公路特大跨度拱塔斜拉桥设计分析

文

工程背景

某特大拱塔斜拉桥位于河北某市的主干道上，行驶速度设计为40km/h，桥面断面宽为27m，总长333m，其中有跨河桥梁一座，全长248m。主桥受力体现采取的是索辅梁桥受力系统，而主梁主要采用预应力连续施工方式，斜拉索空间布置方式按照双索面布置，桥塔则采取双肢V型钢拱塔结构，其跨径设计为188m。两侧引桥跨径为30m，总长248m。

结构设计

总体布置

该特大拱塔斜拉桥全长248m，由188m的拱塔斜拉索辅梁桥主桥和两侧单跨30m的简支箱梁引桥组成。塔梁分离是主桥的主要形式，在桥塔上设置有横向限位支座与竖向支座，桥塔与桥面上的结构，选择的是钢箱塔布置，而桥面下的位置主要使用混凝土塔作为支架，使其能够配合钢混凝土过渡；钻孔灌注桩与混凝土承台是桥塔基础施工主要方式，而在主梁上选择的是平混凝土箱梁与单箱多室箱梁进行构建，且在河道中央搭建支架进行浇筑施工；斜拉索涵盖斜向拉索与水平拉索，其中，水平拉索塔主要是实施内张拉，而斜向拉索主要负责梁端锚固张拉。

主梁

主梁采用预应力混凝土箱梁，主桥采用单箱四室流线型等截面，箱梁在中心线处梁高2.5m；引桥采用单箱六室流线型等截面，箱梁在中心线处梁高1.8m。桥面标准宽27m，梁顶设置2.0%的横坡，梁底水平；桥塔及边墩处设置横梁，以保证支座处集中力的传递；在主梁纵向的位置上，按照间隔8m的距离设置混凝土隔板，并且将其拉伸到拉索锚存在的位置中，使其有效与拉索锚结合成为一个整体。主梁施工以支架现浇的方式作业。该工程主梁横断面剖面图如图1所示。

钢塔

图1 主梁的横断面图（单位：mm）

主塔外观横立面呈斜伸的双网球拍型，与竖直方向立面呈1：2.5的倾斜角，塔高约57m（钢混凝土结合面至塔顶），采用钢箱截面，标准尺寸高3.2m、宽度2.5m，钢筋混凝土结合面以上16m范围内拱高逐渐加高至4.0m。钢塔和混凝土连接设置高4m的钢筋混凝土结合段过渡，箱内布置隔板、焊钉，箱内浇注混凝土后通过精轧螺纹钢连接紧密，确保塔底全截面受压。拱肋主要是选择型号为Q345qD钢材，其规格为mm；在间隔2m的位置上，设置隔离板，且在其腹板与顶底板的位置支架钢筋。将钢锚箱设置在塔上，并且在其内部固定拉索锚固。主塔在塔座端固定，采用钢筋混凝土固定，再使用精轧螺纹钢固定措施提高固结能力。在实践过程中，为了能将钢筋混凝土结合段传力的可靠性提高，需要在混凝土内部，采用PBL剪力键与混凝土连接。钢塔节段焊接连接，在支架平台组拼成形后竖转施工到位。

斜拉索、水平索

该特大拱塔斜拉桥为空间双索面斜拉索，其固定位置设置在锚固和箱梁的两侧肋的旁边位置中，整体项目斜拉索18对，水平索9对，且设置的距离控制为8m，同时塔上的竖向距离控制为4m。斜拉索的为单端张拉，且在塔的端面设置钢锚箱，使其作为斜拉索的锚固端；同时，混凝土锚块设置在梁上的斜拉索位置，使其能够实现梁端张拉。水平索设置于两钢塔之间，采用一端张拉。

结构计算

正常使用阶段应力验算

大跨度拱塔斜拉桥短期组合正应力，主梁的上缘应力绝大部分处于受压状态，上缘最大压应力出现在两跨的跨中，

上缘最大压应力为-12.6MPa，主梁上缘只有在主梁的两端

个别区域出现了拉应力，最大拉应力为1.24MPa。下缘最大压应力则出现在主梁与拱塔相交处的主梁下缘，最大压应力为-11.8MPa，而下缘在主梁的两端出现了拉应力，最大拉应力为0.23MPa。

桥塔内力

图2、图3为该大跨度拱塔斜拉桥成桥后的纵向弯矩图和横向弯矩图，成桥后桥梁的纵向弯矩最大值为4107kN·m，最小值为-4107kN·m，两者均发生在拱塔的根部。成桥后横桥向的弯矩最大值为17804kN·m，发生在拱塔顶部和底部之间中间的位置，最小弯矩值为-13519kN·m，发生在拱塔的根部。

图2 成桥纵向弯矩（kN·m）

图3 成桥横向弯矩（kN·m）

图4 标准组合最大应力（MPa）

桥塔应力

图4为标准组合作用下双套拱塔的最大应力图，拱塔标准组合最大压应力最小值为-109.4MPa，发生在拱塔底部的钢混结合段，最大值为28.7MPa，发生在拱塔的顶部。

拉索索力

图5、图6为成桥状态恒载作用下索力值和标准组合作用下的最大索力值，成桥恒载索力最大值为4122kN，标准组合的最大索力值为4489kN，均发生在横索自上而下第三根索处。

竖向刚度

图7为单独活载作用下梁体的位移包络图，拱塔斜拉桥主梁向下和向上最大位移均发生在跨中位置，向下最大位移为-0.043m，向上最大位移值为0.012m。

图5 成桥恒载索力（kN）

图6 标准组合最大索力（kN）

结语

本文根据该大跨度拱塔斜拉桥所在的地理位置及地质条件，对该桥的结构进行设计，其中主要包括：桥梁的总体布置、主梁的设计、钢塔的设计、斜拉索及水平索的设计，同时建立全桥有限元模型，对该桥在正常试用阶段应力进行验算、桥塔的内力计算、桥塔的应力计算，拉索的索力，桥梁的竖向刚度计算、支座反力的计算，并根据计算结果进行分析得出结论。

主梁在长期效应组合下以及短期效应组合下，最大压应力为-13.9MPa，发生在主梁两跨跨中的上缘板，根据相关公路桥梁规范可知，在公路桥涵设计中最大压应力不应超过0.6fck=0.6×32.4=19.44MPa，短期效应组合下，拉应力不超过0.7ftk=2.65×0.7=1.855MPa；短期效应组合下主拉应力不超过0.5ftk=0.5×2.65=1.325MPa；标准值组合下梁内最大压应力不超过0.5fck=0.5×32.4=16.2MPa，而主梁经过计算混凝土的拉应力及压应力均满足相关规范的基本要求。

单独活载作用下梁体的位移包络图，拱塔斜拉桥主梁向下和向上最大位移均发生在跨中位置，向下最大位移为-0.043m，向上最大位移值为0.012m。该桥的挠跨比为1/2186，刚度远远满足规范的要求，该设计满足规范的要求。

拱塔标准组合最大压应力最小值为-109.4MPa，发生在拱塔底部的钢混结合段，最大值为28.7MPa，发生在拱塔的顶部。远远小于Q345qD钢材的抗拉压强度，设计满足要求。

桥塔的内力、拉索的索力及支座的反力的计算结果均能够满足相关规范的基本要求。