900m跨組合鋼箱梁斜拉橋方案試設計

湯虎

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

900m跨組合鋼箱梁斜拉橋方案試設計

湯虎

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

本文假定某跨海峽工程背景，以900 m大跨度為目標進行組合鋼箱梁斜拉橋方案試設計，通過成橋狀態(tài)結構受力分析，探討該橋的動靜力性能，同時證明該方案是可行的。相比于鋼主梁斜拉橋，該橋型可提高橋面系局部剛度、解決正交異性鋼橋面板疲勞及橋面鋪裝易損問題。拓展組合鋼箱梁斜拉橋的適用跨徑，是適應未來跨江海大橋工程建設需求的選擇之一。

斜拉橋；組合鋼箱梁；橋梁設計；方案

0　引言

目前，我國最大跨徑鋼箱組合梁斜拉橋為主跨480 m的椒江二橋，其次為主跨420 m的東海大橋主航道橋。傳統(tǒng)認為，超過700 m的斜拉橋應當選擇鋼橋面形式，該結論是基于傳統(tǒng)鋼板梁組合梁抗風性能的不足而得出的，而封閉箱型截面組合梁彌補了開口截面組合梁抗風性能的不足，顯然，進一步提高組合鋼箱梁斜拉橋最大跨度紀錄的機遇和挑戰(zhàn)是并存的。

本文假定某跨海峽工程背景，以900 m大跨度為目標進行組合鋼箱梁斜拉橋方案試設計，探討進一步拓展組合梁斜拉橋跨徑的可能性。

1　橋址區(qū)基礎資料及計算荷載

1.1橋址區(qū)基礎資料

對大多數(shù)橋址建設條件而言，傳統(tǒng)的雙塔扇形雙索面自錨體系全組合梁斜拉橋結構具有更大的普遍性，本文的方案試設計及驗證也是針對這類斜拉橋，其中橋址區(qū)基礎資料如下：

（1）技術標準。公路橋梁，橫斷面布置及橋面寬度要求與蘇通大橋等國內(nèi)大多數(shù)公路橋梁相同，主梁寬度為36 m（不含風嘴），雙向6車道+緊急停車帶，荷載采用公路-Ⅰ級，按雙向8車道設計。

（2）橋下凈空。按當前最大通航要求設計，滿足橋下凈空不少于65 m。

（3）設計風速。假定橋址設計基本風速vs10= 40 m/s，按A類場地計算風速剖面，基本可以覆蓋長江沿線及預期大部分跨海工程的設計要求。設計基準風速、顫振檢驗風速、風載系數(shù)按《公路橋梁抗風設計規(guī)范》（JTG/T D60-01—2004）相關條款進行計算。

（4）結構材質(zhì)。主梁鋼結構以Q345qD為主，部分范圍可采用Q370qD；橋塔采用C50混凝土，主梁混凝土橋面板采用C60混凝土。斜拉索采用7 mm鍍鋅平行鋼絲成品索，抗拉強度1 860 MPa，主力作用下控制最大應力744 MPa。

（5）地震動。假定為Ⅵ度區(qū)，地震設計不控制。

1.2計算荷載

在對試設計方案進行論證時，著重對以下幾種控制性荷載組合進行分析：（1）運營組合，恒+沉降+溫度+運營風+活+制動力；（2）百年風組合，恒+沉降+溫度+百年風；（3）主力組合，恒+沉降+活+制動力。同時，分別進行剛成橋時和成橋10年后考慮收縮徐變兩種情況。

2　試設計方案概述

擬定的組合梁斜拉橋試設計方案的跨徑布置為144 m+261 m+900 m+261 m+144 m，如圖1所示。邊跨設置一個輔助墩，邊中跨比為0.45。采用漂浮體系，索塔下橫梁處可設置阻尼緩沖裝置或彈性連接限制主梁縱漂位移。

索塔采用橫橋向鉆石型、順橋向直立單柱式混凝土塔柱，如圖2所示，混凝土標號為C50，橋塔塔高242 m，橋面以上高度175 m，索塔塔高比0.194，錨索區(qū)高度為57.6 m（32×1.8 m）。橋塔截面尺寸為：下塔柱順橋向?qū)挾?3～11 m，橫橋向?qū)挾?0～7 m，塔柱順橋向和橫橋向壁厚均為1.8 m；中塔柱順橋向?qū)挾?1～9.5 m，橫橋向?qū)挾?～6.5 m，塔柱順橋向和橫橋向壁厚均為1.3 m；上塔柱順橋向?qū)挾?.5～8 m，橫橋向?qū)挾? m，塔柱順橋向和橫橋向壁厚均為1.3 m。

圖1　主跨900 m組合梁斜拉橋總體立面布置（單位：m）

圖2　主跨900 m組合梁斜拉橋索塔布置（單位：m）

主梁采用流線型扁平組合鋼箱梁，如圖3所示，梁高3.0 m，沿橋長不變，主梁高寬比為1/300；箱梁全跨39 m（含風嘴），主跨寬跨比為1/23.1。混凝土橋面板寬33 m，鋼底板寬25.4 m。主梁混凝土標號為C60，混凝土面板一般厚度25 cm，在腹板頂附近加厚至45 cm，邊跨和塔根無索區(qū)的混凝土板均加厚至45 cm。鋼結構材質(zhì)為Q345qD，斜腹板厚40 mm，腹板上翼緣厚24 mm，但在塔根及邊墩、輔助墩頂附近主梁鋼板局部加厚，斜腹板和腹板上翼緣厚分別增加60 mm和40 mm。鋼梁底板為了適應主梁軸力變化以及抵抗近塔區(qū)橫向風引起的側(cè)彎，彎曲需要采用變厚布置，厚度變化范圍為16～32 mm，底板采用U形加勁肋，加勁肋板厚8 mm。主梁橫隔梁采用桁架形式，橫隔梁順橋向間距4.5 m，橫隔梁板厚16 mm，上翼緣板厚24 mm。主梁鋼結構部分和混凝土面板之間通過設置剪力釘實現(xiàn)結合傳力。剪力釘采用直徑22 mm的圓頭焊釘，其長度除上翼緣鋼板兩端為450 mm外，其余均為200 mm。剪力釘根據(jù)受力大小布置。

全橋斜拉索共計256（32×4×2）根，規(guī)格為PES7-187～PES7-421（1 860 MPa），單索最大長度約475 m，中跨索距13.5 m，邊跨索距采用10.5 m和13.5 m兩種。其中，B32～B1為邊跨梁端至塔根處32根拉索編號，M1～M32為中跨塔根處至跨中處32根拉索編號。

圖3　主跨900 m組合梁斜拉橋組合梁橫斷面布置（單位：m）

結構分析采用TDV RM Bridge有限元程序，主梁、主塔和橋墩采用梁單元模擬，拉索采用桿單元模擬，整體計算模型如圖4所示。

圖4　整體計算模型

3　成橋狀態(tài)結構靜力性能分析

3.1成橋狀態(tài)

優(yōu)化后的成橋恒載狀態(tài)主梁彎矩和主梁應力如圖5～圖7所示。可以看出：主梁在主塔處及輔助墩處彎矩相對較大，其余部分彎矩均很小，主梁軸力則隨著與橋塔位置的縮短而逐漸增加。鋼梁上、下翼緣應力相差不大，尤其是中跨主梁，基本處于軸心受壓狀態(tài)，上、下翼緣的最大壓應力值分別為99.2 MPa、121.5 MPa，基本無拉應力出現(xiàn)；同樣，混凝土橋面板上、下翼緣應力也相差不大，最大壓應力值分別為17.6 MPa、17.3 MPa，無拉應力出現(xiàn)。

3.2結構靜力荷載總響應

方案試設計過程主要考慮了表1所列的六種控制性荷載組合進行分析計算，得到的不同組合工況下各構件最大應力見表1，最不利組合下主梁上、下翼緣、混凝土橋面板、橋塔應力分別如圖8～圖11所示。

從圖表中可以看出，鋼梁上翼緣最大壓應力為組合4工況的182.8 MPa，發(fā)生在橋塔附近，組合1工況下鋼梁上翼緣拉應力達到最大值，為8.4 MPa，出現(xiàn)在邊跨梁端截面；鋼梁下翼緣最大壓應力為組合4工況的197.7 MPa，發(fā)生在輔助墩和塔根附近，最大拉應力為組合1工況的50.3 MPa，發(fā)生在跨中附近；組合3工況的混凝土板最大壓應力最不利，塔根處壓應力最大，達到23.3 MPa，在組合4工況下混凝土板在跨中附近出現(xiàn)4.4 MPa的拉應力，需說明的是，組合4工況是成橋10年后的百年風短暫工況；組合2工況下，橋塔最大壓應力18.8 MPa，發(fā)生在下塔柱頂端截面的橫橋向截面；而在組合3工況下，下塔柱頂截面位置將出現(xiàn)0.8 MPa的最大拉應力。參照類似工程經(jīng)驗，考慮橋塔配筋后亦可滿足截面承載力要求；拉索應力最大值較為均勻，基本在600～700 MPa，應力幅不超過180 MPa。

圖5　成橋狀態(tài)主梁彎矩分布

圖6　成橋狀態(tài)下鋼梁應力分布

圖7　成橋狀態(tài)下混凝土橋面板應力分布

表1　不同組合工況下各構件最大應力　　　　　MPa

圖8　鋼梁上翼緣應力最不利組合

圖9　鋼梁下翼緣應力最不利組合

圖10　混凝土橋面板應力最不利組合

由上述計算結果可以看出，試設計的主跨900 m組合鋼箱梁斜拉橋的主梁、橋塔、拉索受力均處于安全范圍之內(nèi)，表明試設計方案可行，構件尺寸合理。

圖11　橋塔應力最不利組合

3.3結構靜力穩(wěn)定性評估

本文按第一類穩(wěn)定分析對900 m跨組合鋼箱梁斜拉橋成橋狀態(tài)下在不同計算工況下的結構穩(wěn)定安全系數(shù)進行了計算，結果見表2。結構在主跨滿布荷載時一階穩(wěn)定系數(shù)為4.165，為所有工況中最小，但仍滿足規(guī)范要求。

3.4結構抗風穩(wěn)定性評估

采用空間動力有限元分析，結構在成橋狀態(tài)下的典型動力特性見表3，顫振臨界風速可按規(guī)范進行估算，顫振檢驗風速由設計基準風速乘以風速脈動修正系數(shù)得到。

表3　動力特性與顫振穩(wěn)定性檢驗

表2　成橋狀態(tài)下一階穩(wěn)定系數(shù)

以上計算表明，本文擬定的主跨900 m組合鋼箱梁斜拉橋試設計方案在設計風速vs10=40 m/s工況下，按規(guī)范分別取主梁截面形狀系數(shù)、攻角系數(shù)為0.8和0.8對顫振臨界風速進行折減后，臨界風速仍遠高于檢驗風速，初步說明試設計方案滿足風致顫振穩(wěn)定性要求。

4　結　語

成橋狀態(tài)結構受力分析證明主跨900 m的組合梁斜拉橋方案是可行的。與鋼主梁斜拉橋相比，鋼-混凝土組合梁斜拉橋具有如下優(yōu)點：（1）利用混凝土板受壓，可改善主塔附近加勁梁抗壓性能；（2）增加橋梁抗彎、抗扭整體剛度；（3）組合梁的混凝土橋面板代替正交異性鋼橋面板，提高了橋面板局部剛度，很好地解決鋼箱梁鋼結構疲勞及橋面鋪裝易損壞的問題。從經(jīng)濟性和耐久性考慮，拓展組合梁斜拉橋的適用跨徑、在更大跨度范圍內(nèi)與鋼斜拉橋形成競爭，是適應未來跨江海大橋工程建設需求的選擇之一。

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湯虎（1986-），男，江蘇寶應人，工程師，從事橋梁設計工作。