盛春紅，吳宏業(yè)

(1.沈陽科技學院 沈陽市 110167； 2.遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

斜拉橋[1]主要是由主梁、主塔、斜拉索等組成的大跨高次超靜定結(jié)構(gòu)橋梁，受力較為復(fù)雜。斜拉橋的受力模式和其它梁式橋有所不同，對于一般的梁式橋梁結(jié)構(gòu)來講，如果結(jié)構(gòu)尺寸、材料及二期恒載都確定以后，結(jié)構(gòu)的恒載內(nèi)力隨之確定，基本不會改變；而斜拉橋則不同，雖然結(jié)構(gòu)尺寸、材料及二期恒載都確定以后，由于拉索等多約束多受力構(gòu)件的存在，結(jié)構(gòu)的恒載成橋內(nèi)力卻可以有多種組合，一般所講的最優(yōu)成橋內(nèi)力也只能是一個相對最優(yōu)的狀態(tài)，因而斜拉橋的結(jié)構(gòu)計算經(jīng)歷了從平面計算到空間計算、從靜力計算到動力計算、從線性計算到非線性計算、從局部模型計算到全橋模型計算的過渡，逐步發(fā)展完善。位于中朝界河邊境的鴨綠江界河公路大橋就是一座典型的大跨斜拉橋結(jié)構(gòu)。

1 工程概況

中朝鴨綠江界河公路大橋及接線是我國連接朝鮮民主主義人民共和國的重要通道，是構(gòu)建東京-漢城-平壤-北京-莫斯科-倫敦歐亞國際大通道的重要組成部分。鴨綠江界河公路大橋長3026m(圖1)，主橋采用鋼箱梁斜拉橋。大橋跨越鴨綠江，為中朝兩國的陸路口岸通道，是我國目前最大的界河橋梁。

圖1 主橋總體布置(單位：cm)

橋孔布置(86+229+636+229+86)m，為雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，連續(xù)半漂浮體系。主梁采用正交異性鋼橋面板扁平鋼箱梁結(jié)構(gòu)，梁高3.5m，寬33.5m。H型索塔，高194.6m，采用箱形變截面，基礎(chǔ)采用鉆孔樁基礎(chǔ)。輔助墩及過渡墩采用箱型墩。斜拉索為高強平行鋼絲斜拉索，扇形布置，主梁上的標準索距16.0m，全橋共4×19對斜拉索。

2 輔助墩設(shè)置的機理及原則

斜拉橋由于跨徑較大，可以在邊跨設(shè)置輔助墩，這樣既能減少邊跨施工時懸臂長度、又能很好地增強結(jié)構(gòu)的整體剛度，從而達到減小大橋在成橋狀態(tài)下的主梁內(nèi)力、塔根彎矩、塔頂水平位移、改善主梁豎向變形的目的，這種為了提高結(jié)構(gòu)的整體剛度而設(shè)置的邊跨中間支墩稱為輔助墩。但是，對于一座斜拉橋來講，是否設(shè)置輔助墩，輔助墩設(shè)置在哪里都是不確定的，也就是說輔助墩設(shè)置合理參數(shù)(輔助墩設(shè)置的數(shù)量以及合理位置)都將對大橋的內(nèi)力和變形產(chǎn)生不同程度的影響。以鴨綠江界河公路大橋主跨636m斜拉橋為工程背景，建立了空間有限元模型，系統(tǒng)研究并比較了輔助墩對斜拉橋力學性能的影響，得到了輔助墩設(shè)置的合理參數(shù)(輔助墩設(shè)置的數(shù)量以及合理位置)，其研究成果為鴨綠江界河公路大橋及同類型橋梁設(shè)計提供重要參考。

3 中朝鴨綠江界河公路大橋考慮的輔助墩設(shè)置參數(shù)分析

應(yīng)用平面桿系程序-橋梁博士計算，將結(jié)果離散為平面桿系模型，按整體成型對成橋階段及運營階段進行整體受力分析計算。全橋共劃分為281個節(jié)點，350個單元。計算共分86個施工階段。邊界條件為：

(1)索塔底部固結(jié)。鋼箱梁與下橫梁約束豎向位移，與塔柱約束橫向和轉(zhuǎn)動位移。

(2)輔助墩處約束豎向位移。

(3)過渡墩處約束豎向和橫向位移。

(4)臨時墩處約束豎向位移。

塔底彈性模擬，其剛度矩陣為：

3.1 結(jié)構(gòu)非線性修正

鴨綠江大橋主橋跨徑達到了600m級，幾何非線性效應(yīng)明顯，因此為了能更好地分析出中朝鴨綠江界河公路大橋的輔助墩設(shè)置參數(shù)，須在計算時充分考慮幾何非線性影響，本橋分析時特別考慮了以下兩方面的非線性影響：

(1)斜拉索垂度的影響，采用等效彈模-Ernst修正的方法。等效彈模-Ernst修正的方法及計算公式見式(1)。

(1)

全橋共4×19對斜拉索，分別為PES7-121、151、199、221、253等5種類型。具體方法為模型計算時修正拉索材料的彈模，由于不同長度的拉索根數(shù)有19種，種類過多，考慮到計算的可實現(xiàn)性，在計算模型里分批次自定義斜拉索材料，將經(jīng)過等效彈模-Ernst修正后彈模比較接近的3～4根斜拉索歸并為一類。具體數(shù)值本文不一一列出。

(2)塔梁軸力、彎矩耦合產(chǎn)生的梁—柱效應(yīng)(也就是P-Δ效應(yīng))的影響。具體為修正結(jié)構(gòu)的剛度矩陣：該非線性修正由專業(yè)有限元軟件程序自動考慮實現(xiàn)。

(2)

3.2 具體輔助墩參數(shù)分析[2]

鴨綠江大橋主橋600m級大跨斜拉橋是否需要設(shè)置輔助墩呢？設(shè)置在哪里合適呢？下面將著重闡述。選用了A、B、C、D、E五種工況進行對比分析，其中A代表輔助墩設(shè)置在邊跨第10根斜拉索主梁錨固點下，B代表設(shè)置在第12根斜拉索主梁錨固點下，C代表設(shè)置在第14根斜拉索主梁錨固點下，D代表設(shè)置在第16根斜拉索主梁錨固點下，E代表不設(shè)置輔助墩工況(圖2)。A、B、C、D、E五種工況的不同之處是是否設(shè)置輔助墩，以及輔助墩的設(shè)置位置不同，即次邊跨/邊跨≈L′1/L1不同，次邊跨/邊跨比值見表1。

統(tǒng)計分析輔助墩參數(shù)對體系主要受力和變形的影響，并進一步確定該主要設(shè)計參數(shù)的取值范圍和影響程度。

首先來看A、B、C、D、E五種工況輔助墩位置對主梁的影響，具體做法是針對以上五種工況建立不同的模型，利用最小彎曲能量簡化計算方法，忽略結(jié)構(gòu)剪力影響的條件下，改變構(gòu)件彎曲剛度，即同時減小塔、梁、索的抗彎慣性矩Iz，一般減小1000倍，施加靜力恒載，得出的內(nèi)力狀態(tài)即為能量最小，通過快速有效的進行一次落架計算，得出結(jié)構(gòu)的整體受力狀態(tài)，然后將五種工況的重要數(shù)據(jù)(主梁彎矩，主梁豎向位移，索塔塔根彎矩，索塔塔頂位移等)一一提出，整理繪圖至同一對比表格，以期找出參數(shù)規(guī)律，具體表格詳見圖3～圖6。

圖2 輔助墩不同位置布置

表1 鴨綠江大橋主橋輔助墩設(shè)置位置表

圖3 活載作用下輔助墩不同位置參數(shù)布置主梁豎向位移對比圖

圖4 活載作用下輔助墩不同位置參數(shù)布置主梁彎矩對比圖

圖3、圖4為體系在活載作用下的各種效應(yīng)對比圖。從圖中可以看出響應(yīng)最大的為不設(shè)置輔助墩的E工況，因此設(shè)置輔助墩可以明顯減小主梁的豎向變形，提高主梁的整體剛度，設(shè)置輔助墩的主梁跨中撓度約為不設(shè)置輔助墩的65%左右?？梢悦黠@減小主梁彎矩，設(shè)置輔助墩的主梁跨中彎矩約為不設(shè)置輔助墩的50%左右。A、B、E工況受力影響較大，C、D工況影響較小。也就是說對于活載作用下工況，設(shè)置輔助墩設(shè)置位置越靠近塔根位置越好，到一定程度即次邊跨/邊跨≈L′1/L1=0.2～0.3區(qū)域穩(wěn)定。

從圖5、圖6中可以看出設(shè)置輔助墩可以明顯減小主塔塔頂水平位移，設(shè)置輔助墩的主塔塔頂水平位移約為不設(shè)置輔助墩的50%左右?？梢悦黠@減小主塔根部彎矩，設(shè)置輔助墩的主塔根部彎矩約為不設(shè)置輔助墩的40%左右。A、B、E工況受力影響較大，C、D工況影響較小。也就是說單純對活載來講，設(shè)置輔助墩可以很好地提高結(jié)構(gòu)的剛度，次邊跨/邊跨越大，輔助墩越靠近主塔，結(jié)構(gòu)受活載作用越理想。那么，是否每一種荷載或者作用都是這種規(guī)律，其影響程度是否一致，下面我們接著來分析輔助墩各工況在整體升降溫、收縮徐變作用下對體系的影響。限于篇幅的原因，以下篇幅中整體升降溫、收縮徐變作用下僅給出主梁彎矩、主塔塔根彎矩對比結(jié)果，主梁豎向位移，及主塔塔頂位移將不再給出對比結(jié)果。

圖5 活載作用下主塔水平位移對比圖

圖6 活載作用下主塔塔根彎矩對比圖

圖7 整體升降溫作用下輔助墩不同位置參數(shù)布置主梁彎矩對比圖

圖8 收縮徐變作用下輔助墩不同位置參數(shù)布置主梁彎矩對比圖

圖7為體系在整體升降溫作用下的主梁彎矩效應(yīng)對比圖，圖8為體系在收縮徐變作用下的主梁彎矩效應(yīng)對比圖。圖9、圖10為主塔的對比圖。對整體升降溫荷載來講，設(shè)置輔助墩次邊跨/邊跨越小，輔助墩越遠離主塔，結(jié)構(gòu)受活載作用越理想。對收縮徐變作用來講，主梁及主塔內(nèi)力并不像活載和整體溫度作用下逐漸增大或減少，而是出現(xiàn)了一個最優(yōu)點，三者綜合影響了輔助墩在哪個區(qū)域位置將會是體系最優(yōu)的位置。綜合以上內(nèi)容，可以得出設(shè)置輔助墩對大跨斜拉橋體系受力有著很大程度的改善與提高，且次邊跨/邊跨跨徑比值存在一定的合理區(qū)間，見圖11。

圖9 整體升降溫作用下主塔水平位移對比圖

圖10 收縮徐變作用下主塔塔根彎矩對比圖

圖11 輔助墩不同位置參數(shù)布置主塔塔根彎矩對比圖

3.3 目前國內(nèi)同類橋梁設(shè)置情況

國內(nèi)已經(jīng)建成或在建的主跨600m以上鋼箱梁斜拉橋的輔助墩設(shè)置情況統(tǒng)計見表2。

表2 國內(nèi)主跨600m以上鋼箱梁斜拉橋的

從表2統(tǒng)計情況也可以看出，國內(nèi)跨度在600m以上的數(shù)座其他鋼箱梁斜拉橋[3-4]在布置中也多數(shù)采用了設(shè)置輔助墩的方式，且次邊跨/邊跨跨徑比值大都在0.25～0.3區(qū)間范圍內(nèi)，與得到的結(jié)論比較吻合。建議大跨斜拉橋400～800m需在兩側(cè)邊跨均設(shè)置一處輔助墩，且次邊跨/邊跨跨徑比值在0.25～0.3區(qū)間附近擇一合適位置設(shè)置。

4 結(jié)論

通過對鴨綠江界河公路大橋臨時墩設(shè)計的討論可以得出以下結(jié)論：

(1)經(jīng)比較分析設(shè)置輔助墩，塔頂水平位移、主梁跨中撓度、塔根彎矩和邊跨主梁彎矩都明顯減少，鴨綠江大橋設(shè)置輔助墩約為不設(shè)置輔助墩的40%～65%。

(2)活載作用，次邊跨/邊跨越大，輔助墩越靠近主塔，結(jié)構(gòu)受活載作用越理想，到一定程度即次邊跨/邊跨≈L′1/L1=0.2～0.3區(qū)域穩(wěn)定。

(3)整體升降溫作用，次邊跨/邊跨越小，輔助墩越遠離主塔，結(jié)構(gòu)受整體升降溫作用越理想。

(4)收縮徐變作用，次邊跨/邊跨在某一合理位置，結(jié)構(gòu)受收縮徐變作用越理想。

(5)綜合對比分析輔助墩位置設(shè)置在0.25～0.3區(qū)間比較理想，鴨綠江大橋采用的位置比為0.27。