某矮塔斜拉橋整體計算分析研究

謝 銀

（安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，安徽 合肥230088）

1 橋梁總體設計

主橋長395m，為（105+185+105）m矮塔斜拉橋，剛構體系，上部結構主梁為單箱三室大懸臂懸澆預應力混凝土連續箱梁，箱梁支點梁高7.0m，跨中梁高3.5m，頂面寬度25.5m，支點底面寬度10m；中腹板厚度50cm，邊腹板厚度由跨中向支點按50cm、60cm、70cm變化；中箱室頂板厚70cm，邊箱室頂板厚28cm；跨中底板厚32cm，支點底板厚130cm；主塔為矩形塔，塔柱計算高度31m，順橋向長5m，橫橋向寬度2.5m；每塔設置8對斜拉索，拉索橫橋向雙排布置，雙排間距0.8m，梁上索距8.0m，塔上索距1.0m；下部結構主墩為雙肢薄壁墩，雙肢中心間距6.0m，墩壁橫橋向寬度10m，壁厚1.6m。

整體計算模型全橋共劃分為302個單元，主梁、主塔、主墩用梁單元模擬，拉索用索單元模擬，計算模型如圖1所示。

圖1 主橋計算模型

2 計算荷載

2.1 恒載

含主體結構自重、橫隔板、橋面鋪裝、護欄等，混凝土容重按26.5kN/m3計算。

2.2 活載

公路—I級，按雙向4車道計算；人非荷載，按城市橋梁荷載標準取值。

2.3 整體升、降溫

溫熱地區混凝土橋最高溫度取34℃，最低溫度取-3℃，合龍溫度按15℃考慮，升溫溫差取最高溫度與合龍溫度差值19℃，降溫溫差取合龍溫度與最低溫度差值18℃。

2.4 梯度溫度

升溫梯度頂板溫度按14℃考慮，距頂板100mm位置處溫度按5.5℃考慮，距頂板400mm位置處溫度按0℃考慮；豎向日照反溫差取日照正溫差乘以-0.5。

2.5 橋墩變位

取過渡墩、主墩各發生2cm變位的最不利組合。

2.6 施工掛籃

最大懸澆節段重量3749.2kN，取施工掛籃重量1500kN。

3 計算結果

3.1 正常使用極限狀態主梁抗裂檢算

正截面抗裂驗算應對構件正截面混凝土的主拉應力進行驗算，全預應力混凝土構件，在作用(或荷載)短期效應組合下，對于分段澆注構件應符合下列要求：σst-0.80σpc≤0。

圖2表明正常使用極限狀態短期效應組合下主梁上、下緣均不出現拉應力，正截面抗裂驗算滿足規范要求。

圖2 正常使用極限狀態短期效應組合主梁最小應力圖(單位：MPa)

斜截面抗裂應對構件斜截面混凝土的主拉應力進行驗算，全預應力混凝土構件，在作用(或荷載)短期效應組合下，對于現場澆注構件需滿足以下要求：σtp≤0.40ftk。

圖3 正常使用極限狀態短期效應組合主梁主拉應力圖(單位：MPa)

圖3表明正常使用極限狀態短期效應組合下，主梁截面主拉應力較小，最大主拉應力發生在主墩位置處，為0.86MPa，滿足允許值1.10MPa的要求。

3.2 正常使用極限狀態主梁正截面壓應力檢算

使用階段預應力混凝土受彎構件正截面混凝土的壓應力應符合下列要求：σkc+σpt≤0.5fck。

圖4 正常使用極限狀態主梁最大壓應力圖(單位：MPa)

圖4表明正常使用極限狀態標準組合下，主梁上緣最大壓應力16.48MPa，下緣最大壓應10.57MPa，均滿足允許值17.8MPa的要求。

3.3 正常使用極限狀態主梁斜截面主壓應力檢算

預應力混凝土受彎構件由作用(或荷載)標準值和預加力產生的混凝土主壓應力應符合下列規定：

圖5 正常使用極限狀態主梁主壓應力圖(單位：MPa)

圖5表明正常使用極限狀態主梁最大主壓應力16.6MPa，滿足允許值21.3MPa的要求。

3.4 短暫狀況構件應力檢算

橋梁構件按短暫狀況設計時，應計算其在制作、運輸及安裝等施工階段，由自重、施工荷載等引起的正截面應力不應超過規范允許值，預應力混凝土受彎構件，在預應力和構件自重等施工荷載作用下截面邊緣混凝土的法向應力應符合下列規定：

圖6、圖7表明最大懸臂階段主梁上緣最大應力11.0MPa，下緣最大應力10.5MPa；成橋階段主梁上緣最大應力11.4MPa，下緣最大應力11.2MPa，均滿足允許最大值19.9MPa的要求。

3.5 正常使用極限狀態主梁撓度檢算

圖6 最大懸臂階段主梁應力圖(單位：MPa)

圖7 成橋階段主梁應力圖(單位：MPa)

本橋短期效應組合下主梁最大豎向位移為16.1cm，結構自重產生的豎向位移為13.3cm，撓度長期增長系數ηθ=1.4，因此，主梁撓度值為：1.4×（16.1-13.3）=3.9cm＜1/600×185=30.8cm

3.6 主墩正常使用極限狀態抗裂檢算

本橋為I類環境，裂縫允許值為0.20mm；為取得較合理的主墩構造，對比分析了主墩裂縫在不同墩高、壁厚、墩間距情況下的裂縫值（見表1、表2、表3）。

主墩裂縫與墩高關系表 表1

主墩裂縫與墩高關系表 表2

墩裂縫與墩間距關系表 表3

圖8 墩高23m壁厚1.6m間距6m時正常使用極限狀態短期效應組合主墩裂縫寬度圖(單位：mm)

如圖8所示，正常使用極限狀態短期效應組合并考慮長期效應影響后，主墩上、下緣最大裂縫寬度均為0.091mm，滿足最大裂縫寬度0.20mm限值的要求。

3.7 正常使用極限狀態拉索索力檢算

圖9 正常使用極限狀態拉索索力圖(單位：kN)

正常使用極限狀態拉索最大軸力為13219kN，最小軸力為9118kN。

4 結語

通過以上驗算內容可知，主梁在正常使用極限狀態下及短暫狀態下的應力、變形均滿足規范要求。

雙肢薄壁墩的裂縫寬度受墩高影響最為顯著，壁厚次之，肢距對裂縫寬度基本沒有影響。

部分斜拉橋因為其景觀效果好、結構受力合理、跨徑布置靈活、施工簡便、經濟性好等諸多優點，越來越受到青睞。本文所設計計算的（105+185+105）m部分斜拉橋可為以后相似工程提供設計參考。