非對稱混合梁轉體橋設計研究

金 明

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

橋梁轉體施工是一種將橋梁結構在非設計橋位施工（現澆或節段拼裝）成形后，再通過轉體系統牽引至設計橋位的施工方法。轉體施工可以將在障礙上方的施工作業轉變為在障礙旁邊的地面或近地面施工作業。由于轉體施工具有縮短施工工期，降低施工風險，且不影響橋下行車的特點，因此在跨越既有鐵路線工程中有著非常廣泛的應用。

混合梁斜拉橋的主梁由鋼梁和混凝土梁結合而成，主跨鋼梁自重較輕，可以提升主跨的跨越能力，邊跨混凝土梁自重較大，可以起到壓重的作用，同時增大橋梁的整體剛度。因此與一般的斜拉橋相比，混合梁斜拉橋主跨與邊跨的跨徑比和主跨的跨越能力均要大。

文章依托四平市紫氣大路立交橋，該橋位于四平市中心城區，主跨需跨越四平編組站和京哈鐵路共15 條鐵路線，若采用鋼箱梁斜拉橋或混凝土梁斜拉橋方案，則邊跨的跨度均較大，周邊場地無法滿足支架施工和轉體過程中的占地要求。為減小邊跨的跨度，該橋采用了國內并不常見的非對稱混合梁轉體橋方案。

1 工程概況

紫氣橋為非對稱混合梁轉體斜拉橋，獨塔單索面結構，塔-梁-墩全固結體系，轉體系統設置于上下承臺之間。紫氣橋跨徑布置為165 m（主跨）+90 m（邊跨），其中主跨鋼箱梁長153.5 m，主跨和邊跨混凝土梁長101.5 m。鋼-混結合段設置于主跨側距主塔中心11.5 m 處。轉體結構主梁長為145 m（主跨側）+ 78 m（邊跨側），轉體結構總重23500t。橋梁結構布置如圖1 所示。

圖1 橋梁結構布置立面圖

紫氣橋鋼-混結合段采用后承壓板有格室結構，結合段由3 m 長鋼箱梁過渡加強段和2.25 m 長鋼-混剪力連接段組成。為保證傳力連續性，鋼箱梁過渡加強段采用變高度T 型加勁肋加焊在U 型加勁肋上的方式進行剛度過渡。鋼- 混剪力連接段除在頂底鋼板、后承壓板、格室鋼板上布置焊釘連接件外，還在格室鋼板上設置了PBL 開孔板連接件。混凝土梁部分縱向預應力鋼束錨固在后承壓板上，后承壓板厚40 mm。

2 全橋有限元模型的建立

全橋桿系模型采用Midas Civil 通用空間有限元軟件建立，紫氣橋主梁為閉口箱型截面，抗扭剛度較大，因此主梁采用單梁法進行模擬，把主梁平動質量、轉動慣量和截面豎向和橫向抗彎剛度、扭轉剛度都集中在位于梁中間的節點上。全橋桿系有限元模型如圖2 所示。

圖2 全橋桿系有限元模型

3 全橋設計分析

為便于內力及應力的統計分析，選取鋼-混結合的鋼梁側截面（距后承壓板6 m 位置），后承壓板位置截面以及混凝土梁側截面（距后承壓板5 m 位置）為代表性截面。這3 個截面在轉體階段、成橋階段、成橋十年階段截面的內力及應力分別如表1、表2、表3 所示。

表1 轉體階段鋼-混結合段關鍵截面內力及應力

表2 成橋階段鋼-混結合段關鍵截面內力及應力

表3 成橋十年階段鋼-混結合段關鍵截面內力及應力

由于后承壓板位置處錨固有大量混凝土梁預應力鋼束，在鋼束預應力的作用下，在后承壓板位置處主梁軸力、彎矩均有明顯突變。轉體階段斜拉水平分力作用產生的軸力占承壓板處截面總軸力的45.3%，鋼束預應力作用產生的軸力占截面總軸力的54.7%。

與轉體階段相比，成橋階段在后承壓板位置處張拉了成橋底板束和腹板束，同時掛設了合龍段斜拉索，后承壓板位置處主梁軸力明顯增大。

本橋為塔-梁-墩全固結體系，并且鋼-混結合段位置靠近主塔，因此鋼-混結合段在自重和活載作用下存在較大負彎矩，設計時需通過預應力鋼束布置和斜拉索索力調整保證鋼-混結合段在各階段彎矩均較小。成橋階段鋼束預應力作用產生的軸力占截面總軸力的73.2%，鋼束預應力作用產生的軸力在鋼-混結合段軸力中占比更大，鋼束預應力不僅讓后承壓板與結合段混凝土梁的緊密接觸，同時保證了結合段混凝土梁始終處于受壓狀態。

與成橋階段相比，成橋十年階段在后承壓板位置，混凝土梁側軸力變化值為4133 kN，彎矩變化值為-14276 kN·m；鋼梁側軸力變化值為1467 kN，彎矩變化值為-9050 kN·m。可見鋼-混結合段軸力受混凝土徐變影響較小，彎矩受混凝土徐變影響較大。由于混凝土徐變的作用，混合梁斜拉橋的內力發生明顯重分布，在設計時應充分考慮混凝土徐變對結合段受力的影響。

4 鋼-混結合段有限元模型的建立

鋼-混結合段局部實體模型采用ABAQUS 通用有限元軟件建立，模型混凝土梁側端部采用固結約束，鋼箱梁側端部施加桿系模型中提取的成橋節段內力。模型采用實體單元模擬結合段混凝土梁；采用殼單元模擬鋼箱梁、后承壓板、格室鋼板；采用桁架單元模擬預應力鋼束。鋼-混結合段實體模型如圖4 所示。

圖4 鋼-混結合段實體模型

5 鋼-混結合段設計研究

為便于統計分析，選取鋼-混結合段后承壓板位置處鋼箱梁截面和鋼-混結合段格室末端處混凝土梁截面為代表性截面，成橋階段這2 個截面縱橋向應力計算值分別如圖5、圖6 所示。

圖5 成橋階段鋼箱梁頂底板縱橋向應力計算值

圖6 成橋階段混凝土梁頂底板縱橋向應力計算值

由圖可見，鋼箱梁頂板中部范圍的應力要明顯大于兩側應力，而底板應力分布更為均勻。這是由于紫氣橋為單索面雙排索結構，臨近鋼-混結合段在中腹板上部錨固有一對斜拉索，因此頂板應力分布受斜拉索影響較大，而底板應力分布受斜拉索影響較小。

由圖可見，混凝土梁應力在腹板位置較大，在遠離腹板位置較小，這是由于后承壓板位置處錨固有大量預應力鋼束，且在腹板位置處鋼束更為密集，剪力滯效應明顯。

鋼-混結合段后承壓板位置處鋼箱梁截面和鋼-混結合段格室末端處混凝土梁截面應力實體模型計算值與桿系模型計算值相差不大，說明鋼-混結合段應力過渡良好。同時鋼箱梁頂板中部區域受斜拉索作用，混凝土梁腹板區域受鋼束作用，實體模型應力計算值大于桿系模型計算值，因此在鋼-混結合段設計時建議建立局部實體模型進行更為深入地分析。

6 結論

本文依托某非對稱混合梁轉體斜拉橋，建立了全橋桿系模型和鋼-混結合段實體模型進行受力分析，為類似工程的設計提供參考。

（1）鋼-混結合段設計時需通過預應力鋼束布置和斜拉索索力調整保證鋼-混結合段在各階段彎矩均較小。

（2）預應力鋼束作用產生的軸力在鋼-混結合段軸力中占比更大，鋼束預應力不僅讓后承壓板與結合段混凝土梁的緊密接觸，同時保證了結合段混凝土梁始終處于受壓狀態。

（3）鋼-混結合段軸力受混凝土徐變影響較小，彎矩受混凝土徐變影響較大，在設計時應充分考慮混凝土徐變對結合段受力的影響。

（4）斜拉索水平分力和鋼束預應力的作用下，鋼-混結合段局部位置應力較為集中，在采用桿系模型建模分析時應留有更大的安全度，或建立鋼-混結合段局部實體模型進行更為深入地分析。