鴨綠江界河公路大橋主橋輔助墩位置參數分析

盛春紅，吳宏業

(1.沈陽科技學院 沈陽市 110167； 2.遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

斜拉橋[1]主要是由主梁、主塔、斜拉索等組成的大跨高次超靜定結構橋梁，受力較為復雜。斜拉橋的受力模式和其它梁式橋有所不同，對于一般的梁式橋梁結構來講，如果結構尺寸、材料及二期恒載都確定以后，結構的恒載內力隨之確定，基本不會改變；而斜拉橋則不同，雖然結構尺寸、材料及二期恒載都確定以后，由于拉索等多約束多受力構件的存在，結構的恒載成橋內力卻可以有多種組合，一般所講的最優成橋內力也只能是一個相對最優的狀態，因而斜拉橋的結構計算經歷了從平面計算到空間計算、從靜力計算到動力計算、從線性計算到非線性計算、從局部模型計算到全橋模型計算的過渡，逐步發展完善。位于中朝界河邊境的鴨綠江界河公路大橋就是一座典型的大跨斜拉橋結構。

1 工程概況

中朝鴨綠江界河公路大橋及接線是我國連接朝鮮民主主義人民共和國的重要通道，是構建東京-漢城-平壤-北京-莫斯科-倫敦歐亞國際大通道的重要組成部分。鴨綠江界河公路大橋長3026m(圖1)，主橋采用鋼箱梁斜拉橋。大橋跨越鴨綠江，為中朝兩國的陸路口岸通道，是我國目前最大的界河橋梁。

圖1 主橋總體布置(單位：cm)

橋孔布置(86+229+636+229+86)m，為雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，連續半漂浮體系。主梁采用正交異性鋼橋面板扁平鋼箱梁結構，梁高3.5m，寬33.5m。H型索塔，高194.6m，采用箱形變截面，基礎采用鉆孔樁基礎。輔助墩及過渡墩采用箱型墩。斜拉索為高強平行鋼絲斜拉索，扇形布置，主梁上的標準索距16.0m，全橋共4×19對斜拉索。

2 輔助墩設置的機理及原則

斜拉橋由于跨徑較大，可以在邊跨設置輔助墩，這樣既能減少邊跨施工時懸臂長度、又能很好地增強結構的整體剛度，從而達到減小大橋在成橋狀態下的主梁內力、塔根彎矩、塔頂水平位移、改善主梁豎向變形的目的，這種為了提高結構的整體剛度而設置的邊跨中間支墩稱為輔助墩。但是，對于一座斜拉橋來講，是否設置輔助墩，輔助墩設置在哪里都是不確定的，也就是說輔助墩設置合理參數(輔助墩設置的數量以及合理位置)都將對大橋的內力和變形產生不同程度的影響。以鴨綠江界河公路大橋主跨636m斜拉橋為工程背景，建立了空間有限元模型，系統研究并比較了輔助墩對斜拉橋力學性能的影響，得到了輔助墩設置的合理參數(輔助墩設置的數量以及合理位置)，其研究成果為鴨綠江界河公路大橋及同類型橋梁設計提供重要參考。

3 中朝鴨綠江界河公路大橋考慮的輔助墩設置參數分析

應用平面桿系程序-橋梁博士計算，將結果離散為平面桿系模型，按整體成型對成橋階段及運營階段進行整體受力分析計算。全橋共劃分為281個節點，350個單元。計算共分86個施工階段。邊界條件為：

(1)索塔底部固結。鋼箱梁與下橫梁約束豎向位移，與塔柱約束橫向和轉動位移。

(2)輔助墩處約束豎向位移。

(3)過渡墩處約束豎向和橫向位移。

(4)臨時墩處約束豎向位移。

塔底彈性模擬，其剛度矩陣為：

3.1 結構非線性修正

鴨綠江大橋主橋跨徑達到了600m級，幾何非線性效應明顯，因此為了能更好地分析出中朝鴨綠江界河公路大橋的輔助墩設置參數，須在計算時充分考慮幾何非線性影響，本橋分析時特別考慮了以下兩方面的非線性影響：

(1)斜拉索垂度的影響，采用等效彈模-Ernst修正的方法。等效彈模-Ernst修正的方法及計算公式見式(1)。

(1)

全橋共4×19對斜拉索，分別為PES7-121、151、199、221、253等5種類型。具體方法為模型計算時修正拉索材料的彈模，由于不同長度的拉索根數有19種，種類過多，考慮到計算的可實現性，在計算模型里分批次自定義斜拉索材料，將經過等效彈模-Ernst修正后彈模比較接近的3～4根斜拉索歸并為一類。具體數值本文不一一列出。

(2)塔梁軸力、彎矩耦合產生的梁—柱效應(也就是P-Δ效應)的影響。具體為修正結構的剛度矩陣：該非線性修正由專業有限元軟件程序自動考慮實現。

(2)

3.2 具體輔助墩參數分析[2]

鴨綠江大橋主橋600m級大跨斜拉橋是否需要設置輔助墩呢？設置在哪里合適呢？下面將著重闡述。選用了A、B、C、D、E五種工況進行對比分析，其中A代表輔助墩設置在邊跨第10根斜拉索主梁錨固點下，B代表設置在第12根斜拉索主梁錨固點下，C代表設置在第14根斜拉索主梁錨固點下，D代表設置在第16根斜拉索主梁錨固點下，E代表不設置輔助墩工況(圖2)。A、B、C、D、E五種工況的不同之處是是否設置輔助墩，以及輔助墩的設置位置不同，即次邊跨/邊跨≈L′1/L1不同，次邊跨/邊跨比值見表1。

統計分析輔助墩參數對體系主要受力和變形的影響，并進一步確定該主要設計參數的取值范圍和影響程度。

首先來看A、B、C、D、E五種工況輔助墩位置對主梁的影響，具體做法是針對以上五種工況建立不同的模型，利用最小彎曲能量簡化計算方法，忽略結構剪力影響的條件下，改變構件彎曲剛度，即同時減小塔、梁、索的抗彎慣性矩Iz，一般減小1000倍，施加靜力恒載，得出的內力狀態即為能量最小，通過快速有效的進行一次落架計算，得出結構的整體受力狀態，然后將五種工況的重要數據(主梁彎矩，主梁豎向位移，索塔塔根彎矩，索塔塔頂位移等)一一提出，整理繪圖至同一對比表格，以期找出參數規律，具體表格詳見圖3～圖6。

圖2 輔助墩不同位置布置

表1 鴨綠江大橋主橋輔助墩設置位置表

圖3 活載作用下輔助墩不同位置參數布置主梁豎向位移對比圖

圖4 活載作用下輔助墩不同位置參數布置主梁彎矩對比圖

圖3、圖4為體系在活載作用下的各種效應對比圖。從圖中可以看出響應最大的為不設置輔助墩的E工況，因此設置輔助墩可以明顯減小主梁的豎向變形，提高主梁的整體剛度，設置輔助墩的主梁跨中撓度約為不設置輔助墩的65%左右。可以明顯減小主梁彎矩，設置輔助墩的主梁跨中彎矩約為不設置輔助墩的50%左右。A、B、E工況受力影響較大，C、D工況影響較小。也就是說對于活載作用下工況，設置輔助墩設置位置越靠近塔根位置越好，到一定程度即次邊跨/邊跨≈L′1/L1=0.2～0.3區域穩定。

從圖5、圖6中可以看出設置輔助墩可以明顯減小主塔塔頂水平位移，設置輔助墩的主塔塔頂水平位移約為不設置輔助墩的50%左右。可以明顯減小主塔根部彎矩，設置輔助墩的主塔根部彎矩約為不設置輔助墩的40%左右。A、B、E工況受力影響較大，C、D工況影響較小。也就是說單純對活載來講，設置輔助墩可以很好地提高結構的剛度，次邊跨/邊跨越大，輔助墩越靠近主塔，結構受活載作用越理想。那么，是否每一種荷載或者作用都是這種規律，其影響程度是否一致，下面我們接著來分析輔助墩各工況在整體升降溫、收縮徐變作用下對體系的影響。限于篇幅的原因，以下篇幅中整體升降溫、收縮徐變作用下僅給出主梁彎矩、主塔塔根彎矩對比結果，主梁豎向位移，及主塔塔頂位移將不再給出對比結果。

圖5 活載作用下主塔水平位移對比圖

圖6 活載作用下主塔塔根彎矩對比圖

圖7 整體升降溫作用下輔助墩不同位置參數布置主梁彎矩對比圖

圖8 收縮徐變作用下輔助墩不同位置參數布置主梁彎矩對比圖

圖7為體系在整體升降溫作用下的主梁彎矩效應對比圖，圖8為體系在收縮徐變作用下的主梁彎矩效應對比圖。圖9、圖10為主塔的對比圖。對整體升降溫荷載來講，設置輔助墩次邊跨/邊跨越小，輔助墩越遠離主塔，結構受活載作用越理想。對收縮徐變作用來講，主梁及主塔內力并不像活載和整體溫度作用下逐漸增大或減少，而是出現了一個最優點，三者綜合影響了輔助墩在哪個區域位置將會是體系最優的位置。綜合以上內容，可以得出設置輔助墩對大跨斜拉橋體系受力有著很大程度的改善與提高，且次邊跨/邊跨跨徑比值存在一定的合理區間，見圖11。

圖9 整體升降溫作用下主塔水平位移對比圖

圖10 收縮徐變作用下主塔塔根彎矩對比圖

圖11 輔助墩不同位置參數布置主塔塔根彎矩對比圖

3.3 目前國內同類橋梁設置情況

國內已經建成或在建的主跨600m以上鋼箱梁斜拉橋的輔助墩設置情況統計見表2。

表2 國內主跨600m以上鋼箱梁斜拉橋的

從表2統計情況也可以看出，國內跨度在600m以上的數座其他鋼箱梁斜拉橋[3-4]在布置中也多數采用了設置輔助墩的方式，且次邊跨/邊跨跨徑比值大都在0.25～0.3區間范圍內，與得到的結論比較吻合。建議大跨斜拉橋400～800m需在兩側邊跨均設置一處輔助墩，且次邊跨/邊跨跨徑比值在0.25～0.3區間附近擇一合適位置設置。

4 結論

通過對鴨綠江界河公路大橋臨時墩設計的討論可以得出以下結論：

(1)經比較分析設置輔助墩，塔頂水平位移、主梁跨中撓度、塔根彎矩和邊跨主梁彎矩都明顯減少，鴨綠江大橋設置輔助墩約為不設置輔助墩的40%～65%。

(2)活載作用，次邊跨/邊跨越大，輔助墩越靠近主塔，結構受活載作用越理想，到一定程度即次邊跨/邊跨≈L′1/L1=0.2～0.3區域穩定。

(3)整體升降溫作用，次邊跨/邊跨越小，輔助墩越遠離主塔，結構受整體升降溫作用越理想。

(4)收縮徐變作用，次邊跨/邊跨在某一合理位置，結構受收縮徐變作用越理想。

(5)綜合對比分析輔助墩位置設置在0.25～0.3區間比較理想，鴨綠江大橋采用的位置比為0.27。