跨径136 m单箱三室变高度斜腹板箱梁斜拉桥设计

钟 屹 陈昱鹏 郑裕豪

（柳州欧维姆机械股份有限公司，广西 柳州 545006）

1 工程概况

（1）地形地貌：桥梁地址属于冲洪积地形，两侧的桥台所在地貌单元为二级阶地，黄海高程为11～15 m，相对高差约4 m，地势较平缓，为种植地，有一宽约210 m的西溪通过，桥台处覆盖层较厚，为20～25 m，河底覆盖层厚度为12 m，周围植被较发育。

（2）地质岩性：主要特性为侏罗系南园组凝灰熔岩及其风化带层结构，表层为黏性土，冲洪积作用互层状河谷可见黏性土、砂土。

（3）水文地质：桥址区地表水为西溪河流，状态常年流水，受降水影响明显，雨季时，水流量大。

（4）地震效应：本区地震基本烈度为7度，地震动峰值加速为0.1 g，标准场地地震反应谱特征周期为0.40 s，砂层经判别会液化，液化等级为轻微-严重。

（5）桥型：主桥采用（82+136+82）m双塔单索面部分斜拉桥，采用塔梁固接、梁墩分离的结构体系。

2 结构设计

2.1 主桥箱梁构造

单箱三室变高度斜腹板箱，主墩处箱梁高4.5 m，宽15.428 m，跨中和边跨直线段部分梁高2.6 m，宽16.948 m。顶板厚25 cm，其中中室顶板厚度为50 cm。在斜拉索锚固点处设有横隔板，边室横隔板厚30 cm，中室横隔板厚40 cm；箱梁在墩顶处设置横隔墙，边跨支点处横隔墙厚度为132 cm，中跨支点处边室横隔墙厚度为200 cm、中室横隔墙厚度为300 cm。

2.2 桥塔构造

结构采用钢筋混凝土，截面形状为矩形，从梁顶到塔顶高17 m，整个塔柱截面为矩形，顺桥纵向长3.0 m，横桥向宽2.0m，在行车道两边布置车辆防撞设施，表面做装饰处理。

2.3 斜拉索构造

斜拉索体系采用平行钢绞线索，全桥采用同一种规格，每股拉索均由61根φ15.2 mm镀锌钢绞线组成，钢绞线标准抗拉强度为1 860 MPa。桥塔设计在桥梁中间，从上到下共有10对斜拉索，每股拉索塔上间距为0.7 m，梁上间距为4.0 m，横向设置两排拉索，其间距为0.9 m。塔上为斜拉索张拉端，梁上为斜拉索固定端，其构造如图1所示。

钢绞线拉索防护体系的耐久性优于平行钢丝拉索，从而保证了钢绞线拉索具有较长的使用年限[1]。平行钢绞线拉索无论在结构和性能方面，还是在经济性方面都优越于平行钢丝拉索[2]，具有4层防护的平行钢绞线拉索是值得推广和应用的。

图1 斜拉索构造

3 结构计算

3.1 分析软件

采用西南交大编制的《桥梁结构分析系统》（BSAS）程序对箱梁进行施工阶段和运营阶段的纵向平面静力分析计算。采用同济大学编制的《桥梁博士V3.03》程序对箱梁进行施工阶段和运营阶段的纵向平面静力分析计算的校核计算。几何非线性的影响分析、空间动力分析及局部结构实体单元分析采用MIDAS结构分析软件。

3.2 单元划分

全桥静力计算共划分197个单元，其中，梁单元85个，塔单元28个，索单元40个，索与梁连接处的刚臂单元40个，中跨支点处临时墩单元4个。0#节段长10 m，1#、2#节段长3 m，合拢段长2.0 m。其他各节段长4.0 m。

3.3 箱梁正截面和斜截面设计

（1）承载能力计算时 ：γ0S+γpSp≤R。

（2）在持久状况正常使用极限状态下抗裂（不计冲击系数）：

①箱梁正截面抗裂：荷载短期效应组合下σst≤0.80σpc；

②箱梁斜截面抗裂：在荷载短期效应组合下σtp≤0.40ftk。

（3）持久状况下使用阶段：

受压区混凝土的最大压应力σkc+σpt≤0.5fck；

受拉区预应力钢筋的最大拉应力σpe+σp≤0.65fck；

混凝土主压应力σcp≤0.6fck。

（4）短暂状况下各应力控制情况按现行规范控制。在进行主应力计算时，考虑竖向预应力钢筋效应。

箱梁控制截面混凝土应力表如表1所示。

表1 箱梁控制截面混凝土应力表/MPa

3.4 箱梁结构横向静力分析计算

箱梁横向静力分析对象一般选择跨中部分的截面，纵桥向按单米长选取，腹板底部支承的框架为其计算结构模型；主梁锚索区的横向静力分析，横向对称中心线处固结的悬臂结构为其结构计算模型；计算分析阶段划分为四个阶段进行，分别为桥梁箱梁施工、横向预应力钢绞线束张拉、桥梁二期恒载施工及运营阶段，还应考虑均匀升降温及非均匀升降温的影响（非均匀升降温按内外温差取5 ℃）。

3.5 桥塔计算

桥塔为偏心受压构件，对施工及运营最不利受力状态下的顺桥向及横桥向的强度及稳定性进行了计算。

3.6 箱梁变形验算

箱梁变形验算以及预拱度的设置符合《公路桥涵设计通用规范》（JTGD 60—2004）[3]有关规定，静活载点位移数据如表2所示。

表2 静活载作用下控制点位移/cm

3.7 主桥桥墩及基础的分析计算

主桥纵向水平力的计算：主墩制动墩按荷载长度为一联长度或主孔加悬臂长度时的制动力+风力与撞击力比较，取其较大者进行固定墩设计；主墩非制动墩按支座摩阻力进行计算设计；边墩墩身由主、引桥两侧同向支座摩阻力进行计算设计，支座摩阻系数取0.05。

桩基内力计算依照《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63—2007）[4]所述m法的原理，采用北京交通科研所的桥梁下部综合程序《BridgeXB》程序对主桥群桩基础进行基础内力和位移计算分析，计算中承台设为刚性体，并与桩顶刚性固结，钻孔的灌注桩按摩擦桩模拟。

3.8 局部实体单元分析

塔梁固结点及斜拉索在箱梁上的锚固区域应力较为复杂，为了解其应力分布，采用MIDAS程序对此处进行三维有限元法的应力分析。分析结果表明，这些部位的应力都在规范容许范围之内。

3.9 动力特性分析

在本计算模型中，箱梁体、桥梁塔、桥墩使用空间梁单元进行离散计算，由于斜拉索特性只能承受拉力，因此，采用受拉单元进行模拟，承台视为无变形的刚体，斜拉索的初张拉力视为单元内力处理，梁体与下部之间的连接采用耦合关系来处理，在承台底施加5个方向的等效弹簧模拟桩-土相互作用。模型详见图2～7动力特性分析模型图和振型图，频率和周期详见表3。

阻尼作为结构动力响应分析中最重要的参数之一，是结构振动中描述能量耗散的指标[5]。根据以往工程经验，本模型中的阻尼比取为0.05。

桥梁结构的自振周期和地震波的主要周期越接近，它的振型受到地震力的影响越大；而它的阻尼比越小，结构所受的地震力也就越大。这正是进行动力特性分析的主要目的。

图2 动力特性分析模型

图3 第一阶振型图

MIDAS/Civil POST-PROCESSOR VIBRATION MODE

1.48543e -002 1.35047e-002 1.21550e-002 1.08054e-002 9.45577e-003 8.10614e-003 6.75651e-003 5.40687e-003 4.05724e-003 2.70761e-003 1.35797e-003 8.34092e-003 MIDAS/Civil

图4 第二阶振型图

POST-PROCESSOR VIBRATION MODE 7.61948e-003 6.92697e-003 6.23446e-003 5.54195e-003 4.84944e-003 4.15693e-003 3.46442e-003 2.77191e-003 2.07940e-003 1.38689e-003 6.94381e-004 1.87020e-006

图5 第三阶振型图

MIDAS/Civil POST-PROCESSOR VIBRATION MODE

1.27442e -002 1.15906e-002 1.04370e-002 9.28346e-003 8.12989e-003 6.97632e-003 5.82274e-003 4.66917e-003 3.51560e-003 2.36203e-003 1.20846e-003 5.48842e-005

图6 第四阶振型图

MIDAS/Civil POST-PROCESSOR VIBRATION MODE

1.28543e -002 1.16871e-002 1.05198e-002 9.35257e-003 8.18532e-003 7.01807e-003 5.85082e-003 4.68357e-003 3.51632e-003 2.34907e-003 1.18182e-003 1.45651e-005

图7 第五阶振型图

表3 动力特性分析一览表

3.10 地震分析

本模型采用《公路工程抗震规范》（JTG B02—2013）[6]反应谱方法进行抗震分析，7度地震区，II类场地。抗震分析一般采用反应谱方法，其用于抗震结构分析有两个基本步骤，第一个步骤是采用振型分解反应谱法求出各阶振型反应的最大值，第二个步骤是采用振型组合方法（SRSS或CQC）求出结构反应最大值。II类场地：β=2.25×（0.3/T）0.98。动力系数和类型场地关系图如图8所示。其模拟分析结果满足7度地震区要求。

图8 动力系数和类型场地关系图

在多遇地震作用下，不仅可以用场地反应谱，还可以用规范反应谱进行分析，计算地震作用效应的内力和变形。通过软件计算，反应谱分析结果如图9～11。

图9 顺桥向地震弯矩图

图10 顺桥向地震轴力图

图11 横桥向地震弯矩图

MIDAS/Civil POST-PROCESSOR VIBRATION MODE

弯矩-z 7.85534e+004 7.14122e+004 6.42710e+004 5.71298e+004 4.99885e+004 4.28473e+004 3.57061e+004 2.85649e+004 2.14237e+004 1.42824e+004 7.14122e+003 0.00000e+000

4 结语

本文介绍了一座（82+136+82）m双塔单索面某斜拉桥设计过程，其通过桥梁的结构选择、箱梁选择、拉索选择的形式，再从受力、构造对桥梁进行了静力计算和抗震分析，数据结果显示桥梁能满足施工和运营时期的受力要求，也能满足相关标准规范，可以给今后类似的桥梁设计和施工提供借鉴经验。