勐古怒江特大橋主橋斜拉橋鋼箱梁設計難點

袁少洋，馬 健，張 皓，朱 忠

（云南省交通規劃設計研究院有限公司，云南 昆明 650011）

1 項目概況

勐古怒江特大橋主橋為云南省首座分離式鋼箱梁半漂浮體系斜拉橋，跨徑組合為（100+240+100）m，邊中跨比約為0.417，總體布置見圖1[1]?？紤]橋址區各種不利因素，主橋鋼梁采用分離式扁平流線型鋼箱梁；箱梁內外均設置橫隔板以增強箱梁受力整體性；斜拉索塔端直接錨固于混凝土齒塊，梁端采用鋼錨拉板直接與邊腹板焊接傳遞索力?；跇蛑穮^現場施工條件，主梁采用纜索吊裝法施工。

圖1 主橋立面布置圖（單位：cm）

2 鋼箱梁總體設計

為改善主橋結構受力及橋梁景觀需要，主梁縱斷面位于路線變坡點在中跨跨中處的凸曲線上，兩側路線縱坡均為0.5%，豎曲線半徑R=35 000 m，切線T=175 m，偏距E=0.44 m；路線平面位于直線段。主梁全寬30.1 m（含兩側風嘴寬度），至索塔處縮窄至26.5 m；箱梁從頂板底面至底板頂面高為2.8 m。主橋鋼箱梁采用Q345qC 型鋼材，分離式鋼箱梁標準橫斷面見圖2[1]。斜拉索梁端采用鋼錨拉板直接與邊腹板焊接（鋼錨拉板采用Q420qD 型鋼材），標準間距為9 m，邊跨尾端加密至6 m。

斜拉橋主梁采用半漂浮體系，索塔處設置橫橋向鋼阻尼器、順橋向黏滯阻尼器，交界墩處設置橫橋向鋼阻尼器以改善主梁在地震下的響應。

為避免使用過程中出現負反力，在過渡墩處設置集中荷載、邊跨設置均布荷載壓重。

圖2 分離式鋼箱梁標準橫斷面圖（單位：cm）

3 鋼箱梁構造要點

本橋位于高速公路整體式路基寬度為25.5 m的直線段，設計橫橋向斜拉索間距26.5 m，分離式單箱寬度7.1 m（不含風嘴），箱梁間距12.3 m，箱梁設置10 mm 橫橋向預拱值以保證成橋橫坡準確；為改善箱梁結構氣動性能，箱梁兩側各設置1.8 m 寬風嘴同時作為主梁檢修通道使用，鋼箱梁典型橫斷面見圖3[1]。

圖3 鋼箱梁典型橫斷面（單位：mm）

a）主梁梁段劃分。考慮主梁受力、運輸設備、起吊能力、橋位處自然條件等因素，主梁共劃分6 種類型共計57 個梁段，其中主跨標準梁段長為9 m，起吊重量約109.3 t；邊跨梁段由于斜拉索加密，標準梁段有 6 m 和 9 m 兩種，邊跨 6 m 起吊重量約73.3 t；中跨合龍段長8 m，起吊重量約99.9 t；邊跨合龍段長4.6 m，起吊重量約77.5 t。

b）頂、底板及其加勁肋。鋼箱梁頂板采用正交異性鋼橋面板，考慮鋼箱梁構造及施工需要同時有利于提高橋面板剛度和抗疲勞性能，減少橋面鋪裝病害的發生，較好地適應重載交通的不利影響，主梁頂板厚度取用16 mm，其采用板厚8 mm 的U 型加勁肋。加勁肋上口寬300 mm，下口寬170 mm，高度280 mm，間距600 mm，順橋向采用高強螺栓連接。

底板分為傾斜底板和水平底板，根據受力需要，底板板厚在靠近索塔區梁段采用18 mm，其余均采用14 mm，其采用板厚6 mm 的U 型加勁肋。加勁肋上口寬190 mm，下口寬340 mm，高度260 mm，間距680 mm，順橋向采用焊接連接。

c）腹板。主橋斜拉索為空間扇形雙索面布置，每個斜拉索角度均不相同，為使錨拉板與斜拉索傳力順暢且方便施工，邊腹板與鉛垂線夾角全橋統一設置為8.5°；中腹板與鉛垂線夾角為17.62°。邊腹板板厚取用24 mm，共設置兩道200×16 mm 板式加勁肋；中腹板近索塔區板厚取用20 mm，其余均采用12 mm，共設置 5 道 140×12 mm 板式加勁肋，其均在橫隔板上連續開孔通過。

d）橫隔板。橫隔板標準間距3 m，腹板由上板和下板拼合而成，上板厚為12 mm，下板在拉索錨固隔板加厚至12 mm，其余隔板均為10 mm，在靠近斜拉索錨固區域隔板局部加強至16 mm。

端部梁段隔板考慮支座設置和集中壓重的受力需求，采用14 mm 板厚。

4 鋼箱梁主要計算結果

鋼箱梁的橋面板為正交異性鋼橋面板，而鋼橋面板不僅作為橋面系直接承受車輛荷載，還作為主梁結構的一部分參與主梁共同受力，具有復雜的力學行為，根據結構受力特點可按3 個受力體系進行受力計算，其結構系Ⅰ為頂板和縱肋組成的結構系作為主梁的一個組成部分，參與主梁共同受力，成為主梁體系；結構系Ⅱ由縱肋、橫肋和頂板組成的結構系，頂板被看成縱肋、橫肋上翼緣的一部分，成為橋面體系。結構系Ⅲ把設置在肋上的頂板看成是各向同性的連續板，直接承受作用于肋間的輪荷載，同時把輪荷載傳遞到肋上，成為蓋板體系。設計鋼橋面板時，結構系Ⅲ的應力往往可以忽略不計[2]。鋼橋面板的強度主要受Ⅰ、Ⅱ體系疊加應力控制。

4.1 結構系Ⅰ應力計算

鋼箱梁作為斜拉橋的組成部分參與全橋受力，承擔恒載、活載、溫度等作用。依據實際施工流程建立有限元計算模型，對鋼箱梁結構在施工階段和正常使用階段進行逐階段受力分析。經計算，橋梁結構在基本組合下，鋼箱梁上緣最大拉應力88 MPa，最大壓應力72 MPa；下緣最大拉應力153 MPa，最大壓應力161 MPa。

4.2 結構系Ⅱ應力計算

按正交異性橋面板實際構造建立板殼單元模型，共建立五跨橋面板。計算模型見圖4。分別在縱橫向按照一定的步幅施加車輛荷載后對應力取包絡值。經計算，在荷載基本組合作用下，橋面板最大拉應力為70 MPa，最大壓應力為60 MPa。與第一體系應力組合后，鋼箱梁應力均小于設計允許值[3]。

圖4 橋面體系板殼單元計算模型

4.3 主梁設計難點

4.3.1 標準梁段局部計算

主梁采用分離式鋼箱梁設計，設置箱內外隔板以增強結構受力整體性，因此隔板受力復雜。需對箱梁內外橫隔板受力進行計算以保證結構安全，取邊跨6 m 標準段建立板殼單元模型（見圖5）。

圖5 鋼箱梁標準節段模型

橫向計算考慮自重和車輛兩種荷載，活載采用兩種布載工況：a）工況1 車輛荷載于斜拉索處橫隔板對稱布載；b）工況2 車輛荷載于非斜拉索處橫隔板對稱布載。計算結果表明（見圖6、圖7），橫隔板最大應力均小于設計允許值；橫隔板活載特征值屈曲系數大于4，受力滿足規范[3]要求。

圖6 橫隔板Mises 應力分布（單位：MPa）

圖7 一階屈曲模態形狀

4.3.2 梁端壓重區局部計算

依據斜拉橋整體受力分析，在邊跨梁端需設置集中壓重以避免運營期間支座處出現上拔力，因此需要對梁端集中壓重處進行局部分析以保證結構安全，建立板殼單元模型如圖8。

圖8 端橫梁板殼單元計算模型

按照規范要求設置車輛荷載正載（工況1）和偏載（工況2）工況，經計算分析工況1 作用下橫梁所有構件均滿足規范要求，最大應力為232 MPa（詳見圖9），小于設計允許值270 MPa[3]；在工況2 作用下端橫梁所有構件受力均滿足規范要求，且絕大部分構件安全系數均較高（詳見圖10），僅在隔板與U 肋連接位置及支座支承隔板底部區域局部應力超過設計值[3]，因本模型未關注加勁肋與橫隔板連接細部構造，并未設置U 肋切口，模擬存在失真，故該位置應力不做參考指導設計。

對端橫梁橫隔板進行彈性穩定分析，結果表明端橫梁橫隔板在工況2 作用下其一階屈曲恒載系數大于1.12，受力滿足規范要求。橫隔板活載特征值屈曲系數大于4，受力滿足規范要求[3]。

圖9 工況1 作用下端橫梁Mises 應力分布（單位：MPa）

圖10 工況2 端橫梁Mises 應力分布（單位：MPa）

4.3.3 錨拉板局部計算

斜拉索梁端采用錨拉板直接與邊腹板焊接以傳遞索力的錨固形式，錨拉板為重要的傳力構造。為確保結構受力安全，選擇索力最大的錨拉板B12（邊跨最外側錨拉板）建立實體有限元模型進行局部應力分析，錨拉板典型構造見圖11。計算荷載以基本組合下索力（6 023 kN）施加于套筒錨固面，同時在節段前端面施加索力沿順橋向分力的反力，邊界條件為對主梁側采用固結邊界。

計算結果表明（見圖12），B12 錨拉板在基本組合最大索力作用下絕大部分應力均小于設計允許值270 MPa[3]，但是在錨墊板與拉板的接觸位置以及套筒與板件的連接位置均出現明顯的應力集中現象，總的超限范圍面積在0.2～3 cm2，分布范圍小且多位于焊縫根部及部分過焊孔區域。對于這部分應力集中現象明顯的位置，在施工過程中必須確保焊接后打磨勻順并進行錘擊減少焊接殘余應力的影響，盡量增大焊縫接觸面積，避免出現裂紋。總體而言錨拉板受力滿足規范要求[3]。

圖11 錨拉板典型構造

圖12 錨拉板Mises 應力分布（單位：MPa）

4.4 主梁結構動力響應

橋址區風場較復雜且橋梁結構抗風要求較高，因此本橋通過CFD 數值計算對成橋階段和施工階段主梁斷面抗風性能進行分析。經計算，本橋的顫振臨界風速均大于200 m/s，遠大于顫振檢驗風速52.5 m/s，滿足顫振檢驗風速的要求，表明主梁斷面具有良好的氣動穩定性能；主梁出現豎向渦激共振，最大振幅為0.055 m，小于豎向渦激共振容許幅值0.071 m；主梁扭轉振幅最大值為0.032°，遠小于扭轉渦激共振容許幅值5.8°[4]。

本橋位于Ⅷ度高烈度地震區，地震動參數專題研究表明橋址區E1 地震動設計動峰值加速度（50 年超越概率10%）為0.266 5g，E2 地震動設計動峰值加速度（50 年超越概率2%）為0.400 6g[5]。鋼主梁設置縱向黏滯阻尼器和橫向鋼阻尼器，E2 地震下鋼主梁順橋向位移為±40 cm，橫橋向位移為±25 cm。

5 結語

本文以云南省首座分離式扁平流線型鋼箱梁斜拉橋為工程背景，對該結構形式主梁在高地震烈度山區大跨度斜拉橋中的設計難點進行論述：鋼箱梁標準段和壓重區的橫橋向受力應安全可靠，鋼錨拉板應采取構造和施工措施以減少應力集中。本橋在設計過程中進行了整體力學計算和關鍵部分局部力學分析，計算結果表明鋼箱梁在外部作用下的應力等均能滿足相關規范要求。通過本橋的修建，能為國內高地震烈度區大跨徑斜拉橋主梁的設計提供一定的借鑒。