900m跨組合鋼箱梁斜拉橋方案試設計

湯虎

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

900m跨組合鋼箱梁斜拉橋方案試設計

湯虎

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

本文假定某跨海峽工程背景，以900 m大跨度為目標進行組合鋼箱梁斜拉橋方案試設計，通過成橋狀態結構受力分析，探討該橋的動靜力性能，同時證明該方案是可行的。相比于鋼主梁斜拉橋，該橋型可提高橋面系局部剛度、解決正交異性鋼橋面板疲勞及橋面鋪裝易損問題。拓展組合鋼箱梁斜拉橋的適用跨徑，是適應未來跨江海大橋工程建設需求的選擇之一。

斜拉橋；組合鋼箱梁；橋梁設計；方案

0　引言

目前，我國最大跨徑鋼箱組合梁斜拉橋為主跨480 m的椒江二橋，其次為主跨420 m的東海大橋主航道橋。傳統認為，超過700 m的斜拉橋應當選擇鋼橋面形式，該結論是基于傳統鋼板梁組合梁抗風性能的不足而得出的，而封閉箱型截面組合梁彌補了開口截面組合梁抗風性能的不足，顯然，進一步提高組合鋼箱梁斜拉橋最大跨度紀錄的機遇和挑戰是并存的。

本文假定某跨海峽工程背景，以900 m大跨度為目標進行組合鋼箱梁斜拉橋方案試設計，探討進一步拓展組合梁斜拉橋跨徑的可能性。

1　橋址區基礎資料及計算荷載

1.1橋址區基礎資料

對大多數橋址建設條件而言，傳統的雙塔扇形雙索面自錨體系全組合梁斜拉橋結構具有更大的普遍性，本文的方案試設計及驗證也是針對這類斜拉橋，其中橋址區基礎資料如下：

（1）技術標準。公路橋梁，橫斷面布置及橋面寬度要求與蘇通大橋等國內大多數公路橋梁相同，主梁寬度為36 m（不含風嘴），雙向6車道+緊急停車帶，荷載采用公路-Ⅰ級，按雙向8車道設計。

（2）橋下凈空。按當前最大通航要求設計，滿足橋下凈空不少于65 m。

（3）設計風速。假定橋址設計基本風速vs10= 40 m/s，按A類場地計算風速剖面，基本可以覆蓋長江沿線及預期大部分跨海工程的設計要求。設計基準風速、顫振檢驗風速、風載系數按《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/T D60-01—2004）相關條款進行計算。

（4）結構材質。主梁鋼結構以Q345qD為主，部分范圍可采用Q370qD；橋塔采用C50混凝土，主梁混凝土橋面板采用C60混凝土。斜拉索采用7 mm鍍鋅平行鋼絲成品索，抗拉強度1 860 MPa，主力作用下控制最大應力744 MPa。

（5）地震動。假定為Ⅵ度區，地震設計不控制。

1.2計算荷載

在對試設計方案進行論證時，著重對以下幾種控制性荷載組合進行分析：（1）運營組合，恒+沉降+溫度+運營風+活+制動力；（2）百年風組合，恒+沉降+溫度+百年風；（3）主力組合，恒+沉降+活+制動力。同時，分別進行剛成橋時和成橋10年后考慮收縮徐變兩種情況。

2　試設計方案概述

擬定的組合梁斜拉橋試設計方案的跨徑布置為144 m+261 m+900 m+261 m+144 m，如圖1所示。邊跨設置一個輔助墩，邊中跨比為0.45。采用漂浮體系，索塔下橫梁處可設置阻尼緩沖裝置或彈性連接限制主梁縱漂位移。

索塔采用橫橋向鉆石型、順橋向直立單柱式混凝土塔柱，如圖2所示，混凝土標號為C50，橋塔塔高242 m，橋面以上高度175 m，索塔塔高比0.194，錨索區高度為57.6 m（32×1.8 m）。橋塔截面尺寸為：下塔柱順橋向寬度13～11 m，橫橋向寬度10～7 m，塔柱順橋向和橫橋向壁厚均為1.8 m；中塔柱順橋向寬度11～9.5 m，橫橋向寬度7～6.5 m，塔柱順橋向和橫橋向壁厚均為1.3 m；上塔柱順橋向寬度9.5～8 m，橫橋向寬度9 m，塔柱順橋向和橫橋向壁厚均為1.3 m。

圖1　主跨900 m組合梁斜拉橋總體立面布置（單位：m）

圖2　主跨900 m組合梁斜拉橋索塔布置（單位：m）

主梁采用流線型扁平組合鋼箱梁，如圖3所示，梁高3.0 m，沿橋長不變，主梁高寬比為1/300；箱梁全跨39 m（含風嘴），主跨寬跨比為1/23.1?；炷翗蛎姘鍖?3 m，鋼底板寬25.4 m。主梁混凝土標號為C60，混凝土面板一般厚度25 cm，在腹板頂附近加厚至45 cm，邊跨和塔根無索區的混凝土板均加厚至45 cm。鋼結構材質為Q345qD，斜腹板厚40 mm，腹板上翼緣厚24 mm，但在塔根及邊墩、輔助墩頂附近主梁鋼板局部加厚，斜腹板和腹板上翼緣厚分別增加60 mm和40 mm。鋼梁底板為了適應主梁軸力變化以及抵抗近塔區橫向風引起的側彎，彎曲需要采用變厚布置，厚度變化范圍為16～32 mm，底板采用U形加勁肋，加勁肋板厚8 mm。主梁橫隔梁采用桁架形式，橫隔梁順橋向間距4.5 m，橫隔梁板厚16 mm，上翼緣板厚24 mm。主梁鋼結構部分和混凝土面板之間通過設置剪力釘實現結合傳力。剪力釘采用直徑22 mm的圓頭焊釘，其長度除上翼緣鋼板兩端為450 mm外，其余均為200 mm。剪力釘根據受力大小布置。

全橋斜拉索共計256（32×4×2）根，規格為PES7-187～PES7-421（1 860 MPa），單索最大長度約475 m，中跨索距13.5 m，邊跨索距采用10.5 m和13.5 m兩種。其中，B32～B1為邊跨梁端至塔根處32根拉索編號，M1～M32為中跨塔根處至跨中處32根拉索編號。

圖3　主跨900 m組合梁斜拉橋組合梁橫斷面布置（單位：m）

結構分析采用TDV RM Bridge有限元程序，主梁、主塔和橋墩采用梁單元模擬，拉索采用桿單元模擬，整體計算模型如圖4所示。

圖4　整體計算模型

3　成橋狀態結構靜力性能分析

3.1成橋狀態

優化后的成橋恒載狀態主梁彎矩和主梁應力如圖5～圖7所示?？梢钥闯觯褐髁涸谥魉幖拜o助墩處彎矩相對較大，其余部分彎矩均很小，主梁軸力則隨著與橋塔位置的縮短而逐漸增加。鋼梁上、下翼緣應力相差不大，尤其是中跨主梁，基本處于軸心受壓狀態，上、下翼緣的最大壓應力值分別為99.2 MPa、121.5 MPa，基本無拉應力出現；同樣，混凝土橋面板上、下翼緣應力也相差不大，最大壓應力值分別為17.6 MPa、17.3 MPa，無拉應力出現。

3.2結構靜力荷載總響應

方案試設計過程主要考慮了表1所列的六種控制性荷載組合進行分析計算，得到的不同組合工況下各構件最大應力見表1，最不利組合下主梁上、下翼緣、混凝土橋面板、橋塔應力分別如圖8～圖11所示。

從圖表中可以看出，鋼梁上翼緣最大壓應力為組合4工況的182.8 MPa，發生在橋塔附近，組合1工況下鋼梁上翼緣拉應力達到最大值，為8.4 MPa，出現在邊跨梁端截面；鋼梁下翼緣最大壓應力為組合4工況的197.7 MPa，發生在輔助墩和塔根附近，最大拉應力為組合1工況的50.3 MPa，發生在跨中附近；組合3工況的混凝土板最大壓應力最不利，塔根處壓應力最大，達到23.3 MPa，在組合4工況下混凝土板在跨中附近出現4.4 MPa的拉應力，需說明的是，組合4工況是成橋10年后的百年風短暫工況；組合2工況下，橋塔最大壓應力18.8 MPa，發生在下塔柱頂端截面的橫橋向截面；而在組合3工況下，下塔柱頂截面位置將出現0.8 MPa的最大拉應力。參照類似工程經驗，考慮橋塔配筋后亦可滿足截面承載力要求；拉索應力最大值較為均勻，基本在600～700 MPa，應力幅不超過180 MPa。

圖5　成橋狀態主梁彎矩分布

圖6　成橋狀態下鋼梁應力分布

圖7　成橋狀態下混凝土橋面板應力分布

表1　不同組合工況下各構件最大應力　　　　　MPa

圖8　鋼梁上翼緣應力最不利組合

圖9　鋼梁下翼緣應力最不利組合

圖10　混凝土橋面板應力最不利組合

由上述計算結果可以看出，試設計的主跨900 m組合鋼箱梁斜拉橋的主梁、橋塔、拉索受力均處于安全范圍之內，表明試設計方案可行，構件尺寸合理。

圖11　橋塔應力最不利組合

3.3結構靜力穩定性評估

本文按第一類穩定分析對900 m跨組合鋼箱梁斜拉橋成橋狀態下在不同計算工況下的結構穩定安全系數進行了計算，結果見表2。結構在主跨滿布荷載時一階穩定系數為4.165，為所有工況中最小，但仍滿足規范要求。

3.4結構抗風穩定性評估

采用空間動力有限元分析，結構在成橋狀態下的典型動力特性見表3，顫振臨界風速可按規范進行估算，顫振檢驗風速由設計基準風速乘以風速脈動修正系數得到。

表3　動力特性與顫振穩定性檢驗

表2　成橋狀態下一階穩定系數

以上計算表明，本文擬定的主跨900 m組合鋼箱梁斜拉橋試設計方案在設計風速vs10=40 m/s工況下，按規范分別取主梁截面形狀系數、攻角系數為0.8和0.8對顫振臨界風速進行折減后，臨界風速仍遠高于檢驗風速，初步說明試設計方案滿足風致顫振穩定性要求。

4　結　語

成橋狀態結構受力分析證明主跨900 m的組合梁斜拉橋方案是可行的。與鋼主梁斜拉橋相比，鋼-混凝土組合梁斜拉橋具有如下優點：（1）利用混凝土板受壓，可改善主塔附近加勁梁抗壓性能；（2）增加橋梁抗彎、抗扭整體剛度；（3）組合梁的混凝土橋面板代替正交異性鋼橋面板，提高了橋面板局部剛度，很好地解決鋼箱梁鋼結構疲勞及橋面鋪裝易損壞的問題。從經濟性和耐久性考慮，拓展組合梁斜拉橋的適用跨徑、在更大跨度范圍內與鋼斜拉橋形成競爭，是適應未來跨江海大橋工程建設需求的選擇之一。

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湯虎（1986-），男，江蘇寶應人，工程師，從事橋梁設計工作。