鋼箱梁斜拉橋橋型方案比選研究

曹勃　許又文

摘要：大跨徑斜拉橋根據塔的數量、索面布置及其連接方式的不同，可以構成多種結構體系的斜拉橋形式，以適應各種組織形式和施工條件的要求。以某主跨806m的跨江斜拉橋為例，為確定其橋型最優形式，應用有限元軟件Midas Civil進行建模分析，分別對倒Y型塔雙索面整體式鋼箱梁斜拉橋、四索面分離式鋼箱梁、二索面分離式鋼箱梁三個方案，從受力性能、工程造價等方面進行對比分析。經比選確定，該6車道斜拉橋采用四索面分離式雙箱梁，此相關研究成果可為類似橋梁的橋型選擇提供參考。

關鍵詞：斜拉橋；最優；橋型；Midas Civil

0? ?引言

我國1975年建成的跨徑76m的四川云陽橋，是國內第一座斜拉橋。20世紀90年代以后，因跨越大江大河的需要，斜拉橋得到了快速發展。在大跨度橋梁中，斜拉橋是有競爭力的一種橋型。為了減輕斜拉橋主梁的質量，斜拉橋的主梁大多采用鋼梁。主梁的截面形式與拉索的空間布置形式有關，常見的主梁型式有整體鋼箱梁、分離式鋼箱梁等。

大跨徑斜拉橋根據塔的數量、索面布置及其連接方式的不同，可以構成多種結構體系的斜拉橋形式。本文以某主跨806m的跨江斜拉橋為例，為確定其橋型最優形式，應用有限元軟件Midas Civil進行建模分析，分別對倒Y型塔雙索面整體式鋼箱梁斜拉橋、四索面分離式鋼箱梁、二索面分離式鋼箱梁三個方案，從受力性能、工程造價等方面進行對比分析。

1? ?工程概況

某跨江公路二橋及接線工程項目，該項目位于安徽省高速公路網規劃“四縱八橫”中“縱二”（徐州-蚌埠-合肥-蕪湖-黃山）段上，是連接安徽省長江兩岸的又一條快速通道，處在蕪湖長江大橋和銅陵公鐵兩用大橋之間。項目起于無為縣石澗鎮，接規劃中的北沿江高速公路，終于繁昌縣峨山鎮，接已經建成的滬渝高速公路，路線全長55.012km，對于進一步完善安徽省高速公路網布局和過江橋梁布局具有重要意義。

為確定該跨江高速公路主橋的最優型式，設計前期，對雙索面整體式箱梁、四索面分離式箱梁以及雙索面分離式箱梁3個方案進行比選，應用軟件Midas Civil對其進行建模分析，對不同鋼箱梁斜拉橋方案從其橋梁豎向剛度、橫向剛度、抗扭剛度、橫梁最大應力和工程經濟性等方面進行分析，遵循“安全耐久，簡約美觀”的建設理念，努力實現“技術示范性橋梁”的最終建設目標。設計過程中，針對本項目特定的水文、地質、環境特點，綜合統籌相關建設條件，合理地確定橋跨布置和橋型方案。

2? ?設計方案概述

2.1? ?主要材料

主塔采用的是C50混凝土，輔助墩采用C40混凝土，橋塔和橋墩的承臺采用C40混凝土。預應力采用Φs15.2鋼絞線，采用OVM錨具，塑料波紋管成孔。普通鋼筋直徑＜12mm的采用R235鋼筋，直徑≥12mm的采用HRB335鋼筋。

斜拉索采用Φs15.2鋼絞線，抗拉強度標準值為1860MPa，斜拉索外包雙層護套，內層為黑色高密度聚乙烯，外層為彩色高密度聚乙烯，錨具為冷鑄墩頭錨。鋼結構采用Q345qD橋梁結構用鋼。主要材料參數見表1。考慮在混凝土強度達到C45時，開始張拉預應力鋼束，用?'ck和?'tk分別表示鋼束張拉時混凝土的抗壓、抗拉強度標準值，則?'ck=29.6MPa，?'tk=2.51MPa。

2.2? ?設計方案分析

2.2.1? ?雙索面整體式鋼箱梁斜拉橋

方案1采用雙索面整體式鋼箱梁斜拉橋。橋塔選用倒Y型橋塔，同時根據收集到的資料，絕大部分已建成的斜拉橋塔高（高出橋面）與跨徑的比值均在0.2左右，本橋主跨806m，塔高（高出橋面）取約176m。

主梁的梁高3.5m，梁高與跨徑比約1/230，采用整體式流線鋼箱梁，單箱三室，主梁每16m為一個梁段，每4m設置一個橫隔板，鋼箱梁采用Q345qD鋼。

采用半漂浮體系，在塔梁交接處設豎向與橫向支座。橫向支座對主梁施加一定的橫向柔性約束，另外設置縱向限位阻尼。

拉索及錨固采用雙索面，索梁之間采用鋼錨箱形式錨固，索塔之間采用環向預應力的方式錨固。索距16m，空間扇形雙索面，全橋一共50對索，共計100根索。

根據本橋位處河岸兩側的地質條件，邊墩、輔助墩以及主塔均采用啞鈴型承臺，基礎均采用鉆孔灌注樁。方案1總體效果如圖1所示。

2.2.2? ?四索面分離式鋼箱梁斜拉橋

方案2采用四索面分離式鋼箱梁斜拉橋。橋塔采用小Y柱式，為混凝土結構，設置環向預應力束。塔高259.48m，塔頂距離分肢點距離為108m，在塔高42.54m處設置下橫梁一道。

主梁采用分離式鋼箱梁，根據頂底板厚度不同以及劃分階段不同，全橋共有9種梁段。頂板與斜底板厚度分別有16mm與20mm兩種規格，腹板厚度有25mm與30mm兩種規格。鋼箱梁透視圖見圖2。

索塔底部固結，邊墩及輔助墩設置豎向支撐，約束橫橋向及豎向。索塔處主梁節點與索塔節點，設置彈性支撐約束橫向，橫梁、拉索、主梁之間均設置虛擬剛性梁進行連接。

本方案采用四索面，索梁之間錨固采用錨拉板形式，索塔采用同截面回轉斜拉索錨固體系。共采用196根索，除邊跨的AW1～AW3、AN2～AN3以及中跨的JW1～JW3、JN2～JN3直接錨固在索塔上，其他均采用同截面回轉錨固系統進行錨固。該方案為密索體系，索距為16m。四索面橫向布置如圖3所示。

2.2.3? ?二索面分離式鋼箱梁斜拉橋

方案3是對方案2加以優化，將方案2的四索面該成二索面，保證兩個方案鋼絞線的用量相同且索力分布也相同。其余設計參數均與方案2相同。雙索面橫向布置見圖4。

3? ?各橋型比選分析

3.1? ?受力性能

3.1.1? ?豎向剛度

橋梁的豎向剛度一般用車輛荷載作用下的跨中跨撓比來衡量，3個方案主跨均為806m，對于公路橋梁來講，較大的豎向剛度可以有效地提高車輛行駛的平順性。本節在有限元模型的基礎上，施加通用規范給出的車道荷載，計算出3個方案的活載作用下跨中撓度如圖5所示。

由圖5可以看出，在相同的活載作用下，方案1的活載位移較大，其豎向剛度最小；而方案2與方案3活載位移相對較小，幾乎相等。由此看出，在縱向布置相同荷載的情況下，豎向剛度與索面分布基本沒有關系，而與結構尺寸息息相關。

3.1.2? ?橫向剛度

本計算中，利用主梁在橫向極限風荷載作用下的位移，來表征主梁的橫向剛度，通過有限元軟件，計算出3個方案的橫向位移如圖6所示。

由圖6可以看出，在相同的風載作用下，采用方案1的橫向位移最小，其橫向剛度最大；而采用方案2橫向位移較大，橫向剛度較小。

3.1.3? ?抗扭剛度

在計算中，利用主梁在偏載作用下的主梁扭轉角，來表征主梁的抗扭剛度，扭轉角等于最外側的拉索的豎向位移差除以水平距離，通過有限元軟件，計算出3個方案的主梁扭轉角如圖7所示。由圖7可以看出，采用方案1的扭轉角最大，則其抗扭轉剛度最小；而采用方案2扭轉角相對較小，且扭轉角幾乎相同。

3.1.4? ?橫梁受力

對于方案2與方案3來講，無論是豎向剛度、橫向剛度以及抗扭剛度都幾乎一致，為了進一步研究兩者的區別，故進一步比較兩個方案的橫梁受力。方案2與方案3橫梁受力如圖8、圖9所示。

對比圖8和圖9，從橫梁最大應力來看，方案2最大值為45MPa，而方案3最大值為58MPa，相差近30%。這表明，四索面方案的橫向受力性能比雙索面方案要好。當橋面寬度較寬時，特別對于方案2、3的分離式雙箱梁，橋面寬達到50m，選用四索面的索面布置有利于減小橫梁中應力最大值，從而達到優化結構受力的目的。

3.2? ?經濟性

對于工程項目，必須考慮其經濟性，通過初步估算各個方案的工程量，比較3個方案的經濟性。由估算結果可知，方案1在鋼絞線與主鋼材的用量上最少，最具經濟性。方案2與方案3用量較大。

3.3? ?對比總結

主跨806m斜拉橋各方案性能綜合對比分析見表2。從功能上看，3個方案都能滿足所需的跨越能力，因而都具可行性。從經濟性上分析，方案1相比其他兩個方案可節省鋼材用量約19%，經濟性最佳；從安全角度上來看，方案2、3整體剛度相同且大于方案1，但方案2受力性能更優。從美觀上看，三種方案均為大跨徑的橋梁，方案2、3橋塔高聳，分離式雙箱的設計也更具美學效果。

與整體式鋼箱梁相比，分離式鋼箱梁主要的優點是結構自重小，跨越能力強，抗扭、抗彎剛度大，抗風穩定性能好。綜上所述，該橋選用四索面分離式雙箱梁。

4? ?結束語

本文以某主跨806m的跨江斜拉橋為例，為確定其橋型最優形式，應用有限元軟件Midas Civil進行建模分析，分別對倒Y型塔雙索面整體式鋼箱梁斜拉橋、四索面分離式鋼箱梁、二索面分離式鋼箱梁三個方案，從受力性能、工程造價等方面進行對比分析，得到如下結論：

結構的剛度與結構尺寸、材料用量息息相關，與雙索面，四索面布置關系不是很大。在橋面寬度很寬，特別是采用分離式雙箱梁時，采用四索面有利于減少橫梁受力。而對于橋面寬度不是非常大的整體式箱梁，選用雙索面方案，在保證橫向受力的情況下，有利于降低造價，提高經濟效益。結合受力，造價以及設計與施工的便利，選用四索面分離式雙箱梁。

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