鋼混組合梁斜拉橋成橋階段靜力分析研究

朱 磊 （中鐵二十四局集團安徽工程有限公司，安徽 合肥 230023）

1 引言

近年來，獨塔斜拉橋以其結構靈活、造型美觀、受力合理良好等特點在我國橋梁建設中尤其是在中大跨徑的橋梁建設中得到廣泛應用。與傳統的雙塔斜拉橋相比，獨塔斜拉橋結構整體剛度較大，在成橋活載作用下，主梁變形及主塔的水平偏位都有所減少[1]，主梁最大撓度位置通常出現在拉索區，避免了在無索區形成拉彎區[2-4]，使主橋的受力性能更加合理。隨著現代斜拉橋跨徑的逐漸增大，主梁結構形式逐漸從純混凝土梁向鋼混組合梁的形式發展，獨塔的體系也有不斷的創新，其中塔墩梁固結體系應用最為廣泛。對于塔墩梁固結體系，鋼混組合梁的使用既能保證橋梁的整體剛度，又能提升跨越能力，但由于鋼主梁與混凝土主梁結合處的復雜構造，也為橋梁的設計與施工增加難度與不確定性[5-8]。因此，本文以將軍嶺路橋為背景，對獨塔鋼混組合梁橋成橋階段的靜力性能進行相關研究，為以后同類型橋梁的設計與施工提供相應的借鑒與參考。

2 工程概況

將軍嶺路橋平面位于引江濟淮江溝通段 J32+230.1處，斜交角度6°。主橋起點樁號 K1+873.500，終點樁號 K2+153.500，全長280m，跨徑布置為（29+30+36+185）m，主橋結構形式為非對稱鋼混組合梁獨塔雙索面斜拉橋，橋梁整幅布置，標準橫斷面寬度52.5m。主塔總體造型呈花瓶形狀，總高度為116m，鋼主梁與混凝土主梁均采用箱梁結構，斜拉索采用扇形雙索面非對稱構造形式，全橋斜拉索共設置28對。邊跨輔助墩及過渡墩采用柱式墩，主塔處橋墩采用承臺下接群樁基礎，樁基采用鉆孔灌注樁，按摩擦樁設計。將軍嶺路橋總體結構布置如圖1所示。

圖1 將軍嶺路橋總體布置圖（單位：cm）

將軍嶺路橋主橋采用鋼混組合梁構造形式，主跨全長173m（含鋼混結合段），采用大懸臂展翅箱梁截面形式，截面如圖2所示，鋼箱梁標準段長度12.0m，全橋縱向共設置15片箱梁節段。鋼箱梁拉索錨固區位于外腹板鋼箱梁頂板處，采用錨拉板形式，主梁索導管橫向中心間距為36.0m，對稱布置。主跨鋼箱梁采用工廠預制，現場采用支架節段拼裝的方案架設。邊跨主梁為混凝土箱梁結構，混凝土梁段總長107m，截面采用單箱五室的大懸臂箱梁結構，截面布置如圖3所示。箱梁截面總寬為52.5m，縱向每隔 6.0m 設置一道加勁板，加勁板厚度為50cm；斜拉索主梁錨固端標準間距為6.0m，端部4根斜拉索中心間距為5.0m，斜拉索穿過外腹板，在外腹板底面通過設置齒塊錨固，混凝土主梁采用滿堂支架現澆施工。

圖2 鋼箱梁標準橫斷面

圖3 混凝土梁標準橫斷面

3 有限元模型

依據主橋設計資料，利用Midas Civil2019有限元軟件建立將軍嶺路斜拉橋主橋的三維空間模型，整體模型如圖4所示。其中，主塔、主梁等構件使用三維彈性梁單元模擬，斜拉索采用軟件中自帶的只受拉桁架單元模擬，考慮到該斜拉橋整體跨度較小，故不考慮斜拉索垂度對拉索剛度的影響；在模型邊界條件設置中，主塔底部單元采用固結，邊跨輔助墩支座采用一般連接進行模擬，主跨梁段支座采用簡支方式進行模擬。對于斜拉索的邊界條件模擬，首先根據斜拉索在主塔和主梁處的錨固點位置建立節點，然后將拉索的錨固點與斜拉橋的主梁和塔柱進行剛性連接來實現斜拉索的錨固。全橋共設置687個節點，508個單元，其中包括梁單元452個，桁架單元56個。由于本文主要針對成橋后的獨塔鋼混組合梁斜拉橋進行分析，因此，模型的計算荷載主要包括結構自重、預應力荷載、二期鋪裝、汽車和人群荷載、溫度荷載以及斜拉索索力等。其中，溫度荷載采用整體升降溫以及梯度溫度的方式進行施加。參照主橋設計資料和《公路橋涵設計通用規范》規定[1]，對于鋼箱梁部分，體系溫度按20°C考慮，升溫溫差值和降溫溫差值分別取26°C和29°C；混凝土構件部分體系溫度取20°C，升溫和降溫溫差值分別取14°C和23°C；同時，梁梯度溫度荷載在定義時，也要按照相應的規范執行，其中混凝土部分按《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）4.3.12條規定執行，鋼箱梁梯度溫度參照BS5400執行[2]。

圖4 將軍嶺路橋三維空間模型

4 靜力特性分析

獨塔鋼混組合梁斜拉橋屬于高次超靜定結構體系，任何一根索力的變化都會對整體結構的內力分布產生重要影響，因此，通過斜拉橋的合理的成橋狀態，確定斜拉索的初張力是斜拉橋設計和施工中非常重要的環節之一。斜拉橋合理的成橋狀態是指滿足主梁的撓度，主塔的水平位移盡可能小，主塔彎矩盡可能小，主梁內力，斜拉索索力分布盡可能均勻的一種狀態。目前，斜拉橋合理成橋狀態的確定理論主要包括：簡支梁法、橫載平衡法、剛性支撐連續梁法、最小彎曲能法，影響矩陣法等[3]。在本文中，斜拉橋的初拉力是在已知目標成橋內力的基礎上利用正裝迭代方法進行計算，然后將得到的初拉力再次帶入模型，通過計算結果進而驗證主橋成橋狀態下的內力是否合理。通過多次正裝迭代之后，成橋狀態下的索力逐漸向著目標成橋索力靠近，誤差控制在3%以內。由此所得斜拉橋在恒載和1/2活載作用下，鋼箱梁的最大豎向撓度為116mm，與設計信息中所預設的向上預拱度數值、形狀相符合，滿足設計條件要求。

4.1 斜拉索計算分析

經過7次迭代，成橋后的斜拉索內力與設計所給的成橋內力值相接近，誤差在3%以內，計算的斜拉索初拉力和成橋索力如圖5所示，其中，斜拉索的編號以主塔為中心，朝混凝土梁側斜拉索縱向依次編號為S1,S2，···，S14，朝鋼梁側斜拉索的編號依次為M1,M2，···，M14。經計算結果可知，在考慮頻遇組合時，斜拉索的最大拉應力為628.43MPa。依據《公路斜拉橋設計細則》（JTG/T D65-01-2007）中 3.4.1 規定，斜拉索的實際應力不應大于容許應力 1860/2.5=744MPa，因此，可知斜拉索的內力值滿足設計要求，且安全系數不小于2.5。

圖5 初拉力與成橋索力

4.2 主梁計算分析

將軍嶺路斜拉橋主橋設計荷載等級為城-A級，為雙向8車道布置。在汽車荷載作用下，混凝土主梁上、下翼緣均承受壓應力，上翼緣最大壓應力為-0.82MPa位置在距邊跨混凝土主梁端部2/3處，下翼緣最大壓應力為-3.44MPa，位于塔梁固結處，混凝土主梁段的計算結果如圖6所示；鋼箱梁上翼緣的最大壓應力值為25.09MPa，下翼緣的最大壓應力值為4.98MPa，均位于鋼混結合段處。主梁的最大豎向變形為153.23mm，主塔下部最大彎矩為2984.0kN·m，位于塔梁固結段位置處。斜拉索在移動荷載作用下的應力包絡圖如圖7所示，通過斜拉索在汽車荷載效應作用下的最大應力與最小應力的差值可知，汽車荷載對跨中斜拉索應力變化影響較大，對外側長斜拉索應力變化影響相對較小。另外，通過圖7可以發現，斜拉索M1處出現應力突變現象，這主要是因為在有限元建模時，采用鋼主梁直接模擬鋼混結合段時，導致截面在M1處發生突變引起的。但在實際工程中，由于鋼混結合處存在過渡段，一般不會出現應力集中現象。

圖6 汽車荷載作用下混凝土梁上下翼緣應力圖

圖7 汽車荷載作用下斜拉索應力值

在移動荷載作用下，混凝土主梁的變形曲線如圖8所示，最大豎向撓度為7.07mm，鋼箱梁的豎向變形如圖9所示，最大豎向變形為153.23mm。根據《公路斜拉橋設計細則》（JTG/T D65-01-2007）可知，在汽車荷載作用下混凝土主梁和鋼箱梁的豎向變形均滿足要求[2]。

圖8 車道荷載作用下混凝土梁變形

圖9 車道荷載作用下鋼箱梁變形圖

溫度荷載作用下混凝土主梁的應力值如圖10所示，通過圖10可知，環境溫度對混凝土主梁的上下緣應力影響較小。在溫度荷載作用下，主梁縱向變形值如圖11所示，通過圖11可以發現，溫度變化對混凝土梁的變形影響較小，但對鋼箱梁的縱向變形影響較大，其中梯度升降溫對鋼箱梁位移變化影響最大，梯度升溫時，鋼主梁的最大上拱變形為45mm，梯度降溫時，鋼主梁的最大下撓變形為11.68mm。

圖10 溫度荷載作用下混凝土梁應力值

圖11 溫度荷載作用下主梁變形值

在正常使用極限狀態下，考慮頻遇組合時，混凝土主梁截面均為壓應力，應力計算結果如圖12所示。通過圖12可知，在正常使用極限狀態下預應力混凝土主梁的全截面都處于受壓狀態，其中最大壓應力為-9.21MPa，符合設計要求。通過圖13可知，在基本組合作用下，鋼箱梁截面的最大拉應力為45.9MPa，最大壓應力為-74.08MPa，均小于Q345qD的設計強度值，滿足規范要求。

圖12 頻遇組合作用下混凝土梁應力包絡圖

圖13 基本組合作用下鋼箱梁應力包絡圖

4.3 主塔計算分析

斜拉索張拉完之后的主塔變形圖如圖14所示。通過圖14的主塔變形圖可以看出，在斜拉索張拉完成之后，主塔塔頂往混凝土梁側偏移57.34mm。在移動荷載作用下，主塔的變形圖如圖15所示，通過圖15可知，主塔塔頂的最大水平位移為64.15mm且往鋼箱梁側偏移，滿足在移動荷載作用下主塔水平位移要小于H/400，即290mm的要求[4]。由上述計算結果可知，移動荷載會使主塔朝主跨鋼梁側發生變形，而在二次調整拉索的索力時，可使索塔朝邊跨混凝土梁側預偏，當預偏值大致為汽車荷載中最大組合作用下對索塔產生的變形值時，成橋后主塔往邊跨方向的預偏會與汽車荷載在主跨方向上產生的變形值相抵消，進而減小主塔的變形，使結構達到合理成橋狀態[5-8]。

圖14 拉索張拉完主塔變形圖（單位：mm）

圖15 汽車荷載最大作用下主塔變形圖（單位：mm）

5 結論

本文通過對獨塔鋼混組合梁斜拉橋在成橋狀態下靜力性能進行分析，得到以下結論：

①在已知成橋內力的情況下，通過正裝迭代法可以快速、準確地得到斜拉橋的初始索力，進行多次迭代可以有效降低誤差值；

②溫度變化對混凝土梁的變形影響較小，但對鋼箱梁的縱向變形影響較大，其中梯度升降溫對鋼箱梁位移變化影響最大，梯度升溫時，鋼主梁的最大上拱變形為45mm，梯度降溫時，鋼主梁的最大下撓變形值為11.68mm；

③在斜拉索成橋階段進行二次調索時，可通過預先設置主塔往邊跨的預偏值，降低汽車荷載對主塔順橋向偏位的影響；