PC斜拉橋主梁箱形截面優化設計研究

燕松波，李偉平，蔡鎖德

（1.中石化勝利建設工程有限公司，山東東營 257000；2.中石化西南油氣分公司，四川德陽 618000）

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PC斜拉橋主梁箱形截面優化設計研究

燕松波1，李偉平1，蔡鎖德2

（1.中石化勝利建設工程有限公司，山東東營 257000；2.中石化西南油氣分公司，四川德陽 618000）

摘要：近年PC斜拉橋即預應力砼斜拉橋的應用越來越廣泛，但現行斜拉橋設計細則關于斜拉橋設計的相關條文內容不夠全面，對設計的指導意義相對較小，設計大多根據經驗進行，從橋梁建設的科學性和經濟性角度來講有待提高。文中針對PC斜拉橋主梁箱形截面設計中存在的不足，以改善其橫向受力性能及提高局部穩定性為目標，以截面高度、頂底板厚度、腹板厚度、箱梁寬度等參數為變量，對PC斜拉橋常用主梁箱形截面的局部優化設計進行分析研究，并根據有限元模型計算得到的箱形截面優化參數值給出合理化設計建議。

關鍵詞：橋梁；PC斜拉橋；主梁；箱形截面；優化設計

PC斜拉橋（預應力砼斜拉橋）因其跨越能力強、橋面結構高度小、適應性強、造價經濟等顯著優點，目前在國內外有著廣泛的應用。但國內相關規范對斜拉橋設計的條款較少，且基本為定性的指導原則，對實際設計的指導作用相對較小，設計人員大多還是根據經驗進行設計。

作為PC斜拉橋重要組成部分的主梁，對整個結構的受力性能、施工組織、投資等具有重要的控制作用。目前PC斜拉橋主梁截面有空心板截面、整體箱形截面（包括加斜撐箱形截面）、雙邊箱截面和單箱多室截面等形式，其中最常用的是箱形截面。如何選取PC斜拉橋主梁合理的箱形截面對于控制成橋應力、施工難度、施工工期及工程造價等均影響重大，甚至起決定性的作用。目前國內外針對PC斜拉橋主梁截面開展的相關研究較少，這與PC斜拉橋應用日趨廣泛的狀況差距較大。該文對PC斜拉橋箱形截面的適用性、受力性能、經濟性、耐久性等進行研究，以成橋應力狀態作為目標對各種截面尺寸、構造等進行優化設計研究，為PC斜拉橋設計決策提供科學依據。

1　分析模型

以某獨塔雙跨斜拉橋為工程背景建立ANSYS有限元分析模型，結構形式對稱布置。該獨塔斜拉橋采用密索體系，結構布置見圖1。

PC斜拉橋的箱形截面形式主要有雙邊箱截面、單箱加斜撐式截面和單箱多室截面3種（見圖2）。這里采用單箱三室截面，截面形式及各參數的初始取值見圖3。

圖1　某獨塔雙跨斜拉橋結構布置示意圖

圖2　主梁典型截面形式示意圖

圖3　箱形主梁截面示意圖（單位：cm）

2　箱形截面優化分析結果

對截面各尺寸控制參數進行單變量分析，采用彎曲能量最小法得到對應取值的斜拉橋合理成橋狀態。主梁頂、底板的寬度通常受橋涵凈空的限制，在此不作參數分析。

2.1箱形主梁截面高度w3參數分析

圖4為截面高度為1 m時斜拉橋成橋狀態。截面高度取其他值時，斜拉橋成橋狀態與圖4類似。優化結果見表1、圖5。其中用索量用索力×索長表示，以下相同。

圖4　截面高度為1 m時斜拉橋成橋狀態

表1　箱形主梁截面高度的參數分析結果

圖5　箱形主梁截面高度參數分析結果

從圖4、表1和圖5可以看出：采用彎曲能量最小法得到的分析模型的主梁和塔的彎矩分布合理、斜拉索索力均勻、成橋位移較小。隨著截面高度的增大，成橋時主梁的彎曲應變能和最大位移均呈減小趨勢，且減小幅度漸趨平緩。說明過高的主梁截面對于減小斜拉橋成橋時的主梁彎曲應變能和豎向位移并無太大的幫助。截面高度的增大將導致斜拉索用索量增加，但影響并不是很大。

2.2箱形主梁底板厚度t1參數分析

圖6為底板厚度為0.1 m時斜拉橋成橋狀態。底板厚度取其他值時，斜拉橋成橋狀態與圖6類似。優化結果見表2、圖7。

從圖6、表2和圖7可以看出：底板厚度取值過大與過小均不可行，存在一個合理的底板厚度取值使得主梁彎曲應變能和主梁最大位移最小，該橋底板厚度取0.3 m比較合理；斜拉索的用索量隨著底板厚度增加顯著增大。

圖6　底板厚度為0.1 m時斜拉橋成橋狀態

表2　箱形主梁底板厚度參數分析結果

2.3箱形主梁頂板厚度t2參數分析

圖8為頂板厚度為0.1 m時斜拉橋成橋狀態。頂板厚度取其他值時，斜拉橋成橋狀態與圖8類似。優化結果見表3、圖9。

從圖8、表3和圖9可以看出：頂板厚度取值過大與過小均不可行，存在一個合理的頂板厚度取值使得主梁彎曲應變能和主梁最大位移最小，該橋頂板厚度取0.3 m比較合理；斜拉索用索量隨著頂板厚度的增加顯著增大。

3　參數靈敏度分析

為研究不同參數變化對結構受力狀態及全橋經濟性的影響，對結構尺寸增大50%對斜拉橋成橋時箱形截面主梁受力性能和全橋用索量的影響進行分析，結果見表4。

圖7　箱形主梁底板厚度參數分析結果

圖8　頂板厚度為0.1 m時斜拉橋成橋狀態

表3　箱形主梁頂板厚度參數分析結果

圖9　箱形主梁頂板厚度參數分析結果

由表4可知：1）梁高取值對斜拉橋成橋時主梁彎曲應變能及主梁最大位移的影響最大，在設計時應著重考慮。梁高大于2 m時，影響程度稍微有所降低。2）頂、底板厚度取值應適中，過大或過小對主梁受力均不利。相比其他變量，頂、底板厚度取值對全橋用索量的影響更大。3）腹板厚度取值應著重考慮構造要求，其對成橋時主梁受力性能及用索量的影響較小。

表4　結構尺寸增大50%對箱形截面主梁受力性能及全橋用索量的影響　%

4　結論

（1）主梁截面設計參數及細部尺寸的選取對斜拉橋合理成橋狀態影響較大。

（2）從使斜拉橋成橋狀態更為合理的角度考慮，箱形主梁截面高度宜取較大值，腹板厚度宜取較小值，頂、底板厚度存在一合適取值使得成橋時主梁彎曲應變能和主梁最大位移最小。

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中圖分類號：U448.27

文獻標志碼：A

文章編號：1671-2668（2016）03-0154-04

收稿日期：2015-07-16