曹勃　許又文

摘要：大跨徑斜拉橋根據(jù)塔的數(shù)量、索面布置及其連接方式的不同，可以構(gòu)成多種結(jié)構(gòu)體系的斜拉橋形式，以適應(yīng)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?yàn)槔?，為確定其橋型最優(yōu)形式，應(yīng)用有限元軟件Midas Civil進(jìn)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(jìn)行對比分析。經(jīng)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(guān)研究成果可為類似橋梁的橋型選擇提供參考。

關(guān)鍵詞：斜拉橋；最優(yōu)；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(nèi)第一座斜拉橋。20世紀(jì)90年代以后，因跨越大江大河的需要，斜拉橋得到了快速發(fā)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(zhì)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(guān)，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(jù)塔的數(shù)量、索面布置及其連接方式的不同，可以構(gòu)成多種結(jié)構(gòu)體系的斜拉橋形式。本文以某主跨806m的跨江斜拉橋?yàn)槔?，為確定其橋型最優(yōu)形式，應(yīng)用有限元軟件Midas Civil進(jìn)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(jìn)行對比分析。

1? ?工程概況

某跨江公路二橋及接線工程項(xiàng)目，該項(xiàng)目位于安徽省高速公路網(wǎng)規(guī)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(xiàng)目起于無為縣石澗鎮(zhèn)，接規(guī)劃中的北沿江高速公路，終于繁昌縣峨山鎮(zhèn)，接已經(jīng)建成的滬渝高速公路，路線全長55.012km，對于進(jìn)一步完善安徽省高速公路網(wǎng)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(yōu)型式，設(shè)計(jì)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(jìn)行比選，應(yīng)用軟件Midas Civil對其進(jìn)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(yīng)力和工程經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行分析，遵循“安全耐久，簡約美觀”的建設(shè)理念，努力實(shí)現(xiàn)“技術(shù)示范性橋梁”的最終建設(shè)目標(biāo)。設(shè)計(jì)過程中，針對本項(xiàng)目特定的水文、地質(zhì)、環(huán)境特點(diǎn)，綜合統(tǒng)籌相關(guān)建設(shè)條件，合理地確定橋跨布置和橋型方案。

2? ?設(shè)計(jì)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(yù)應(yīng)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(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1860MPa，斜拉索外包雙層護(hù)套，內(nèi)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(jié)構(gòu)采用Q345qD橋梁結(jié)構(gòu)用鋼。主要材料參數(shù)見表1。考慮在混凝土強(qiáng)度達(dá)到C45時，開始張拉預(yù)應(yīng)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(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，則?'ck=29.6MPa，?'tk=2.51MPa。

2.2? ?設(shè)計(jì)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(jù)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(shè)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(shè)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(shè)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(huán)向預(yù)應(yīng)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(jì)100根索。

根據(jù)本橋位處河岸兩側(cè)的地質(zhì)條件，邊墩、輔助墩以及主塔均采用啞鈴型承臺，基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)，設(shè)置環(huán)向預(yù)應(yīng)力束。塔高259.48m，塔頂距離分肢點(diǎn)距離為108m，在塔高42.54m處設(shè)置下橫梁一道。

主梁采用分離式鋼箱梁，根據(jù)頂?shù)装搴穸炔煌约皠澐蛛A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(guī)格，腹板厚度有25mm與30mm兩種規(guī)格。鋼箱梁透視圖見圖2。

索塔底部固結(jié)，邊墩及輔助墩設(shè)置豎向支撐，約束橫橋向及豎向。索塔處主梁節(jié)點(diǎn)與索塔節(jié)點(diǎn)，設(shè)置彈性支撐約束橫向，橫梁、拉索、主梁之間均設(shè)置虛擬剛性梁進(jìn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)錨固系統(tǒng)進(jìn)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(yōu)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(shè)計(jì)參數(shù)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(jié)在有限元模型的基礎(chǔ)上，施加通用規(guī)范給出的車道荷載，計(jì)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?。欢桨?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(guān)系，而與結(jié)構(gòu)尺寸息息相關(guān)。

3.1.2? ?橫向剛度

本計(jì)算中，利用主梁在橫向極限風(fēng)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(jì)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(fēng)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(jì)算中，利用主梁在偏載作用下的主梁扭轉(zhuǎn)角，來表征主梁的抗扭剛度，扭轉(zhuǎn)角等于最外側(cè)的拉索的豎向位移差除以水平距離，通過有限元軟件，計(jì)算出3個方案的主梁扭轉(zhuǎn)角如圖7所示。由圖7可以看出，采用方案1的扭轉(zhuǎn)角最大，則其抗扭轉(zhuǎn)剛度最小；而采用方案2扭轉(zhuǎn)角相對較小，且扭轉(zhuǎn)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(jìn)一步研究兩者的區(qū)別，故進(jìn)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(yīng)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(dāng)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(dá)到50m，選用四索面的索面布置有利于減小橫梁中應(yīng)力最大值，從而達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力的目的。

3.2? ?經(jīng)濟(jì)性

對于工程項(xiàng)目，必須考慮其經(jīng)濟(jì)性，通過初步估算各個方案的工程量，比較3個方案的經(jīng)濟(jì)性。由估算結(jié)果可知，方案1在鋼絞線與主鋼材的用量上最少，最具經(jīng)濟(jì)性。方案2與方案3用量較大。

3.3? ?對比總結(jié)

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(jīng)濟(jì)性上分析，方案1相比其他兩個方案可節(jié)省鋼材用量約19%，經(jīng)濟(jì)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(yōu)。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(shè)計(jì)也更具美學(xué)效果。

與整體式鋼箱梁相比，分離式鋼箱梁主要的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)自重小，跨越能力強(qiáng)，抗扭、抗彎剛度大，抗風(fēng)穩(wěn)定性能好。綜上所述，該橋選用四索面分離式雙箱梁。

4? ?結(jié)束語

本文以某主跨806m的跨江斜拉橋?yàn)槔?，為確定其橋型最優(yōu)形式，應(yīng)用有限元軟件Midas Civil進(jìn)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(jìn)行對比分析，得到如下結(jié)論：

結(jié)構(gòu)的剛度與結(jié)構(gòu)尺寸、材料用量息息相關(guān)，與雙索面，四索面布置關(guān)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(jīng)濟(jì)效益。結(jié)合受力，造價以及設(shè)計(jì)與施工的便利，選用四索面分離式雙箱梁。

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