趙殿鵬，葉建彬，翁楊

（1.浙江省交通工程管理中心，浙江 杭州 311222；2.浙江交工集團股份有限公司，浙江 杭州 311255）

1 引言

在大跨橋梁中斜拉橋因為有著優(yōu)良的結(jié)構(gòu)受力性能，大跨越能力以及優(yōu)美的造型而應用較為廣泛。已有的斜拉橋主梁很多都是采用普通混凝土混合梁，鋼主梁以及普通混凝土梁，橋塔很多采用的是普通混凝土，斜拉索很多采用的是平行鋼絲拉索。對于主梁，因為有著比較低的抗壓比強度，通常普通混凝土梁在500m以內(nèi)的適用跨度，而更大跨度的很多都是采用的鋼主梁，但控制鋼主梁穩(wěn)定性以及結(jié)構(gòu)構(gòu)造比較復雜，成本較高。對于傳統(tǒng)的斜拉索，因為其耐腐蝕性能比較差，通常只有20年左右的壽命，低于設計橋梁的使用壽命，另外因為鋼拉索自重比較大，垂直效應會降低長索有效彈性模量，進而導致斜拉索的承載效率降低。而超大跨度斜拉橋，如果采取普通的混凝土結(jié)構(gòu)，為了滿足橋梁的穩(wěn)定性以及強度，需要的截面尺寸比較大。上述因素都對斜拉橋采取普通材料擴大跨度造成制約。

2 模型橋梁概況

模型橋梁的結(jié)構(gòu)體系為全漂浮雙塔雙索面斜拉橋，3*100+420m+1600m+420+3*100m。橋面以上的塔高為350m，橋塔總高為420m。斜拉索一共有4*50對，雙索面，順橋向扇形布置，16m的主跨索距，邊跨靠近塔根30對斜拉索為16m的索距，2.5m的塔上索距，其余為12m的索距。豎向支座在橋塔和主梁間不進行設置，抗風支座在橫橋向設置主梁和輔助墩，過渡墩之間設置橫向與豎向水平約束。

設計的方案標準為：①一百年的設計基準期。②54.8m的橋面寬度。③一百年重現(xiàn)期內(nèi)設計基本風速為46.2m/s。④雙向八車道的公路。⑤100km/h的速度。⑥I級的公路汽車荷載。

3 方案設計

3.1 SSN 方案

（1）主梁采取分離式雙箱偏平鋼箱梁，高4.5m，寬54.8m，橫向雙主梁為12m的距離。頂?shù)装搴穸鹊淖兓癁?5～37mm，內(nèi)腹板厚17mm，外腹板厚37mm。頂?shù)装宀扇『駷?mm的U形加勁肋，主橫隔板每4m設置1道，相鄰兩道中間設置1道高1m的次橫隔板，橫隔板為16mm的厚度，以此來對鋼橋面板局部受力性能進行改善。在斜拉索吊點處設置橫系梁，16m的間距，箱形截面高4.5m，寬4m，其腹板連通箱內(nèi)橫隔板。鋼主梁為Q420鋼材質(zhì)。

（2）橋塔采取C60普通混凝土，使用A形塔，箱形截面作為塔柱，尺寸從塔根22m*12m漸變到塔頂10m*8m，由2.5m的壁厚漸變到1.3m。

（3）斜拉索采取1860MPa鋼絞線，195GPa的彈性模量，2.5的安全系數(shù)，截面積為（5.9-14.5）*10-3m2，經(jīng)過計算，主跨尾索折減了30%的彈性模量。

3.2 CRR 方案

在SSN方案基礎(chǔ)上，根據(jù)相似的剛度以及構(gòu)造要求，來替換橋塔和主梁的材料，并相應的優(yōu)化索力，擬定CRR方案。

（1）CRR方案主梁采取RPC200，鋼纖維體積為4%的摻量，直徑為0.2mm，長度為20mm，抗拉強度為15MPa，抗壓強度為140MPa。RPC主梁采取氣動外形，內(nèi)腹板厚為12cm，外腹板厚度為20cm，塔根附近頂?shù)装鍨?4cm的厚度，跨中頂?shù)装鍨?0cm的厚度。把小縱肋設置在頂板內(nèi)緣，與橫隔板結(jié)合進行布置，把橋面設計成雙向板助梁體系，其中縱助高45cm，寬12cm，間距3m。箱內(nèi)橫隔板間距為4m，橫隔板在每個梁段設置的有4道，厚度為15cm，為了對主梁自重進行減輕，橫隔板開孔率為50%。

（2）橋塔采取RPC150，其抗拉強度為12.4MPa，抗壓強度為116MPa，外形和SSN方案相同，壁厚由塔根1.8m漸變到塔頂0.9m。與C60橋塔對比，RPC150橋塔減少了30%的壁厚。

（3）斜拉索采取CFRP材料，2500MPa的抗拉強度，180GPa的彈性模量，抗拉比為SSN方案的7倍，考慮是脆性材料，取3.0的安全系數(shù)，截面積（6.5-12.8）*10-3m2，是SSN方案的1.23～0.87倍。主跨尾索彈性模量折減了1%，是鋼拉索的1/30，有效剛度是SSN方案的1.14～1.34倍。主跨尾索面積相比SSN方案，減少了4%，有效剛度提升了23%。

3.3 CHR 方案

把材料的特性充分發(fā)揮出來，以此來對橋塔附近主梁的穩(wěn)定性進行增強，并且在對主梁自重間減輕的同時對跨中拉應力更好的進行抵抗，擬定CHR方案。該方案中跨以及邊跨軸向壓力大部分區(qū)域采取RPC200主梁，跨中區(qū)域采取鋼主梁，在1/4主跨處設置鋼-RPC結(jié)合面，主梁截面和其他2種方案的位置相同。橋塔和CRR方案相同。斜拉索采取2500MPa抗拉強度的CFRP材料，拉索截面面積與有效剛度是SSN方案的1.12～0.91倍和1.03～1.17倍，尾索減少了9%的面積，有效剛度提高了17%。經(jīng)過驗算，該方案的主梁橋面局部穩(wěn)定性以及抗沖切承載力都能夠達到要求。

4 結(jié)構(gòu)靜力響應

4.1 恒載作用

對成橋索力采取未知荷載系數(shù)法來進行確定，主梁豎向變形-0.1～0.1m為控制條件，橋塔水平偏移0～0.05m。

CRR方案和SSN方案索力分布基本相同，都是在邊跨尾索處出現(xiàn)最大索力，但最大索力CRR方案要比SSN方案提升10%，主要是因為RPC主梁自重的加大。CHR方案和CRR方案斜拉索索力基本相同，鋼梁段索力要比SSN方案低，主要是因為CFRP自重比較輕。

4.2 汽車荷載作用

在汽車荷載下，主梁豎向變形，SSN方案最大撓度為2.96m，CRR方案為2.47m，CHR方案為2.60m，都能夠滿足設計的相關(guān)要求。與SSN方案對比，CRR方案和CHR方案的最大撓度分別降低了17%與13%。SSN方案塔頂向中跨側(cè)變形0.93m，CRR方案為0.83m，CHR方案為0.82m。

4.3 溫度作用

拉索升溫30℃下，SSN方案主梁跨中撓度為1.4m，而其他2個方案的撓度只有0.07m，主要是因為CFRP材料的線膨脹系數(shù)只有鋼的1/20。主梁升溫30℃之后，SSN方案撓度為1.13m，CRR方案為0.96m，CHR方案為1.01m，相比于RPC，鋼主梁對溫度更加敏感。

4.4 承載能力極限狀態(tài)內(nèi)力包絡

通過主梁和橋塔軸力包絡可以看出，橋塔和主梁軸力是因為恒載引起的，經(jīng)過計算能夠得出，塔根處的主梁軸力中，SSN方案的汽車荷載效應只有14%，CRR方案有13%，CHR方案有15%。除此之外，3種方案的主梁彎矩相似，主要是因為3種方案的橋塔和主梁抗彎剛度相似。

4.5 正常使用極限狀態(tài)

極限狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)應力，如表1所示。

表1 極限狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)應力

由上述表1能夠看出：

（1）SSN方案的鋼主梁最大拉應力為容許的28%，壓應力為83%。CRR方案拉應力為27%，壓應力為65%，與SSN方案對比，其他2種方案的主梁應力安全儲備有所提升。

（2）SSN方案C60橋塔最大拉應力為容許的91%，壓應力為89%，CRR方案拉應力為35%，壓應力為39%，CHR方案拉應力為34%，壓應力為38%。

（3）SSN方案拉索最大拉應力為限值的99%，CRR方案為90%，CHR方案為87%。

5 結(jié)語

根據(jù)不同的索、梁、塔材料進行組合，對主跨1600m的斜拉橋擬定了SSN、CRR以及CHR3種方案，并對靜力性能進行分析，結(jié)論如下。

（1）3種方案的結(jié)構(gòu)靜力性能都能夠滿足要求，在這3種方案中，CHR方案的結(jié)構(gòu)性能最優(yōu)。

（2）斜拉索采取CFRP材料，抗拉比為SSN方案的7倍，中跨尾索彈性模量折減了1%，是鋼拉索的1/30，減少CFRP拉索截面積，能夠?qū)o風荷載效應降低10%，進而提高結(jié)構(gòu)橫向抗風性能。

（3）RPC的抗壓比強度比鋼材以及普通混凝土更高，在超大跨度斜拉橋得到軸壓較大區(qū)域的主梁以及超高橋塔中更加適合。

（4）在大跨度斜拉橋體系中，控制結(jié)構(gòu)整體屈曲穩(wěn)定是主要因素，當主梁鋼-RPC在1/3～1/4的主跨位置進行布置時，其整體的結(jié)構(gòu)有著比較好的穩(wěn)定性。