獨塔斜拉橋主梁設計

李旭良 ，鄧 娟

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北武漢 430071）

1 概述

蕪申線五潭渡橋、徐葛大橋、泓口大橋橋梁工程是蕪申線高溧段（高淳至溧陽）航道整治工程的配套工程，是適應航道整治提升等級而進行的工程建設項目。徐葛大橋位于溧陽市開發區境內徐葛村，為航道改線截斷既有道路而增加的橋梁。道路等級:城市主干路。汽車荷載標準：公路-Ⅰ級。橋梁雙幅布置，左幅橋孔跨布置為：4×25 m小箱梁+3×25 m小箱梁+（95+75）m斜拉橋+3×25 m小箱梁+15.5 m現澆箱梁+4×30 m小箱梁。右幅橋孔跨布置為：4×25 m小箱梁+（75+95）m斜拉橋+3×25 m小箱梁+3×25 m小箱梁+15.5 m現澆箱梁+4×30 m小箱梁。單幅主橋寬度17.5 m，設置2 m人行道、3.5 m非機動車道及8 m機動車道。單幅引橋寬度13 m，設置3.5 m非機動車道及8 m機動車道。橋梁起點樁號K0+180.460，終點樁號K0+740.040，全長559.58 m。跨越航道為三級航道，通航凈寬60 m，通航凈高7.0 m，與航道中心線夾角77.3°。圖1為徐葛大橋效果圖。

圖1 徐葛大橋效果示意圖

2 主梁結構設計

主梁采用邊主梁形式，預應力混凝土結構，混凝土標號C50。梁高2.2 m，梁頂寬17.5 m，頂板厚度28 cm，肋寬1.6 m。設單向2%橫坡，橫梁間距采用6 m。為平衡結構不對稱重量，通過計算后確定邊跨靠近過渡墩17.15 m范圍內采用實心截面。圖2為主梁橫斷面構造。

圖2 主梁橫斷面構造（單位：cm）

3 主梁鋼束布置

3.1 主梁鋼束縱向布置

主梁采用滿堂支架澆筑主梁5個施工節段。主梁縱向鋼束在每個施工段采用連接器連接，每個施工節段澆筑完后張拉各節段主梁鋼束。主梁頂板設置19束19-15.2鋼束，邊主梁設置10束19-15.2鋼束，在邊跨配重實體段底板設置18束5-15.2鋼束和2束19-15.2鋼束。圖3為鋼束橫斷面構造圖。

圖3 鋼束橫斷面構造（單位：cm）

3.2 主梁橫梁鋼束布置

該橋半幅主梁寬度17.5 m，主梁寬度較窄，橫梁受力較小，橫梁鋼束的布置主要考慮避讓主梁內斜拉索預埋管。設計過程中根據橋梁縱坡和斜拉索兩個方向的傾角畫出實際模型，對每個橫梁處鋼束進行精確定位，以保證橫梁鋼束避讓預埋導管和主梁縱向鋼束。

4 計算分析

4.1 總體計算模型

采用Midas Civil2006建立整體分析模型，主梁、索塔按梁單元模擬，共321個節點，190個單元。斜拉索按等效桁架單元模擬（考慮彈模恩斯特修正），共56個單元。圖4為整體分析模型。

圖4 整體分析模型

4.2 斜拉索成橋合理索力確定

隨著設計理論的發展，設計軟件不斷完善，施工方法的改進和高強輕質材料的應用，斜拉橋的發展正進入一個嶄新的時代。今天的斜拉橋幾乎都是密索體系，屬高次超靜定結構。斜拉橋的設計自由度很大，可以通過調整斜拉索索力來改變結構的受力狀態，一旦斜拉橋的結構布局確定，總能找到一組索力，在確定的荷載作用下，使整個結構滿足某種理想狀態，如塔、梁、墩中彎曲應變能最小，即合理成橋狀態。合理成橋狀態的確定通常不考慮施工過程，只根據成橋狀態的受力來計算，為了尋求合理的成橋狀態，各種方法應運而生。該橋采用一種能滿足工程設計要求、簡單易行的對成橋索力進行優化的實用方法。

用MIDAS程序計算斜拉橋成橋優化索力的步驟為：（1）確定斜拉橋的結構布局；（2）建立斜拉橋空間模型，節點坐標采用斜拉橋設計成橋坐標，主梁、索塔用梁單元模擬，拉索用桁架單元模擬，抗彎剛度取實際值，抗壓剛度取值，用MIDAs截面特性調整系數功能進行截面剛度調整；（3）施加結構自重及二期恒載等外荷載，作一次落架成橋計算，計算的索力就是彎曲能量最小時的最優索力，所得內力就是彎曲能量最小時的成橋內力，計算所得位移結果無任何物理意義；（4）局部調整單元剛度，使整個結構受力合理，優化結構內力，可視其為斜拉橋成橋狀態的合理內力。按恒載計算的成橋索力，與施工方法無關。

該橋采用對抗壓剛度增大10 000倍的方法來確定最小彎曲能量法[3]下的索力。該橋彎曲能量最小法索力及主梁彎矩見圖5、圖6。

圖5 成橋狀態索力

圖6 成橋狀態主梁彎矩

主梁最大彎矩在邊跨配重處為7 027.3 kN·m，最小彎矩在主跨第一個斜拉索處為5 756.4 kN。通過最小彎曲能量法計算出斜拉索主梁彎矩和索力比較均勻，能滿足設計要求。

4.3 主梁應力

該橋為預應力混凝土主梁獨塔斜拉橋，整體靜力計算按空間桿系有限元原理，采用MIDAS有限元程序進行計算，按施工工序分析了施工各階段及運營階段的應力和變形情況，計算中計入了恒載、活載、混凝土收縮徐變、預應力、溫度變化、風載、汽車制動力、支座沉降、施工荷載等荷載。按施工階段流程和運營階段，逐階段計算結構各截面內力、應力和位移。成橋運營計算包括恒載、活載、支座沉降、溫度及靜風力等，按規范[1]進行最不利荷載組合。

該橋主梁施工采用滿堂支架澆筑，施工階段應力不受控制。通過計算，該橋營運階段長期效應組合最小壓應力為2.15 MPa，短期效應組合最小壓應力為0.68 MPa，標準組合最大壓應力為15.7 MPa，最大主壓應力為15.8 MPa，最大主拉應力為-0.68 MPa。各種組合應力均能滿足規范要求，并有一定安全儲備。主要應力見圖7～圖10。

圖7 短期效應頂板最小壓應力

圖8 短期效應底板最小壓應力

圖9 標準組合效應頂板最大壓應力

圖10 標準組合效應底板最大壓應力

5 施工工序

已建斜拉橋大部分采用掛籃懸臂澆筑主梁。由于該項目采用先完成上跨橋梁的施工，然后開挖航道，為加快施工進度，主梁采用滿堂支架施工。先施工主橋橋墩及橋塔，然后依次澆筑主梁5個施工節段，并張拉各階段主梁鋼束，接著依次初張拉斜拉索，拆除支架進行橋面系施工，最后二次張拉斜拉索。圖11為主橋施工流程圖。

圖11 主橋施工流程圖

6 結語

彎曲能量最小法可實現成橋階段最優索力，簡單易行，用一般的平面桿系均可實現。

徐葛大橋設計力求技術先進、簡潔美觀、結構安全耐久、施工方便、造價經濟。該橋于2011年6月開始施工，2012年12月主橋施工完成。從現場施工情況來看，主梁應力結果與設計結果比較吻合。該橋的設計思路代表了同類跨徑斜拉橋梁設計的普通性，可為同類橋梁設計提供借鑒經驗。

[1]JTG D60—2004，公路橋涵設計通用規范[S].

[2]JTG D60—2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[3]周孟波.斜拉橋手冊[M].北京：人民交通出版社，2004.

[4]范立礎.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2001.