高性能材料在超大跨混合梁斜拉橋結構中的性能分析

趙殿鵬，葉建彬，翁楊

（1.浙江省交通工程管理中心，浙江 杭州 311222；2.浙江交工集團股份有限公司，浙江 杭州 311255）

1 引言

在大跨橋梁中斜拉橋因為有著優良的結構受力性能，大跨越能力以及優美的造型而應用較為廣泛。已有的斜拉橋主梁很多都是采用普通混凝土混合梁，鋼主梁以及普通混凝土梁，橋塔很多采用的是普通混凝土，斜拉索很多采用的是平行鋼絲拉索。對于主梁，因為有著比較低的抗壓比強度，通常普通混凝土梁在500m以內的適用跨度，而更大跨度的很多都是采用的鋼主梁，但控制鋼主梁穩定性以及結構構造比較復雜，成本較高。對于傳統的斜拉索，因為其耐腐蝕性能比較差，通常只有20年左右的壽命，低于設計橋梁的使用壽命，另外因為鋼拉索自重比較大，垂直效應會降低長索有效彈性模量，進而導致斜拉索的承載效率降低。而超大跨度斜拉橋，如果采取普通的混凝土結構，為了滿足橋梁的穩定性以及強度，需要的截面尺寸比較大。上述因素都對斜拉橋采取普通材料擴大跨度造成制約。

2 模型橋梁概況

模型橋梁的結構體系為全漂浮雙塔雙索面斜拉橋，3*100+420m+1600m+420+3*100m。橋面以上的塔高為350m，橋塔總高為420m。斜拉索一共有4*50對，雙索面，順橋向扇形布置，16m的主跨索距，邊跨靠近塔根30對斜拉索為16m的索距，2.5m的塔上索距，其余為12m的索距。豎向支座在橋塔和主梁間不進行設置，抗風支座在橫橋向設置主梁和輔助墩，過渡墩之間設置橫向與豎向水平約束。

設計的方案標準為：①一百年的設計基準期。②54.8m的橋面寬度。③一百年重現期內設計基本風速為46.2m/s。④雙向八車道的公路。⑤100km/h的速度。⑥I級的公路汽車荷載。

3 方案設計

3.1 SSN 方案

（1）主梁采取分離式雙箱偏平鋼箱梁，高4.5m，寬54.8m，橫向雙主梁為12m的距離。頂底板厚度的變化為15～37mm，內腹板厚17mm，外腹板厚37mm。頂底板采取厚為8mm的U形加勁肋，主橫隔板每4m設置1道，相鄰兩道中間設置1道高1m的次橫隔板，橫隔板為16mm的厚度，以此來對鋼橋面板局部受力性能進行改善。在斜拉索吊點處設置橫系梁，16m的間距，箱形截面高4.5m，寬4m，其腹板連通箱內橫隔板。鋼主梁為Q420鋼材質。

（2）橋塔采取C60普通混凝土，使用A形塔，箱形截面作為塔柱，尺寸從塔根22m*12m漸變到塔頂10m*8m，由2.5m的壁厚漸變到1.3m。

（3）斜拉索采取1860MPa鋼絞線，195GPa的彈性模量，2.5的安全系數，截面積為（5.9-14.5）*10-3m2，經過計算，主跨尾索折減了30%的彈性模量。

3.2 CRR 方案

在SSN方案基礎上，根據相似的剛度以及構造要求，來替換橋塔和主梁的材料，并相應的優化索力，擬定CRR方案。

（1）CRR方案主梁采取RPC200，鋼纖維體積為4%的摻量，直徑為0.2mm，長度為20mm，抗拉強度為15MPa，抗壓強度為140MPa。RPC主梁采取氣動外形，內腹板厚為12cm，外腹板厚度為20cm，塔根附近頂底板為14cm的厚度，跨中頂底板為10cm的厚度。把小縱肋設置在頂板內緣，與橫隔板結合進行布置，把橋面設計成雙向板助梁體系，其中縱助高45cm，寬12cm，間距3m。箱內橫隔板間距為4m，橫隔板在每個梁段設置的有4道，厚度為15cm，為了對主梁自重進行減輕，橫隔板開孔率為50%。

（2）橋塔采取RPC150，其抗拉強度為12.4MPa，抗壓強度為116MPa，外形和SSN方案相同，壁厚由塔根1.8m漸變到塔頂0.9m。與C60橋塔對比，RPC150橋塔減少了30%的壁厚。

（3）斜拉索采取CFRP材料，2500MPa的抗拉強度，180GPa的彈性模量，抗拉比為SSN方案的7倍，考慮是脆性材料，取3.0的安全系數，截面積（6.5-12.8）*10-3m2，是SSN方案的1.23～0.87倍。主跨尾索彈性模量折減了1%，是鋼拉索的1/30，有效剛度是SSN方案的1.14～1.34倍。主跨尾索面積相比SSN方案，減少了4%，有效剛度提升了23%。

3.3 CHR 方案

把材料的特性充分發揮出來，以此來對橋塔附近主梁的穩定性進行增強，并且在對主梁自重間減輕的同時對跨中拉應力更好的進行抵抗，擬定CHR方案。該方案中跨以及邊跨軸向壓力大部分區域采取RPC200主梁，跨中區域采取鋼主梁，在1/4主跨處設置鋼-RPC結合面，主梁截面和其他2種方案的位置相同。橋塔和CRR方案相同。斜拉索采取2500MPa抗拉強度的CFRP材料，拉索截面面積與有效剛度是SSN方案的1.12～0.91倍和1.03～1.17倍，尾索減少了9%的面積，有效剛度提高了17%。經過驗算，該方案的主梁橋面局部穩定性以及抗沖切承載力都能夠達到要求。

4 結構靜力響應

4.1 恒載作用

對成橋索力采取未知荷載系數法來進行確定，主梁豎向變形-0.1～0.1m為控制條件，橋塔水平偏移0～0.05m。

CRR方案和SSN方案索力分布基本相同，都是在邊跨尾索處出現最大索力，但最大索力CRR方案要比SSN方案提升10%，主要是因為RPC主梁自重的加大。CHR方案和CRR方案斜拉索索力基本相同，鋼梁段索力要比SSN方案低，主要是因為CFRP自重比較輕。

4.2 汽車荷載作用

在汽車荷載下，主梁豎向變形，SSN方案最大撓度為2.96m，CRR方案為2.47m，CHR方案為2.60m，都能夠滿足設計的相關要求。與SSN方案對比，CRR方案和CHR方案的最大撓度分別降低了17%與13%。SSN方案塔頂向中跨側變形0.93m，CRR方案為0.83m，CHR方案為0.82m。

4.3 溫度作用

拉索升溫30℃下，SSN方案主梁跨中撓度為1.4m，而其他2個方案的撓度只有0.07m，主要是因為CFRP材料的線膨脹系數只有鋼的1/20。主梁升溫30℃之后，SSN方案撓度為1.13m，CRR方案為0.96m，CHR方案為1.01m，相比于RPC，鋼主梁對溫度更加敏感。

4.4 承載能力極限狀態內力包絡

通過主梁和橋塔軸力包絡可以看出，橋塔和主梁軸力是因為恒載引起的，經過計算能夠得出，塔根處的主梁軸力中，SSN方案的汽車荷載效應只有14%，CRR方案有13%，CHR方案有15%。除此之外，3種方案的主梁彎矩相似，主要是因為3種方案的橋塔和主梁抗彎剛度相似。

4.5 正常使用極限狀態

極限狀態下的結構應力，如表1所示。

表1 極限狀態下的結構應力

由上述表1能夠看出：

（1）SSN方案的鋼主梁最大拉應力為容許的28%，壓應力為83%。CRR方案拉應力為27%，壓應力為65%，與SSN方案對比，其他2種方案的主梁應力安全儲備有所提升。

（2）SSN方案C60橋塔最大拉應力為容許的91%，壓應力為89%，CRR方案拉應力為35%，壓應力為39%，CHR方案拉應力為34%，壓應力為38%。

（3）SSN方案拉索最大拉應力為限值的99%，CRR方案為90%，CHR方案為87%。

5 結語

根據不同的索、梁、塔材料進行組合，對主跨1600m的斜拉橋擬定了SSN、CRR以及CHR3種方案，并對靜力性能進行分析，結論如下。

（1）3種方案的結構靜力性能都能夠滿足要求，在這3種方案中，CHR方案的結構性能最優。

（2）斜拉索采取CFRP材料，抗拉比為SSN方案的7倍，中跨尾索彈性模量折減了1%，是鋼拉索的1/30，減少CFRP拉索截面積，能夠對靜風荷載效應降低10%，進而提高結構橫向抗風性能。

（3）RPC的抗壓比強度比鋼材以及普通混凝土更高，在超大跨度斜拉橋得到軸壓較大區域的主梁以及超高橋塔中更加適合。

（4）在大跨度斜拉橋體系中，控制結構整體屈曲穩定是主要因素，當主梁鋼-RPC在1/3～1/4的主跨位置進行布置時，其整體的結構有著比較好的穩定性。