異形獨塔斜拉橋結構分析

摘要：隨著經濟的發展，橋梁美學日益得到社會各界的關注。兼顧外觀造型與受力合理成為橋梁建設領域的新焦點。文章以某座主跨200 m鋼塔獨塔斜拉橋為工程背景，采用有限元分析軟件建立相應的三維有限元模型，研究異形橋塔空間索面大跨度斜拉橋的受力特性。結果表明，在使用階段橋塔與主梁的應力、變形及彈性穩定系數，均滿足規范要求。

[作者簡介]黎丁實（1990—），男，碩士，工程師，研究方向為橋梁工程及公路工程信息化技術。

近40年來，我國在大跨度橋梁建設領域取得了舉世矚目的成就。以斜拉橋為例，世界上跨度前10的橋梁，我國占有7座;世界上已建成的公鐵兩用斜拉橋跨徑排名前8位均在我國，其中以滬通長江大橋最為著名，其主跨為1 092 m排名世界第一。這些成就代表著我國橋梁建設技術達到了一個全新的高度。斜拉橋是大跨度橋梁中一種主要的結構形式，這種橋型造型優美，線條流暢，并且結構為自錨式不需要額外的錨碇，在一定跨度范圍內，斜拉橋與懸索橋相比剛度大、造價低，具有明顯優勢。

隨著社會發展水平的不斷提高，社會各界也對橋梁美學的要求也日漸提高，各種異形結構層出不窮。如何兼顧造型優美與結構安全，是擺在每一個橋梁工程師面前的難題。本文以某獨塔空間索面鋼箱斜拉橋為研究背景，采用有限元軟件建立該橋的三維有限元模型，研究異形橋塔與空間索面的橋梁結構受力。

1 工程概況

獨塔空間索面鋼箱斜拉橋，位于城市主干路，設計行車速度50 km/h，該橋設計荷載為公路Ⅰ級、人群荷載2.5 kN/m2。采用單塔雙索面斜拉橋，孔跨布置為2×200 m，主橋全長400 m。主橋拉索區設置橋面兩側，橋面寬度為38 m。主梁采用栓焊組合鋼箱梁，箱梁全寬38 m，中心高4 m（內輪廓）。鋼箱梁頂板厚16 mm，邊箱底板、腹板厚16 mm。

斜拉索采用扇形布置，梁上索距的標準間距為12 m，塔上索間距為3 m。主塔采用鋼混組合結構，主塔為空間曲線扭曲結構。橋面以上高度為77.16 m，橋面以下塔柱高度為28.34 m，塔柱橫橋向寬度為4.5 m，塔柱順橋向寬度為5～10.42 m，鋼塔柱高度為100 m。主梁采用搭架吊裝施工（圖1、圖2）。

2 有限元模型

采用有限元軟件建立空間模型進行計算。鋼箱主梁采用單主梁模式，采用空間梁單元模擬，整個主梁的剛度以及分布質量和質量慣矩都集中到軸線上，并通過兩邊伸出的剛臂與拉索相連;斜拉索采用彈性懸索單元，以魚骨梁形式實現主梁節點與斜拉索節點之間剛性連接。拉索張拉模擬選體外力，以成橋索力作為目標索力，在施工階段對索力進行調整。計算模型如圖3所示。

3 受力分析

3.1 成橋狀態受力分析

在主體結構完工后，全橋在成橋狀態下主梁下緣在塔梁固結處有較大壓應力，為133 MPa。收到主梁水平面內彎矩的影響，主梁截面左右兩側的點受力呈反對稱分布（圖4）。

3.2 使用階段受力分析

考慮使用階段荷載組合作用后，主梁最大軸力為-144 100 kN，而最大水平面內彎矩為370 713 kN·m，最大豎直面內彎矩為174 614 kN·m，其均位于主梁塔梁固結處。通過應力分析可知，主梁的大部分區段處于全截面受壓狀態。與上緣相比，主梁下緣應力較高，在塔梁固結處有最大壓應力172.1 MPa（圖5）。

鋼橋面板不僅作為橋面系直接承受車輪荷載的作用，而且還作為主梁一部分參與主梁共同受力，其受力主要由主梁體系、橋面體系以及蓋板體系（即第一、第二、第三體系）組成，蓋板體系在橋面板的靜力計算中可忽略不計。為分析主梁橋面體系應力，本節通過有限元軟件建立鋼箱主梁節段板殼模型，分析橋面體系在車輪荷載作用下的應力情況。按照城—A級車輛荷載對橋面板進行加載，輪壓作用于相鄰兩橫隔板正中時，鋼梁頂板出現最大壓應力，約為45 MPa。綜合考慮主梁體系與橋面體系應力，鋼梁頂板最大應力約為156 MPa（圖6）。

考慮使用階段荷載組合作用后，索塔塔底有最大軸力為99 774 kN，最大縱向橋彎矩36 3951 kN·m;索塔橫橋向最大彎矩為78 117 kN·m，位于塔梁固結處;主塔截面在塔頂處有最大拉應力49.7 MPa，在塔底有最大壓應力139.3 MPa。通過變形分析，主塔的縱向最大位移為7.8 cm（圖7）。

斜拉索使用階段標準值組合下，拉索內力單位為kN，應力單位為MPa，斜拉索最大應力為598 MPa（S15拉索），即最小安全系數為2.79，滿足規范不小于2.5的要求;移動荷載作用下拉索應力變化介于-42.2～78.2 MPa之間（圖8）。

3.3 彈性穩定分析

使用狀態下，以結構自重、二期恒載及活載作為荷載變量，橋梁的第1階彈性穩定系數為45.99，滿足規范大于4.0的要求。橋梁的彈性穩定分析主要結果如下圖所示。其中第1階失穩形式為主塔產生橫向偏移，主梁產生反對稱變形（圖9）。

通過以上分析可知，本橋在竣工與使用階段，主體結構受力均有較高的安全富余。

4 結束語

本文通過有限元軟件建立橋梁三維有限元模型，對大跨度異形鋼塔空間曲面斜拉橋的進行了結構受力分析。計算結果表明，本橋的設計方案從結構受力及動力特性等方面均滿足規范的要求。本橋在取得優美的外觀造型的同時，也兼顧了結構受力的安全性，可為以后同類橋梁作借鑒。

參考文獻

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