姜洋

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

斜拉橋是由塔、梁、索和基礎共同受力的結構體系，因其跨越能力強、受力明確合理、力學性能好、造型優(yōu)美等優(yōu)點，在過去半個多世紀里取得了快速的發(fā)展。近年來，斜拉橋的主跨跨徑記錄不斷刷新，我國在建的常泰長江大橋主跨已達1 176 m。隨著斜拉橋主跨跨徑的增加，主梁的高跨比越來越小，橋塔高度越來越高，橋梁整體穩(wěn)定性問題已成為其主跨跨徑進一步增加的限制因素[1-4]。

對于主跨1 600 m 的自錨式斜拉橋，橋塔處主梁承受巨大的軸向壓力，主梁的整體穩(wěn)定性成為控制結構受力的關鍵因素。現以某公路通道方案為工程背景，對影響超大跨徑自錨式斜拉橋結構整體穩(wěn)定性的一些主要因素開展參數研究。

1 總體布置方案

某公路通道位于河口變遷河段，河槽沖刷深度達40m 以上，由于河槽不穩(wěn)定，通航寬度不僅需要考慮深槽寬度，還必須為河槽的變遷預留足夠的空間。依據現有水文、通航資料和可選橋址進行研判，橋位處主橋跨徑需求為單主跨1 600 m。

主橋設計方案的橋型結構為雙塔自錨式斜拉橋，橋跨布置為3×110+390+1 600+390+ 3×110=3040（m），邊中跨比0.45。橋塔處主梁為豎向支撐體系，橫向設置抗風支座，橋塔處設置塔梁間縱橋向彈性索，采用沉井基礎，總體布置如圖1 所示。

圖1 主跨1 600 m 雙塔自錨式斜拉橋總體布置圖（單位：m）

橋塔高度為430 m，其中橋面以上橋塔高度為350 m，下塔柱高度為80 m。橋塔縱橋向為獨柱型，塔頂縱橋向尺寸為12 m，塔底為25 m；橫橋向為鉆石型，塔頂橫橋向尺寸為12 m，塔底為15 m，見圖2 所示。

圖2 橋塔布置圖（單位：m）

主梁采用分離式（中央開槽）扁平鋼箱梁斷面形式，全寬52 m，高度5.5 m。頂板板厚16 mm，底板板厚28~60 mm，腹板板厚20~50 mm，見圖3 所示。

圖3 主梁標準斷圖（單位：cm）

斜拉索為雙索面扇形布置，梁上拉索錨點位于主梁兩側，塔中心處標準索距為2.5 m，梁上標準索距為20 m，邊跨梁端索距減小到16 m 和12 m。斜拉索采用平行鋼絲拉索，最大拉索規(guī)格φ7-547。

2 結構整體穩(wěn)定性參數分析

經試算，結構可能出現兩種失穩(wěn)模態(tài)，分別為主跨和邊跨主梁失穩(wěn)，失穩(wěn)模態(tài)分別見圖4 和圖5 所示。

圖4 主跨主梁失穩(wěn)圖示

圖5 邊跨主梁失穩(wěn)圖示

接著，對影響斜拉橋結構整體穩(wěn)定性的五個主要因素，即主梁梁高、輔助墩數量、塔梁約束、橋塔高度和塔上錨固間距進行參數分析，以確定各參數的合理取值。

2.1 主梁梁高

邊跨設置三個輔助墩，塔梁間縱橋向彈性索剛度為100 MN/m，主梁梁高分別取5.0 m、5.5 m 和6.0 m時，結構的一階彈性穩(wěn)定系數見表1 所列。

表1 梁高對一階彈性穩(wěn)定系數的影響一覽表

從表1 可以得出以下主要結論：

（1）在邊跨設置三個輔助墩時，失穩(wěn)模態(tài)均為中跨主梁失穩(wěn)；

（2）隨著梁高的增加，中、邊跨一階彈性穩(wěn)定系數均隨之增加。

增加梁高有利于提高結構整體穩(wěn)定性，但梁高增加將導致主梁迎風面積增加，主梁承受的橫風荷載增大，使得結構在極限橫風作用下的中跨跨中橫橋向位移增大，且橋塔的橫橋向彎矩也將增加。

因此，在滿足結構穩(wěn)定性的前提下，應選取盡量小的梁高。當梁高為5.5 m 時，結構的一階彈性穩(wěn)定系數為4.346，大于4.0，滿足規(guī)范要求。

2.2 輔助墩數量

塔梁間縱橋向彈性索剛度為100 MN/m，主梁梁高為5.5 m，輔助墩數量分別為1 個、2 個和3 個時，結構的一階彈性穩(wěn)定系數見表2 所列。

表2 輔助墩數量對一階彈性穩(wěn)定系數的影響一覽表

從表2 可以得出以下主要結論：

（1）隨著輔助墩數量的增加，中、邊跨主梁的一階彈性穩(wěn)定系數均增大；

（2） 輔助墩數量對中跨主梁一階彈性穩(wěn)定系數的影響很小，對邊跨主梁一階彈性穩(wěn)定系數的影響相對更大；

（3）當輔助墩數量為1 個和2 個時，邊跨主梁先于中跨主梁失穩(wěn)；當輔助墩數量為3 個時，中跨主梁先于邊跨主梁失穩(wěn)。

因此，輔助墩數量可選取為3 個，可顯著提高邊跨主梁的穩(wěn)定性。

2.3 塔梁約束

主梁梁高為5.5 m，邊跨設置3 個輔助墩，塔梁間縱橋向彈性索剛度選取為0～400 MN/m 以及縱向固定約束時，結構的一階彈性穩(wěn)定系數見表3 所列。

從表3 可以得出以下主要結論：

表3 塔梁約束對一階彈性穩(wěn)定系數的影響一覽表

（1）彈性索縱向剛度對邊跨主梁的一階彈性穩(wěn)定系數影響很??；

（2）隨著彈性索縱向剛度的增加，中跨主梁的一階彈性穩(wěn)定系數逐漸增加，但增加的速率越來越小。

隨著彈性索縱向剛度的增加，主梁的梁端縱向位移逐漸減小，但塔底的縱向彎矩大幅增加，因此彈性索縱向剛度不宜取值過大。

當彈性索縱向剛度取50 MN/m 時，結構的一階彈性穩(wěn)定系數為4.188，大于4.0，滿足規(guī)范要求。

2.4 橋塔高度

主梁梁高為5.5 m，邊跨設置3 個輔助墩，塔梁間縱橋向彈性索剛度為50 MN/m，橋塔高度分別選取為430 m、420 m 和410 m 時，結構的一階彈性穩(wěn)定系數見表4 所列。

表4 橋塔高度對一階彈性穩(wěn)定系數的影響一覽表

從表4 可以得出以下主要結論：

（1）隨著橋塔高度的降低，拉索的水平傾角變小，拉索的水平分力增加，使得主梁的一階彈性穩(wěn)定系數也隨之降低；

（2）橋塔高度對于中跨主梁的一階彈性穩(wěn)定系數影響更大。

增加橋塔高度可提高結構的整體穩(wěn)定性，但也隨之增大了橋塔的施工難度，因此在滿足結構穩(wěn)定性的前提下，應選取小的橋塔高度，430 m 的橋塔高度是合適的。

2.5 塔上錨固間距

橋塔高度保持430 m 不變，塔上錨固間距分別為2.2 m、2.5 m 和2.8 m 時，結構的一階彈性穩(wěn)定系數見表5 所列。

表5 塔上錨固間距對一階彈性穩(wěn)定系數的影響一覽表

從表5 可以得出以下主要結論：

（1）橋塔高度不變時，隨著塔上錨固間距的增加，拉索的水平傾角變小，拉索的水平分力增加，使得主梁的一階彈性穩(wěn)定系數也隨之降低；

（2）塔上錨固間距對于中、邊跨主梁的一階彈性穩(wěn)定系數影響程度接近。

減小塔上錨固間距可提高結構的整體穩(wěn)定性，因此可根據斜拉索在塔上錨固構造的空間要求確定斜拉索的塔上錨固間距。

3 結語

本文對1 600 m 雙塔自錨式斜拉橋結構穩(wěn)定性進行了參數分析，得到以下主要結論：

（1）在滿足結構穩(wěn)定性的前提下，應選取盡量小的梁高；當梁高為5.5 m 時，結構的一階彈性穩(wěn)定系數為4.346，大于4.0，滿足規(guī)范要求。

（2）當輔助墩數量為1 個和2 個時，邊跨主梁先于中跨主梁失穩(wěn)；當輔助墩數量為3 個時，中跨主梁先于邊跨主梁失穩(wěn)，并可顯著提高邊跨主梁的穩(wěn)定性。

（3）為了減小塔底的縱向彎矩，彈性索縱向剛度不宜取值過大；當彈性索縱向剛度取50 MN/m 時，結構的一階彈性穩(wěn)定系數為4.188，大于4.0，滿足規(guī)范要求。

（4）在滿足結構穩(wěn)定性的前提下，應選取小的橋塔高度，430 m 的橋塔高度是合適的。

（5）減小塔上錨固間距可提高結構的整體穩(wěn)定性，可根據斜拉索在塔上錨固構造的空間要求確定斜拉索的塔上錨固間距。