反拱形上承式悬索桥的设计研究

谢宏伟， 樊书文， 蒲黔辉

(西南交通大学桥梁工程系， 四川成都 610031)

反拱形上承式悬索桥的设计研究

谢宏伟， 樊书文， 蒲黔辉

(西南交通大学桥梁工程系， 四川成都 610031)

反拱形上承式悬索桥主要由桥面板、主梁、立柱和主索组成，这种新型桥梁结构形式由于具有施工简便、受力状态在施工阶段和运营阶段一致、不需要索塔等优点而受到关注。文章以四川万源至达州高速公路某一段的地质条件为基础，详细说明了反拱形上承式悬索桥的设计过程和施工方案，并利用有限元软件进行结构分析。相关结论可以为类似桥梁的研究和设计提供参考依据。

反拱形上承式悬索桥； 新型桥梁结构形式； 有限元分析； 设计研究

反拱形上承式悬索桥是20世纪70年代国外出现的一种新型的公路桥梁结构形式，其主索在桥面板以下成反拱形，两者之间通过立柱进行连接(图1)[1]。

图1 反拱形上承式悬索桥

林同炎先生于1972年在哥斯达黎加首创该类型桥梁，建成了跨径为108 m的科罗拉多大桥。随后，德国和日本等相继修建该类桥梁[2]。国内这方面起步稍晚，吴琦瑛先生于1989年在湖南洞口县淘金村建成了一座跨径为70 m的淘金大桥，是国内该类桥梁结构形式开始发展的标志[3]。

1 反拱形上承式悬索桥特点

反拱形上承式悬索桥由于结构特点和稳定性要求，适用于跨径不大的山区峡谷或水面落差较大、对通航要求不高的河流中。这类桥梁不需要索塔，能利用主索作为施工平台，施工简便。构件内力状态在施工阶段和运营阶段保持一致，施工时的内力始终不会超过成桥运营时的内力，因而在施工过程中不需要任何的附加构件和材料。国内外部分已建反拱形上承式悬索桥如表1所示。

表1 部分已建反拱形上承式悬索桥

2 工程概况

本桥桥位上跨四川万源至达州高速公路某一段处的冲沟，桥位处上沟心上覆漂石夹土，两岸上覆低液限黏土，下伏粉砂质泥岩、泥质粉砂岩互层，落差最大为40 m左右，两岸坡度均达43°左右。

汽车的荷载等级为公路一级；单向三车道，无行人荷载；铺装层采用4 cm的防水粘结层和6 cm的沥青混凝土铺装层，防水粘结层(水泥砂浆)容重20 kN/m3，沥青混凝土(细粒式)容重23.5 kN/m3；均匀温升、温降按20 ℃考虑；横桥向假定风荷载水平垂直作用于桥梁各部分迎风面积的形心上，而对于上承式桥梁，可不计桥梁顺桥向所受的风荷载。

3 结构设计

结合地质条件和已建同类桥梁的设计经验，本桥采用图2所示的结构设计方案，桥梁的主要构件见图3。

图2 桥梁结构立面(单位：m)

3.1 总体布置

结构形式为自锚式反拱形上承式悬索桥，矢跨比1/13，计算跨径130 m，设计宽度0.60 m防撞护栏+3.6 m净桥面+3.6 m净桥面+3.6 m+0.60 m防撞护栏，全宽12 m。

(a) 桥梁横断面

(b) 主梁横断面

(c) 锚碇横梁侧视图3 桥梁的主要构件(单位:mm)

3.2 桥面板

采用预制C40混凝土桥面板，受力钢筋为HRB400钢筋，单排布置，制作吊装分节段进行，板段之间现浇微膨胀混凝土。

3.3 主梁

采用Q345槽型钢主梁，壁厚为50 mm，制作吊装分节段进行，标准长为6.5 m，梁段之间用螺栓进行连接。

3.4 主索

采用平行丝股主索，面积为0.070 7 m2，弹性模量为2.05×108kN/m2，泊松比0.3，容重为78.5 kN/m3。

3.5 立柱

采用钢管混凝土结构立柱，钢管采用Q345钢材，混凝土采用C40，外直径为400 mm，壁厚为40 mm，立柱间距为6.5 m。

3.6 锚碇横梁

采用C30钢筋混凝土结构，梁长12 m，预留倾角为15°的孔道以便主索安装。倾角能保证主索在孔道中与锚固钢板相互垂直，以此来减少主索对锚碇横梁的受弯作用。

4 计算分析

4.1 计算模型

采用有限元分析软件Midas Civil 2013对全桥进行建模分析：主索采用160个只受拉单元来模拟；立柱与主梁均采用梁单元来模拟，共156个；桥面板采用120个板单元进行模拟；全桥共用436个单元、402个节点进行模拟；立柱与主索之间考虑为铰接，横桥向和竖向的弯曲自由度释放；立柱与主梁之间考虑为固接；边界条件：施工地锚阶段，槽型钢主梁的临时支座用“一般支承”来模拟；成桥自锚阶段，锚碇横梁与主梁产生较大压力，主梁的永久圆形板式橡胶支座采用“弹性支承”来模拟。有限元模型见图4。

图4 有限元模型

4.2 结果分析

在自重荷载、移动荷载、风荷载以及温度组合作用下，该桥的响应如下：

4.2.1 竖向变形

竖向变形的最大值为0.058 m，挠跨比远远小于规范所规定的限值1/300，表明反拱形上承式悬索桥运营阶段的竖向刚度能满足要求。

4.2.2 主索

分别以立柱之间的主索段作为一个单元，每侧主索沿纵桥向划分20个单元。荷载组合应力如图5所示。

图5 主索的荷载组合应力

由图5可知，主索应力差较小，最大的应力出现在接近两端的位置，为455.62 MPa，满足安全系数大于2.5的要求。

4.2.3 立柱

对于钢管混凝土构件，在计算成桥和运营阶段的结构承载能力时采用“统一理论”较合理[4]。计算结果表明，边立柱的轴力值远远大于其他立柱，最大轴力为397.52 kN。以边立柱轴力控制设计，按照统一理论进行承载能力极限状态设计，并验算中间立柱的稳定性。验算结果表明：按照初步拟定的方案尺寸，边立柱将不满足承载能力要求。进一步将边立柱钢管材料改为Q420，混凝土改为C80，重新验算，能满足要求。

4.2.4 自振特性

对结构影响较大的几个振型的振型图以及频率如表2所示。

表2 结构自振振型

扭弯基频比KR/V=HR/HV，是反映结构体系对抗风颤振敏感性的一个重要指标，理论上要求KR/V>1.0。由表2可知，该桥扭弯基频比为2.345，因此该设计方案具有较好的结构抗风性能。

5 施工方案

本桥施工时先将主索临时锚固于山谷两边岩体中，并对锚洞剪力和滑动稳定进行验算，再利用主索由两边向中间对称施工立柱、主梁和桥面系等。为了满足在施工阶段由于主索直接裸露造成的稳定性问题，采用了与主索以上结构等重的混凝土板对主索进行压重。这些混凝土板与主索一起形成悬带以保证施工阶段主索的稳定性，这种方式的有效性已经在淘金大桥中得到了验证。桥梁的施工步骤如图6所示。

图6 施工步骤示意

体系转换方式为：锚碇横梁和岩体临时锚碇之间采用接长索连接，将主索和接长索分别锚固于锚碇横梁上，维持锚碇横梁在施工阶段的稳定性。体系转换时去除接长索即可，简单易行。

6 结论

本文通过对一种新型桥梁结构形式反拱形上承式悬索桥特点的说明，在国内外已建同类桥梁的设计经验的基础上，以四川万源至达州高速公路某一段的地质条件为基础，阐述了反拱形上承式悬索桥设计过程以及施工方案，并利用有限元软件对结构进行分析计算，得出以下结论：

(1)反拱形上承式悬索桥结构形式新颖，施工简便，受力明确合理，在中小跨径山区桥梁中具有较强的竞争性。

(2)反拱形上承式悬索桥矢跨比通常在1/9～1/20之间，立柱间距在4～10 m之间。在主索和立柱的两边受力较为集中，除了以边立柱的受力来控制截面设计外，还需验算中间立柱的稳定性。

(3)自锚式桥梁能为主梁提供预应力，在岩盘外露的峡谷或临时锚固费用低的场合，建议采用自锚式。

(4)反拱形上承式悬索桥扭弯基频比能满足要求，具有较好的抗风性能。

(5)计算结果验证了本桥设计方案的可行性，是符合当地人文景观的较好方案。

[1] 楼庄鸿,刘陌生.上承式悬索桥[C]//中国公路学会桥梁和结构工程学会. 2003年全国桥梁学术会议论文集. 成都:2003.

[2] 楼庄鸿,丁明杰.德国Ingolstadt市Glacis桥的设计与施工[J].中外公路,2003,23(3):23-25.

[3] 吴琦瑛.自锚上承式悬带桥的设计与施工[J].桥梁建设,1989(4):21-29.

[4] 顾安邦,向中富.桥梁工程(下册)[M].北京:人民交通出版社,2012.

U448.25

A

[定稿日期]2017-05-23

谢宏伟(1994～)，男，在读硕士生，研究方向为新型预应力混凝土桥梁结构体系与计算理论； 樊书文(1992～)，女，在读硕士生，研究方向为新型预应力混凝土桥梁结构体系与计算理论； 蒲黔辉(1965～)，男，工学博士，教授，研究方向为新型预应力混凝土桥梁结构体系与计算理论。