拱塔斜拉橋設計

李東瀟，孫海波，胡明剛

（山東省交通規劃設計院集團有限公司，山東 濟南 250031）

1 工程概況

該橋位于遼寧省朝陽市，跨越什家子河。為改善人民生活質量，提高城市市政基礎設施水平，加快城市發展進程，急需新建一座橋梁連接新城區與老城區，以滿足日益增長的交通量，同時為協調城市景觀，打造新地標，橋梁主橋采用V 型拱塔斜拉橋。

2 結構設計

大橋主橋采用兩跨鋼拱塔雙索面斜拉橋，跨徑布置為2×90 m，其中兩個鋼拱塔呈V 字形布置于中間，上部結構采用預應力混凝土現澆箱梁，下部結構采用實體橋墩，基礎采用鉆孔灌注樁群樁基礎。

主梁采用單箱四室預應力混凝土箱梁，全寬34 m，梁高2.8 m。頂板厚28 cm，底板厚28 cm，塔處增加至55 cm；腹板厚45 cm，塔處增加至75 cm。拱塔采用V 型雙拱塔，拱塔中心傾斜20°。拱軸線為橢圓形，拱塔斷面為單箱單室鋼箱斷面，寬度由塔根4.5 m 漸變至塔頂2.5 m，為正方形。頂、底、腹板厚均為30 mm，塔根附近增厚至40 mm。標準橫隔板垂直于拱塔軸線，間距2 m 左右，板厚16 mm。斜拉索和水平拉索均采用高強度鍍鋅平行鋼絲外擠包高密度聚乙烯拉索，標準強度1 670 MPa，型號為PES(C)7-151 和PES(C)7-187，全 橋 共40 根。下 部結構塔根采用矩形變截面鋼筋混凝土結構，上寬下窄，底部截面10×5.7 m。主墩為正方形實心混凝土墩，3×3 m。塔根與主墩共用承臺，承臺厚4.5 m，上設二承臺厚度2 m，承臺平面形狀為八邊形，寬度24.8 m，主墩兩個承臺之間設系梁，尺寸為8×4.5 m。

主梁按照A 類預應力混凝土構件設計，鋼拱塔按照容許應力法設計，斜拉索按照極限狀態法設計[2]。

3 結構計算

3.1 有限元模型建立

采用有限元軟件Midas Civil 對主橋建立模型，進行計算分析。整個計算模型共計268 個節點，264個單元，有限元模型見圖1。

圖1 拱塔斜拉橋有限元模型

3.2 主梁正截面抗彎承載力驗算

由圖1、圖2 可以看出，截面的設計彎矩均小于極限承載彎矩，各截面的抗彎承載力均滿足《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015）要求。

圖2 基本組合下的彎矩抗力及對應內力/（kN·m）

3.3 主梁抗裂驗算

3.3.1 正截面抗裂驗算

由圖3、圖4 可以看出，截面最大拉應力1.3 MPa，小于0.7ftk=1.92 MPa，滿足要求。另外，準永久組合下截面均處于受壓狀態，未出現拉應力，滿足要求。

圖3 頻遇組合下截面上緣最小正應力/MPa

圖4 頻遇組合下截面下緣最小正應力/MPa

3.3.2 斜截面抗裂驗算

由圖5 可以看出，截面最大主拉應力1.17 MPa，小于0.5ftk=1.37 MPa，滿足要求。

圖5 頻遇組合主拉應力/MPa

3.4 主梁撓度驗算

活載作用下的最大撓度見圖6、圖7，主梁最大豎向撓度為44 mm ＜L/500=180 mm，滿足要求。

圖6 活載作用下的最大撓度/mm

圖7 活載作用下的最小撓度/mm

3.5 鋼拱塔應力

由圖8、圖9 可以看出，成橋階段鋼拱塔最大壓應力為-79.9 MPa，主力組合（成橋+活載作用）下，鋼拱塔最大壓應力為-88.1 MPa，小于規范規定的210 MPa。主力+附加力組合作用下，鋼拱塔最大壓應力為-114.4 MPa，小于規范規定的273 MPa，滿足要求。

圖8 主力組合拱塔應力/MPa

圖9 主力+附加力組合拱塔應力/MPa

3.6 拉索索力

通過索力優化調整[3]，見圖10，基本組合下拉索最大索力6 129.9 kN，最大拉應力為852 MPa，小于《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015）規定的900 MPa，滿足要求。

圖10 基本組合下拉索索力/kN

4 結語

V 型拱塔斜拉橋不僅實現了交通功能需求，憑其獨特的造型，提高了城市景觀性，成為當地新地標。通過索力優化調整，索力分布合理，成橋狀態下索、梁受力各分擔50%恒載，拉索和主梁強度均得到了充分利用[1]。根據計算結果，主梁和鋼拱塔的強度、剛度以及斜拉索強度均滿足要求。