蘇揚2號橋斜塔斜拉橋靜力分析

朱南松，甄國君

（中國市政工程華北設計研究總院，天津市 300074）

1 概述

蘇揚2號橋位于鄂爾多斯市東勝區鐵西三期開發片區的城市主干道西緯六路上。橋梁總長180 m，全寬50 m，為一座卵形斜塔組合梁特種斜拉橋，跨徑組合其附跨60 m，為預應力混凝土結構；主跨120 m，為鋼箱梁；梁高均為2.5 m；采用雙索面、扇形布置，索體采用鋼絞線擠壓錨式索，見圖1。

圖1 蘇揚2號橋

2 設計原則及技術標準

2.1 設計原則

蘇楊公路2號橋處于蘇楊公路的直線段上跨越昆獨龍溝規劃景觀河道，橋梁兩端接開發片區中規劃主干道上，在滿足功能要求的基礎上，應與環境相融合，努力成為該區域景觀亮點。橋型方案設計遵循以下原則：1

（1）橋型方案應全面貫徹適用、安全、經濟、耐用、美觀原則，在滿足使用功能的前提下，結構應力求技術先進、安全可靠、適用耐久、經濟合理，充分體現當今先進的建橋新技術、新水平，富有時代風貌。

（2）大橋所采用的結構和材料，應根據環境條件充分考慮結構的合理性及材料耐久性，并注重防腐設計，提高結構耐久性。

（3）隨著鄂爾多斯市的經濟增長，大橋設計時應具有一定的前瞻性，并能體現橋梁特色建筑的特點。

2.2 技術標準

（1）橋梁寬度：橋梁全寬50 m=0.25 m(欄桿)+2.75 m(人行道)+2.75 m(非機動車道)+0.25 m(護欄)+4 m(機非分隔帶)+0.25 m(護欄)+14.625 m(機動車道)+0.25 m(護欄)+14.625 m(機動車道)+0.25 m(護欄)+4 m(機非分隔帶)+0.25 m(護欄)+2.75m(非機動車道)+2.75 m(人行道)+0.25 m(欄桿),橋塔和斜拉索布置在機非分隔帶內。

（2）設計基準期：100 a。

（3）結構重要性系數：1.1。

（4）荷載標準：機動車：公路-I級的1.3倍，雙向8車道，非機動車及人群荷載：3 kPa。

（5）設計基準溫度：1.5℃。

（6）體系溫度：46℃～-43℃。

3 結構分析計算

3.1 計算模型

采用Midas/Civil程序計算，將結構離散為空間桿系模型，按照結構實際尺寸和施工過程進行模擬。39個鋼主梁單元、56個混凝土主梁單元、52個主塔單元、全橋總共劃分196單元、296節點，見圖2。

3.2 力學指標

混凝土：C50。軸心抗壓強度標準值：fck=32.4 MPa；軸心抗拉強度標準值：ftk=2.65 MPa；軸心抗壓強度設計值：fcd=22.4 MPa；軸心抗拉強度設計值：ftd=1.83 MPa。

圖2 全橋結構離散圖

鋼絞線：φs15.2、1 860級1×7股高強度低松弛鋼絞線。控制張拉應力為：σCon=0.73fpk=1 357.8 MPa；采用塑料波紋管，管道局部偏差對摩擦影響系數k=0.001 5、預應力鋼絞線與管道摩擦系數μ=0.17；每個張拉端錨具變形、鋼筋回縮6 mm。

Q345鋼材：軸向應力容許值為200 MPa，彎曲應力容許值為210 MPa，剪應力容許值為120 MPa。

3.3 荷載

二期恒載：包括二期鋪裝、人行道板、護欄、中央分隔帶等。預應力鋼筋混凝土側為：110 kN/m；鋼梁側為：170 kN/m。

體系升降溫按44.5℃考慮，非線性溫度按規范規定考慮。

收縮徐變時間：3 650 d；收縮徐變嚴格按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》進行計算。

支座不均勻沉降按1 cm考慮。

橋塔上的裝飾荷載按實際重量添加，共重：975 kN。

風荷載根據規范采用，作用于橋塔上。

3.4 荷載組合

根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D62-2004）和《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）相關規定進行荷載組合。總計184種荷載組合，主要進行4類荷載組合驗算：

（1）短期效應組合；

（2）長期效益組合；

（3）標準荷載組合；

3.5 結構安全驗算

結構安全驗算包括正常使用極限狀態和承載能力極限狀態兩個方面。

預應力混凝土結構強度驗算按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）的要求進行。結構總剛度驗算按《公路斜拉橋設計細則》（JTG-T D65-01-2007T）和《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》（JTJ 025-86）的規定進行。

4 計算結果

通過Midas/Civil結構計算分析與施工方案多次的循環修正，總體結構在各種狀態和荷載組合下，控制截面組合正應力、強度、位移、支座反力及拉索張力等均達到規范規定的要求。將計算結果拉力和拉應力為正，壓力和壓應力為負；彎矩以局部坐標系下單元下緣受拉為正，支座反力和位移正負與總體坐標系一致。

4.1 施工階段

成橋階段應力見圖3。

圖3 成橋階段應力圖

分析鋼塔在無支架的施工過程中位移累積和階段應力、塔頂水平位移等情況，見表1。本次斜拉索的張拉力要對鋼塔進行復位，每次斜拉索的張拉力都會對其他梁段的索力產生一定影響。

表1 成橋狀態各部應力及位移

由表1可知，成橋狀態各個部位的應力和位移滿足規范的要求。

4.2 運營階段

（1）預應力鋼筋混凝土箱梁驗算（見表2）

PBL（problem based learning）被稱為“以問題為中心的學習法”，以學生為中心，教師為引導，學生自主學習的特點。PBL教學中指導老師根據不同規培階段的培訓學員提出一些具體有針對性的問題，讓他們自己思考以激發學習的興趣，并通過討論的方式進行，最后由指導老師集中解釋疑惑，并盡可能在超聲操作實踐中檢驗討論結果。通過這種方式，可以使學員們在書本中的理論內容得到感性體會，并加深了對理論的理解和認識。

表2 預應力鋼筋混凝土箱梁應力計算表

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》7.1.5條，在標準組合下，受壓區混凝土的最大壓應力要求不大于0.5fck=0.5×32.4=16.2 MPa，以上表中計算結果滿足規范的要求。

根據《公路斜拉橋設計細則》4.4.1條，主梁在車道荷載（不及沖擊力）作用下的最大撓度值，混凝土梁應不大于l/500。汽車荷載作用下，預應力混凝土主梁的最大撓度為：0.73 cm<12 000/500=24 cm，滿足規范要求。

（2）鋼箱梁驗算（見表3）

表3 鋼箱梁應力計算表

鋼主梁上下緣最大壓應力為133.3 MPa<210 MPa；上下緣最大拉應力為：58.8 MPa<210 MPa，因此，滿足規范要求。

根據《公路斜拉橋設計細則》4.4.1條，鋼梁在車道荷載（不及沖擊力）作用下的最大豎向撓度值不大于l/400，鋼梁的最大撓度為：16.5 cm<12 000/400=30 cm，滿足規范容許變形的要求。

（3）主塔應力驗算（見表4）

表4 主塔應力計算表

主塔上下緣最大壓應力為210 MPa出現在塔根底部，此處有內部填充混凝土的聯合作用，因此實際壓應力達不到210 MPa，可以滿足規范要求；主塔除塔根外，其他位置均小于210 MPa，所以滿足規范要求。主塔上下緣最大拉應力為99 MPa<210 MPa，滿足規范要求

5 微膨脹混凝土配比設計

鋼混結合段要求具有一定的膨脹性能，混凝土膨脹率影響混凝土與鋼箱梁之間的密實程度，進而影響鋼混結合段結構的承載能力，而膨脹率大小取決于混凝土中所用膨脹劑種類和摻量。因此，必須選用合適的膨脹劑和摻量，以保證混凝土的膨脹與強度增長能匹配協調發展。

本橋對微膨脹混凝土的配合比和限制膨脹率進行了試驗研究。結果見表5。

表5 微膨脹混凝土配合比和限制膨脹率試驗結果

6 結語

（1）本橋主跨采用鋼箱梁，自重小、強度高、跨越能力大，且外觀流暢輕盈。邊跨采用預應力混凝土梁，既為平衡主跨提供了所需的重量，又節省了工程造價。同時明顯提高了結構剛度。鋼箱梁與混凝土梁通過鋼混結合段實現受力過度連接。

（2）主塔在運營階段正常使用極限狀態情況下，最大壓應力，不滿足規范要求。主要是有限元計算模型主塔混結合段是鋼箱梁代替混合梁，與實際情況有一定的偏差。由于主塔根部填充混凝土，實際運營階段的應力要比簡化的計算模型的結果要小，滿足規范的規定。

（3）整體施工流程也是決定成橋結構狀態的關鍵因素。通過對塔頂位、塔底應力、主梁位移及主梁應力計算結果，確定本橋施工流程。

該橋現已投入運營3年，養護部門嚴格按照國家有關規范要求隨時跟蹤建設質量，按年、按月對其進行檢測、保養、維護，從來沒有發現蘇揚2號橋有任何安全問題。因此蘇揚2號橋設計安全可靠，運營穩定。

[1]中國市政工程華北設計研究總院.蘇揚2號橋施工圖設計[Z].2009.

[2]林元培.斜拉橋[M].北京:人民交通出版社,2004.

[3]JTG/T D65-01-2007,公路斜拉橋設計細則[S].2007.