小跨徑獨塔斜拉橋主梁構造與靜力分析

萬曉明

（遼寧省公路勘測設計公司 沈陽市 110006）

小跨徑獨塔斜拉橋主梁構造與靜力分析

萬曉明

（遼寧省公路勘測設計公司 沈陽市 110006）

以海城市同澤大橋為背景，針對采用塔梁墩固結體系的小跨徑獨塔斜拉橋的受力特點，借助Midas/ Civil有限元程序建立主橋模型并進行靜力分析，得到主梁在成橋階段的內力傳遞和運營階段的應力分布，為相似結構橋梁設計提供借鑒。

斜拉橋；塔梁墩固結；靜力分析

1 工程概況

同澤大橋工程位于遼寧省海城市內，大橋橫跨海城河。橋孔跨度布置為3×20m+（72.5+62.5）m+5×20m，橋梁總長（包含耳墻）300.2m。引橋上部采用3×20m一聯和5×20m一聯的裝配式預應力混凝土簡支空心板，主橋采用（72.5+62.5）m不等跨預應力混凝土獨塔雙索面斜拉橋，斜拉橋采用塔、梁、墩固結剛構體系。主橋標準斷面橋面寬20m，雙向4車道，荷載等級采用公路-I級，設計洪水頻率1/100，地震基本烈度Ⅶ度，無通航要求。主橋布置圖如圖1所示。

2　主梁結構設計

主橋（72.5+62.5）m箱梁采用預應力混凝土變高、變寬箱梁。箱梁采用單箱三室截面，邊支點、跨中箱梁中心高2.4m，在橋塔位置局部加高為3.2m；箱梁梁端頂寬18m，距梁端10m位置箱梁頂寬漸變為20m。主跨（72.5m跨）標準斷面的箱梁頂板厚度為25cm，底板厚度為25cm，邊腹板厚度1.5m，中腹板厚度50cm。箱梁在拉索位置設置厚度為35cm的中間橫梁，端部設厚度為2m的端橫梁，在橋塔固結處設置箱式橫梁（總寬5m）。

為保持塔柱的受力平衡，邊跨（62.5m跨）通過采用將箱梁頂板、底板、腹板厚度加大的方式，增加邊跨的自重，以優化結構受力。邊跨標準斷面的箱梁頂板厚度為35cm，底板厚度為35cm，邊腹板厚度1.5m，中腹板厚度 70cm。箱梁在拉索位置設置厚度為50cm的中間橫梁。主梁主跨和邊跨橫斷面尺寸如圖2所示。

為減小混凝土收縮、徐變的影響，主橋箱梁在塔根位置兩側各預留2m混凝土后澆帶，后澆帶于斜拉索張拉前澆注完畢，并盡量加大后澆帶澆的時間差。后澆帶采用C50微膨脹混凝土澆筑。

3 技術特點

3.1塔梁墩固結剛構體系

同澤大橋主橋采用塔梁墩固結剛構體系，這種體系結構的優勢在于整體剛度好，主梁和索塔的撓度較小。由計算結果可知，在汽車荷載作用下（不計沖擊力）主梁最大撓度24mm，撓跨比為L/3020＜L/500，主塔最大撓度20mm。結構剛度的增大是由塔梁墩固結位置的負彎矩換取的，在汽車荷載作用下，塔梁墩固結位置的負彎矩是主跨跨中正彎矩的1.33倍。

塔梁墩固結不需要設置支座，避免了設置支座的困難，并且獨塔斜拉橋的剛節點和塔腳不像其他雙塔或多塔斜拉橋存在溫度內力問題，因而塔梁墩固結的剛構體系特別適用跨徑不大的獨塔斜拉橋。

3.2橋塔下橫梁設計

由于塔梁墩固結體系結構的整體剛度相比其他結構體系大，框架結構導致了塔梁固結部位產生較大的應力，且無法做成連續梁的形式，因此橋塔橫梁受力復雜。本次橋塔橫梁計算采用Midas軟件建立橫橋向橋塔空間模型，構件采用桿件單元模擬，設計時考慮恒載（自重、拉索及預應力）和活載（風荷載，汽車荷載）以及偶然荷載（地震力）各種荷載工況組合。為減小橋塔橫梁及塔根附近主梁主拉應力，本橋在橋塔橫梁及塔根附近主梁腹板設置了豎向預應力。計算結果表明，橋塔橫梁在各種荷載工況的作用下滿足規范要求。塔梁固結處結構形式如圖3所示。

4 主梁縱向靜力計算

全橋采用空間桿系理論進行結構離散，應用Midas/Civil 2015程序對主橋進行縱向靜力計算，全橋有限元模型共有空間梁單元218個，空間桁架單元44個。主梁采用“魚刺梁”模型，橋塔為空間梁單元，斜拉索為桁架單元，其彈性模量采用考慮垂度影響的換算彈性模量。主梁邊支點橫梁、中支點橫梁以均布載的形式作用于主梁結構上，標準梁段小橫梁以集中力的形式作用于主梁結構上。

4.1施工階段模擬

施工階段的模擬遵循以下施工步驟：先滿堂支架現澆完成全橋梁部施工，而后掛索，掛索后施工橋面鋪裝及橋面附屬設施，最終張拉斜索橋完成全橋施工。

4.2模型邊界條件

主塔承臺底、主塔及主梁采用完全固結；邊墩處主梁豎向位移、橫橋向位移、扭轉位移約束，滿堂支架采用僅受壓彈性連接與固結節點連接模擬。

4.3計算荷載

（1）一期恒載：包括混凝土主梁、主塔及斜拉索自重。

（2）二期恒載：包括人行道、防撞護欄以及橋面鋪裝重，以均布荷載的形式施加在主梁單元上，荷載集度為116kN/m。

（3）收縮、徐變：混凝土收縮徐變計算原理符合《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）。計算中分別考慮施工階段、成橋狀態及橋梁建成后運營10年時的收縮徐變效對結構的影響。

（4）基礎沉降：主塔和邊墩按1.0cm沉降考慮，按最不利組合。

（5）活載：公路-I級（雙向4車道）空間加載；沖擊系數按照《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）的規定根據結構基頻計算。橫向折減系數0.67，不考慮縱向折減系數，人群荷載標準值按《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）的規定加載。

（6）溫度荷載

體系溫度：體系整體均勻升溫20℃、均勻降溫40℃。

主梁溫度梯度：正溫差T1=14℃，T2=5.5℃；負溫差T1=-7℃，T2=-2.75℃索與主梁溫差：±10℃塔身左右側溫差：±5℃

4.4作用組合（表1）

表1　

4.5主梁主要計算結果

（1）成橋階段主梁內力（圖4～圖6）

（2）運營階段主梁應力計算（圖7～圖9）

應力：拉應力為“+”，壓應力為“-”，單位“MPa”。

計算結果表明，成橋階段主梁彎矩除塔根無索區有較大正彎矩和剪力外，其他梁段內力較勻，控制較好；而運營階段主梁除在固結位置上緣拉應力和主拉應力偏大外，其他梁段應力計算均滿足規范要求，而固結位置在考慮主梁與塔墩的剛域效應后亦能滿足規范要求。

5 結論

（1）斜拉橋采用塔梁墩固結剛構體系，結構的整體剛度好，主梁和索塔的撓度較小，無需設置支座，且沒有像雙塔或多塔斜拉橋采用相同體系而存在溫度內力問題，因此剛構體系特別適用于跨徑不大的獨塔斜拉橋。

（2）采用塔梁墩固結體系的獨塔斜拉橋，主梁各局部段落的剛度有較大的不均衡性，斜拉索對主梁的“多點彈性支承”作用與該點距離塔梁固結點的位置有很大的關系，因此，確定非對稱的剛構體系斜拉索初張力相對困難一些。有時僅僅調整索力，很難使截面應力得到明顯改善，需同時調整主梁某些節段的預應力配筋量及形式，甚至調整部分梁段的截面尺寸和結構配重。

（3）采用塔梁墩固結剛構體系的斜拉橋，主梁在固結位置產生較大的應力，導致橋塔橫梁受力復雜，在對橋塔橫梁設計時，應建立合理的計算模型，并考慮各種不利荷載工況及施工階段的影響。

［1］ 劉士林，王似舜.斜拉橋設計［M］.北京：人民交通出版社，2006.

The Main Girder Structure and Static Analysis of Small-span Cable-stayed Bridge with Single Tower

WAN Xiao-ming
（Liaoning Highway Surveying and Designing Company，Shenyang 110006，China）

The thesis takes Tongze bridge as study background，focusing on the characteristics of small-span Cable-stayed Bridge with single tower which adopt pier beam consolidation system.with the help of Midas/Civil finite element software，the main bridge model has been established and a static analysis has been done，and the distribution of main girder internal force and stess has been obtained，the results will provide reference for similar structure bridge design.

Cable-stayed Bridge；Fixation of pylon-beam-pier；Static analysis

U441

A

1673-6052（2016）01-0032-04

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.01.008