公路特大跨度拱塔斜拉橋設計分析

文

工程背景

某特大拱塔斜拉橋位于河北某市的主干道上，行駛速度設計為40km/h，橋面斷面寬為27m，總長333m，其中有跨河橋梁一座，全長248m。主橋受力體現采取的是索輔梁橋受力系統，而主梁主要采用預應力連續施工方式，斜拉索空間布置方式按照雙索面布置，橋塔則采取雙肢V型鋼拱塔結構，其跨徑設計為188m。兩側引橋跨徑為30m，總長248m。

結構設計

總體布置

該特大拱塔斜拉橋全長248m，由188m的拱塔斜拉索輔梁橋主橋和兩側單跨30m的簡支箱梁引橋組成。塔梁分離是主橋的主要形式，在橋塔上設置有橫向限位支座與豎向支座，橋塔與橋面上的結構，選擇的是鋼箱塔布置，而橋面下的位置主要使用混凝土塔作為支架，使其能夠配合鋼混凝土過渡；鉆孔灌注樁與混凝土承臺是橋塔基礎施工主要方式，而在主梁上選擇的是平混凝土箱梁與單箱多室箱梁進行構建，且在河道中央搭建支架進行澆筑施工；斜拉索涵蓋斜向拉索與水平拉索，其中，水平拉索塔主要是實施內張拉，而斜向拉索主要負責梁端錨固張拉。

主梁

主梁采用預應力混凝土箱梁，主橋采用單箱四室流線型等截面，箱梁在中心線處梁高2.5m；引橋采用單箱六室流線型等截面，箱梁在中心線處梁高1.8m。橋面標準寬27m，梁頂設置2.0%的橫坡，梁底水平；橋塔及邊墩處設置橫梁，以保證支座處集中力的傳遞；在主梁縱向的位置上，按照間隔8m的距離設置混凝土隔板，并且將其拉伸到拉索錨存在的位置中，使其有效與拉索錨結合成為一個整體。主梁施工以支架現澆的方式作業。該工程主梁橫斷面剖面圖如圖1所示。

鋼塔

圖1 主梁的橫斷面圖（單位：mm）

主塔外觀橫立面呈斜伸的雙網球拍型，與豎直方向立面呈1：2.5的傾斜角，塔高約57m（鋼混凝土結合面至塔頂），采用鋼箱截面，標準尺寸高3.2m、寬度2.5m，鋼筋混凝土結合面以上16m范圍內拱高逐漸加高至4.0m。鋼塔和混凝土連接設置高4m的鋼筋混凝土結合段過渡，箱內布置隔板、焊釘，箱內澆注混凝土后通過精軋螺紋鋼連接緊密，確保塔底全截面受壓。拱肋主要是選擇型號為Q345qD鋼材，其規格為mm；在間隔2m的位置上，設置隔離板，且在其腹板與頂底板的位置支架鋼筋。將鋼錨箱設置在塔上，并且在其內部固定拉索錨固。主塔在塔座端固定，采用鋼筋混凝土固定，再使用精軋螺紋鋼固定措施提高固結能力。在實踐過程中，為了能將鋼筋混凝土結合段傳力的可靠性提高，需要在混凝土內部，采用PBL剪力鍵與混凝土連接。鋼塔節段焊接連接，在支架平臺組拼成形后豎轉施工到位。

斜拉索、水平索

該特大拱塔斜拉橋為空間雙索面斜拉索，其固定位置設置在錨固和箱梁的兩側肋的旁邊位置中，整體項目斜拉索18對，水平索9對，且設置的距離控制為8m，同時塔上的豎向距離控制為4m。斜拉索的為單端張拉，且在塔的端面設置鋼錨箱，使其作為斜拉索的錨固端；同時，混凝土錨塊設置在梁上的斜拉索位置，使其能夠實現梁端張拉。水平索設置于兩鋼塔之間，采用一端張拉。

結構計算

正常使用階段應力驗算

大跨度拱塔斜拉橋短期組合正應力，主梁的上緣應力絕大部分處于受壓狀態，上緣最大壓應力出現在兩跨的跨中，

上緣最大壓應力為-12.6MPa，主梁上緣只有在主梁的兩端

個別區域出現了拉應力，最大拉應力為1.24MPa。下緣最大壓應力則出現在主梁與拱塔相交處的主梁下緣，最大壓應力為-11.8MPa，而下緣在主梁的兩端出現了拉應力，最大拉應力為0.23MPa。

橋塔內力

圖2、圖3為該大跨度拱塔斜拉橋成橋后的縱向彎矩圖和橫向彎矩圖，成橋后橋梁的縱向彎矩最大值為4107kN·m，最小值為-4107kN·m，兩者均發生在拱塔的根部。成橋后橫橋向的彎矩最大值為17804kN·m，發生在拱塔頂部和底部之間中間的位置，最小彎矩值為-13519kN·m，發生在拱塔的根部。

圖2 成橋縱向彎矩（kN·m）

圖3 成橋橫向彎矩（kN·m）

圖4 標準組合最大應力（MPa）

橋塔應力

圖4為標準組合作用下雙套拱塔的最大應力圖，拱塔標準組合最大壓應力最小值為-109.4MPa，發生在拱塔底部的鋼混結合段，最大值為28.7MPa，發生在拱塔的頂部。

拉索索力

圖5、圖6為成橋狀態恒載作用下索力值和標準組合作用下的最大索力值，成橋恒載索力最大值為4122kN，標準組合的最大索力值為4489kN，均發生在橫索自上而下第三根索處。

豎向剛度

圖7為單獨活載作用下梁體的位移包絡圖，拱塔斜拉橋主梁向下和向上最大位移均發生在跨中位置，向下最大位移為-0.043m，向上最大位移值為0.012m。

圖5 成橋恒載索力（kN）

圖6 標準組合最大索力（kN）

結語

本文根據該大跨度拱塔斜拉橋所在的地理位置及地質條件，對該橋的結構進行設計，其中主要包括：橋梁的總體布置、主梁的設計、鋼塔的設計、斜拉索及水平索的設計，同時建立全橋有限元模型，對該橋在正常試用階段應力進行驗算、橋塔的內力計算、橋塔的應力計算，拉索的索力，橋梁的豎向剛度計算、支座反力的計算，并根據計算結果進行分析得出結論。

主梁在長期效應組合下以及短期效應組合下，最大壓應力為-13.9MPa，發生在主梁兩跨跨中的上緣板，根據相關公路橋梁規范可知，在公路橋涵設計中最大壓應力不應超過0.6fck=0.6×32.4=19.44MPa，短期效應組合下，拉應力不超過0.7ftk=2.65×0.7=1.855MPa；短期效應組合下主拉應力不超過0.5ftk=0.5×2.65=1.325MPa；標準值組合下梁內最大壓應力不超過0.5fck=0.5×32.4=16.2MPa，而主梁經過計算混凝土的拉應力及壓應力均滿足相關規范的基本要求。

單獨活載作用下梁體的位移包絡圖，拱塔斜拉橋主梁向下和向上最大位移均發生在跨中位置，向下最大位移為-0.043m，向上最大位移值為0.012m。該橋的撓跨比為1/2186，剛度遠遠滿足規范的要求，該設計滿足規范的要求。

拱塔標準組合最大壓應力最小值為-109.4MPa，發生在拱塔底部的鋼混結合段，最大值為28.7MPa，發生在拱塔的頂部。遠遠小于Q345qD鋼材的抗拉壓強度，設計滿足要求。

橋塔的內力、拉索的索力及支座的反力的計算結果均能夠滿足相關規范的基本要求。