900m跨组合钢箱梁斜拉桥方案试设计

汤虎

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

900m跨组合钢箱梁斜拉桥方案试设计

汤虎

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

本文假定某跨海峡工程背景，以900 m大跨度为目标进行组合钢箱梁斜拉桥方案试设计，通过成桥状态结构受力分析，探讨该桥的动静力性能，同时证明该方案是可行的。相比于钢主梁斜拉桥，该桥型可提高桥面系局部刚度、解决正交异性钢桥面板疲劳及桥面铺装易损问题。拓展组合钢箱梁斜拉桥的适用跨径，是适应未来跨江海大桥工程建设需求的选择之一。

斜拉桥；组合钢箱梁；桥梁设计；方案

0　引言

目前，我国最大跨径钢箱组合梁斜拉桥为主跨480 m的椒江二桥，其次为主跨420 m的东海大桥主航道桥。传统认为，超过700 m的斜拉桥应当选择钢桥面形式，该结论是基于传统钢板梁组合梁抗风性能的不足而得出的，而封闭箱型截面组合梁弥补了开口截面组合梁抗风性能的不足，显然，进一步提高组合钢箱梁斜拉桥最大跨度纪录的机遇和挑战是并存的。

本文假定某跨海峡工程背景，以900 m大跨度为目标进行组合钢箱梁斜拉桥方案试设计，探讨进一步拓展组合梁斜拉桥跨径的可能性。

1　桥址区基础资料及计算荷载

1.1桥址区基础资料

对大多数桥址建设条件而言，传统的双塔扇形双索面自锚体系全组合梁斜拉桥结构具有更大的普遍性，本文的方案试设计及验证也是针对这类斜拉桥，其中桥址区基础资料如下：

（1）技术标准。公路桥梁，横断面布置及桥面宽度要求与苏通大桥等国内大多数公路桥梁相同，主梁宽度为36 m（不含风嘴），双向6车道+紧急停车带，荷载采用公路-Ⅰ级，按双向8车道设计。

（2）桥下净空。按当前最大通航要求设计，满足桥下净空不少于65 m。

（3）设计风速。假定桥址设计基本风速vs10= 40 m/s，按A类场地计算风速剖面，基本可以覆盖长江沿线及预期大部分跨海工程的设计要求。设计基准风速、颤振检验风速、风载系数按《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T D60-01—2004）相关条款进行计算。

（4）结构材质。主梁钢结构以Q345qD为主，部分范围可采用Q370qD；桥塔采用C50混凝土，主梁混凝土桥面板采用C60混凝土。斜拉索采用7 mm镀锌平行钢丝成品索，抗拉强度1 860 MPa，主力作用下控制最大应力744 MPa。

（5）地震动。假定为Ⅵ度区，地震设计不控制。

1.2计算荷载

在对试设计方案进行论证时，着重对以下几种控制性荷载组合进行分析：（1）运营组合，恒+沉降+温度+运营风+活+制动力；（2）百年风组合，恒+沉降+温度+百年风；（3）主力组合，恒+沉降+活+制动力。同时，分别进行刚成桥时和成桥10年后考虑收缩徐变两种情况。

2　试设计方案概述

拟定的组合梁斜拉桥试设计方案的跨径布置为144 m+261 m+900 m+261 m+144 m，如图1所示。边跨设置一个辅助墩，边中跨比为0.45。采用漂浮体系，索塔下横梁处可设置阻尼缓冲装置或弹性连接限制主梁纵漂位移。

索塔采用横桥向钻石型、顺桥向直立单柱式混凝土塔柱，如图2所示，混凝土标号为C50，桥塔塔高242 m，桥面以上高度175 m，索塔塔高比0.194，锚索区高度为57.6 m（32×1.8 m）。桥塔截面尺寸为：下塔柱顺桥向宽度13～11 m，横桥向宽度10～7 m，塔柱顺桥向和横桥向壁厚均为1.8 m；中塔柱顺桥向宽度11～9.5 m，横桥向宽度7～6.5 m，塔柱顺桥向和横桥向壁厚均为1.3 m；上塔柱顺桥向宽度9.5～8 m，横桥向宽度9 m，塔柱顺桥向和横桥向壁厚均为1.3 m。

图1　主跨900 m组合梁斜拉桥总体立面布置（单位：m）

图2　主跨900 m组合梁斜拉桥索塔布置（单位：m）

主梁采用流线型扁平组合钢箱梁，如图3所示，梁高3.0 m，沿桥长不变，主梁高宽比为1/300；箱梁全跨39 m（含风嘴），主跨宽跨比为1/23.1。混凝土桥面板宽33 m，钢底板宽25.4 m。主梁混凝土标号为C60，混凝土面板一般厚度25 cm，在腹板顶附近加厚至45 cm，边跨和塔根无索区的混凝土板均加厚至45 cm。钢结构材质为Q345qD，斜腹板厚40 mm，腹板上翼缘厚24 mm，但在塔根及边墩、辅助墩顶附近主梁钢板局部加厚，斜腹板和腹板上翼缘厚分别增加60 mm和40 mm。钢梁底板为了适应主梁轴力变化以及抵抗近塔区横向风引起的侧弯，弯曲需要采用变厚布置，厚度变化范围为16～32 mm，底板采用U形加劲肋，加劲肋板厚8 mm。主梁横隔梁采用桁架形式，横隔梁顺桥向间距4.5 m，横隔梁板厚16 mm，上翼缘板厚24 mm。主梁钢结构部分和混凝土面板之间通过设置剪力钉实现结合传力。剪力钉采用直径22 mm的圆头焊钉，其长度除上翼缘钢板两端为450 mm外，其余均为200 mm。剪力钉根据受力大小布置。

全桥斜拉索共计256（32×4×2）根，规格为PES7-187～PES7-421（1 860 MPa），单索最大长度约475 m，中跨索距13.5 m，边跨索距采用10.5 m和13.5 m两种。其中，B32～B1为边跨梁端至塔根处32根拉索编号，M1～M32为中跨塔根处至跨中处32根拉索编号。

图3　主跨900 m组合梁斜拉桥组合梁横断面布置（单位：m）

结构分析采用TDV RM Bridge有限元程序，主梁、主塔和桥墩采用梁单元模拟，拉索采用杆单元模拟，整体计算模型如图4所示。

图4　整体计算模型

3　成桥状态结构静力性能分析

3.1成桥状态

优化后的成桥恒载状态主梁弯矩和主梁应力如图5～图7所示。可以看出：主梁在主塔处及辅助墩处弯矩相对较大，其余部分弯矩均很小，主梁轴力则随着与桥塔位置的缩短而逐渐增加。钢梁上、下翼缘应力相差不大，尤其是中跨主梁，基本处于轴心受压状态，上、下翼缘的最大压应力值分别为99.2 MPa、121.5 MPa，基本无拉应力出现；同样，混凝土桥面板上、下翼缘应力也相差不大，最大压应力值分别为17.6 MPa、17.3 MPa，无拉应力出现。

3.2结构静力荷载总响应

方案试设计过程主要考虑了表1所列的六种控制性荷载组合进行分析计算，得到的不同组合工况下各构件最大应力见表1，最不利组合下主梁上、下翼缘、混凝土桥面板、桥塔应力分别如图8～图11所示。

从图表中可以看出，钢梁上翼缘最大压应力为组合4工况的182.8 MPa，发生在桥塔附近，组合1工况下钢梁上翼缘拉应力达到最大值，为8.4 MPa，出现在边跨梁端截面；钢梁下翼缘最大压应力为组合4工况的197.7 MPa，发生在辅助墩和塔根附近，最大拉应力为组合1工况的50.3 MPa，发生在跨中附近；组合3工况的混凝土板最大压应力最不利，塔根处压应力最大，达到23.3 MPa，在组合4工况下混凝土板在跨中附近出现4.4 MPa的拉应力，需说明的是，组合4工况是成桥10年后的百年风短暂工况；组合2工况下，桥塔最大压应力18.8 MPa，发生在下塔柱顶端截面的横桥向截面；而在组合3工况下，下塔柱顶截面位置将出现0.8 MPa的最大拉应力。参照类似工程经验，考虑桥塔配筋后亦可满足截面承载力要求；拉索应力最大值较为均匀，基本在600～700 MPa，应力幅不超过180 MPa。

图5　成桥状态主梁弯矩分布

图6　成桥状态下钢梁应力分布

图7　成桥状态下混凝土桥面板应力分布

表1　不同组合工况下各构件最大应力　　　　　MPa

图8　钢梁上翼缘应力最不利组合

图9　钢梁下翼缘应力最不利组合

图10　混凝土桥面板应力最不利组合

由上述计算结果可以看出，试设计的主跨900 m组合钢箱梁斜拉桥的主梁、桥塔、拉索受力均处于安全范围之内，表明试设计方案可行，构件尺寸合理。

图11　桥塔应力最不利组合

3.3结构静力稳定性评估

本文按第一类稳定分析对900 m跨组合钢箱梁斜拉桥成桥状态下在不同计算工况下的结构稳定安全系数进行了计算，结果见表2。结构在主跨满布荷载时一阶稳定系数为4.165，为所有工况中最小，但仍满足规范要求。

3.4结构抗风稳定性评估

采用空间动力有限元分析，结构在成桥状态下的典型动力特性见表3，颤振临界风速可按规范进行估算，颤振检验风速由设计基准风速乘以风速脉动修正系数得到。

表3　动力特性与颤振稳定性检验

表2　成桥状态下一阶稳定系数

以上计算表明，本文拟定的主跨900 m组合钢箱梁斜拉桥试设计方案在设计风速vs10=40 m/s工况下，按规范分别取主梁截面形状系数、攻角系数为0.8和0.8对颤振临界风速进行折减后，临界风速仍远高于检验风速，初步说明试设计方案满足风致颤振稳定性要求。

4　结　语

成桥状态结构受力分析证明主跨900 m的组合梁斜拉桥方案是可行的。与钢主梁斜拉桥相比，钢-混凝土组合梁斜拉桥具有如下优点：（1）利用混凝土板受压，可改善主塔附近加劲梁抗压性能；（2）增加桥梁抗弯、抗扭整体刚度；（3）组合梁的混凝土桥面板代替正交异性钢桥面板，提高了桥面板局部刚度，很好地解决钢箱梁钢结构疲劳及桥面铺装易损坏的问题。从经济性和耐久性考虑，拓展组合梁斜拉桥的适用跨径、在更大跨度范围内与钢斜拉桥形成竞争，是适应未来跨江海大桥工程建设需求的选择之一。

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汤虎（1986-），男，江苏宝应人，工程师，从事桥梁设计工作。