42900kN·m 增大1.38%；圓環(huán)塔最大軸壓力-5989kN，最大軸拉力5722kN，較方式一時(shí)圓環(huán)塔最大軸壓力-4840kN·m 增大23.7%，最大軸拉力5350增大6.9%。

拉索布置方式三時(shí)，圓環(huán)塔最大負(fù)彎矩39733.5kN·m，最大正彎矩18454.3kN·m，較方式一時(shí)圓環(huán)塔最大負(fù)彎矩減小7.38%；圓環(huán)塔最大軸壓力-15403.2kN，無(wú)軸拉力，較方式一時(shí)的圓環(huán)塔最大軸壓力-4840kN·m增大218.2%。

4 結(jié)論與建議

（1）順橋向圓環(huán)塔斜拉橋橋塔彎矩控制是該橋型設(shè)計(jì)關(guān)鍵，合理成橋索力優(yōu)化分析時(shí)控制目標(biāo)應(yīng)包含橋塔彎矩，并盡量控制圓環(huán)塔與主梁彎矩取得平衡。

（2）改變斜拉索布置方式不能顯著改變圓環(huán)塔受力狀態(tài)。斜拉索自塔頂輻射狀布置時(shí)，圓環(huán)塔彎矩和軸拉力變化不明顯，但軸壓力稍增大；斜拉索錨固在塔頂兩側(cè)對(duì)側(cè)鋼箱內(nèi)時(shí)，圓環(huán)塔彎矩降幅不大，但軸壓力增大明顯，并且無(wú)軸拉力。