钢箱梁斜拉桥桥型方案比选研究

曹勃　许又文

摘要：大跨径斜拉桥根据塔的数量、索面布置及其连接方式的不同，可以构成多种结构体系的斜拉桥形式，以适应各种组织形式和施工条件的要求。以某主跨806m的跨江斜拉桥为例，为确定其桥型最优形式，应用有限元软件Midas Civil进行建模分析，分别对倒Y型塔双索面整体式钢箱梁斜拉桥、四索面分离式钢箱梁、二索面分离式钢箱梁三个方案，从受力性能、工程造价等方面进行对比分析。经比选确定，该6车道斜拉桥采用四索面分离式双箱梁，此相关研究成果可为类似桥梁的桥型选择提供参考。

关键词：斜拉桥；最优；桥型；Midas Civil

0   引言

我国1975年建成的跨径76m的四川云阳桥，是国内第一座斜拉桥。20世纪90年代以后，因跨越大江大河的需要，斜拉桥得到了快速发展。在大跨度桥梁中，斜拉桥是有竞争力的一种桥型。为了减轻斜拉桥主梁的质量，斜拉桥的主梁大多采用钢梁。主梁的截面形式与拉索的空间布置形式有关，常见的主梁型式有整体钢箱梁、分离式钢箱梁等。

大跨径斜拉桥根据塔的数量、索面布置及其连接方式的不同，可以构成多种结构体系的斜拉桥形式。本文以某主跨806m的跨江斜拉桥为例，为确定其桥型最优形式，应用有限元软件Midas Civil进行建模分析，分别对倒Y型塔双索面整体式钢箱梁斜拉桥、四索面分离式钢箱梁、二索面分离式钢箱梁三个方案，从受力性能、工程造价等方面进行对比分析。

1   工程概况

某跨江公路二桥及接线工程项目，该项目位于安徽省高速公路网规划“四纵八横”中“纵二”（徐州-蚌埠-合肥-芜湖-黄山）段上，是连接安徽省长江两岸的又一条快速通道，处在芜湖长江大桥和铜陵公铁两用大桥之间。项目起于无为县石涧镇，接规划中的北沿江高速公路，终于繁昌县峨山镇，接已经建成的沪渝高速公路，路线全长55.012km，对于进一步完善安徽省高速公路网布局和过江桥梁布局具有重要意义。

为确定该跨江高速公路主桥的最优型式，设计前期，对双索面整体式箱梁、四索面分离式箱梁以及双索面分离式箱梁3个方案进行比选，应用软件Midas Civil对其进行建模分析，对不同钢箱梁斜拉桥方案从其桥梁竖向刚度、横向刚度、抗扭刚度、横梁最大应力和工程经济性等方面进行分析，遵循“安全耐久，简约美观”的建设理念，努力实现“技术示范性桥梁”的最终建设目标。设计过程中，针对本项目特定的水文、地质、环境特点，综合统筹相关建设条件，合理地确定桥跨布置和桥型方案。

2   设计方案概述

2.1   主要材料

主塔采用的是C50混凝土，辅助墩采用C40混凝土，桥塔和桥墩的承台采用C40混凝土。预应力采用Φs15.2钢绞线，采用OVM锚具，塑料波纹管成孔。普通钢筋直径＜12mm的采用R235钢筋，直径≥12mm的采用HRB335钢筋。

斜拉索采用Φs15.2钢绞线，抗拉强度标准值为1860MPa，斜拉索外包双层护套，内层为黑色高密度聚乙烯，外层为彩色高密度聚乙烯，锚具为冷铸墩头锚。钢结构采用Q345qD桥梁结构用钢。主要材料参数见表1。考虑在混凝土强度达到C45时，开始张拉预应力钢束，用?'ck和?'tk分别表示钢束张拉时混凝土的抗压、抗拉强度标准值，则?'ck=29.6MPa，?'tk=2.51MPa。

2.2   设计方案分析

2.2.1   双索面整体式钢箱梁斜拉桥

方案1采用双索面整体式钢箱梁斜拉桥。桥塔选用倒Y型桥塔，同时根据收集到的资料，绝大部分已建成的斜拉桥塔高（高出桥面）与跨径的比值均在0.2左右，本桥主跨806m，塔高（高出桥面）取约176m。

主梁的梁高3.5m，梁高与跨径比约1/230，采用整体式流线钢箱梁，单箱三室，主梁每16m为一个梁段，每4m设置一个横隔板，钢箱梁采用Q345qD钢。

采用半漂浮体系，在塔梁交接处设竖向与横向支座。横向支座对主梁施加一定的横向柔性约束，另外设置纵向限位阻尼。

拉索及锚固采用双索面，索梁之间采用钢锚箱形式锚固，索塔之间采用环向预应力的方式锚固。索距16m，空间扇形双索面，全桥一共50对索，共计100根索。

根据本桥位处河岸两侧的地质条件，边墩、辅助墩以及主塔均采用哑铃型承台，基础均采用钻孔灌注桩。方案1总体效果如图1所示。

2.2.2   四索面分离式钢箱梁斜拉桥

方案2采用四索面分离式钢箱梁斜拉桥。桥塔采用小Y柱式，为混凝土结构，设置环向预应力束。塔高259.48m，塔顶距离分肢点距离为108m，在塔高42.54m处设置下横梁一道。

主梁采用分离式钢箱梁，根据顶底板厚度不同以及划分阶段不同，全桥共有9种梁段。顶板与斜底板厚度分别有16mm与20mm两种规格，腹板厚度有25mm与30mm两种规格。钢箱梁透视图见图2。

索塔底部固结，边墩及辅助墩设置竖向支撑，约束横桥向及竖向。索塔处主梁节点与索塔节点，设置弹性支撑约束横向，横梁、拉索、主梁之间均设置虚拟刚性梁进行连接。

本方案采用四索面，索梁之间锚固采用锚拉板形式，索塔采用同截面回转斜拉索锚固体系。共采用196根索，除边跨的AW1～AW3、AN2～AN3以及中跨的JW1～JW3、JN2～JN3直接锚固在索塔上，其他均采用同截面回转锚固系统进行锚固。该方案为密索体系，索距为16m。四索面横向布置如图3所示。

2.2.3   二索面分离式钢箱梁斜拉桥

方案3是對方案2加以优化，将方案2的四索面该成二索面，保证两个方案钢绞线的用量相同且索力分布也相同。其余设计参数均与方案2相同。双索面横向布置见图4。

3   各桥型比选分析

3.1   受力性能

3.1.1   竖向刚度

桥梁的竖向刚度一般用车辆荷载作用下的跨中跨挠比来衡量，3个方案主跨均为806m，对于公路桥梁来讲，较大的竖向刚度可以有效地提高车辆行驶的平顺性。本节在有限元模型的基础上，施加通用规范给出的车道荷载，计算出3个方案的活载作用下跨中挠度如图5所示。

由图5可以看出，在相同的活载作用下，方案1的活载位移较大，其竖向刚度最小；而方案2与方案3活载位移相对较小，几乎相等。由此看出，在纵向布置相同荷载的情况下，竖向刚度与索面分布基本没有关系，而与结构尺寸息息相关。

3.1.2   横向刚度

本计算中，利用主梁在横向极限风荷载作用下的位移，来表征主梁的横向刚度，通过有限元软件，计算出3个方案的横向位移如图6所示。

由图6可以看出，在相同的风载作用下，采用方案1的横向位移最小，其横向刚度最大；而采用方案2横向位移较大，横向刚度较小。

3.1.3   抗扭刚度

在计算中，利用主梁在偏载作用下的主梁扭转角，来表征主梁的抗扭刚度，扭转角等于最外侧的拉索的竖向位移差除以水平距离，通过有限元软件，计算出3个方案的主梁扭转角如图7所示。由图7可以看出，采用方案1的扭转角最大，则其抗扭转刚度最小；而采用方案2扭转角相对较小，且扭转角几乎相同。

3.1.4   横梁受力

对于方案2与方案3来讲，无论是竖向刚度、横向刚度以及抗扭刚度都几乎一致，为了进一步研究两者的区别，故进一步比较两个方案的横梁受力。方案2与方案3横梁受力如图8、图9所示。

对比图8和图9，从横梁最大应力来看，方案2最大值为45MPa，而方案3最大值为58MPa，相差近30%。这表明，四索面方案的横向受力性能比双索面方案要好。当桥面宽度较宽时，特别对于方案2、3的分离式双箱梁，桥面宽达到50m，选用四索面的索面布置有利于减小横梁中应力最大值，从而达到优化结构受力的目的。

3.2   经济性

对于工程项目，必须考虑其经济性，通过初步估算各个方案的工程量，比较3个方案的经济性。由估算结果可知，方案1在钢绞线与主钢材的用量上最少，最具经济性。方案2与方案3用量较大。

3.3   对比总结

主跨806m斜拉桥各方案性能综合对比分析见表2。从功能上看，3个方案都能满足所需的跨越能力，因而都具可行性。从经济性上分析，方案1相比其他两个方案可节省钢材用量约19%，经济性最佳；从安全角度上来看，方案2、3整体刚度相同且大于方案1，但方案2受力性能更优。从美观上看，三种方案均为大跨径的桥梁，方案2、3桥塔高耸，分离式双箱的设计也更具美学效果。

与整体式钢箱梁相比，分离式钢箱梁主要的优点是结构自重小，跨越能力强，抗扭、抗弯刚度大，抗风稳定性能好。综上所述，该桥选用四索面分离式双箱梁。

4   结束语

本文以某主跨806m的跨江斜拉桥为例，为确定其桥型最优形式，应用有限元软件Midas Civil进行建模分析，分别对倒Y型塔双索面整体式钢箱梁斜拉桥、四索面分离式钢箱梁、二索面分离式钢箱梁三个方案，从受力性能、工程造价等方面进行对比分析，得到如下结论：

结构的刚度与结构尺寸、材料用量息息相关，与双索面，四索面布置关系不是很大。在桥面宽度很宽，特别是采用分离式双箱梁时，采用四索面有利于减少横梁受力。而对于桥面宽度不是非常大的整体式箱梁，选用双索面方案，在保证横向受力的情况下，有利于降低造价，提高经济效益。结合受力，造价以及设计与施工的便利，选用四索面分离式双箱梁。

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