大跨度独塔曲线梁斜拉桥主梁空间效应研究

郭远航

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063; 2. 中铁建大桥设计研究院，湖北武汉 430063)

随着铁路建设持续多年的发展，现场地理条件和平面线形对铁路桥梁的制约越来越突出，尤其是铁路线路相互交叉或是铁路与公路交叉时，现场条件及线路线形均异常复杂，在桥型方案的拟定和选择上对桥梁设计者提出了挑战。独塔曲线梁斜拉桥以其跨度大、线路适用性强的特点，成为特殊建设条件下，极具竞争力的铁路桥型。如新建贵广南广铁路跨穗盐路斜拉桥，位于半径1 147.8m的平曲线上，采用32.6m+2×175m+32.6m独塔曲线梁斜拉桥小角度跨越高速公路；北京地铁五号线清河斜拉桥，位于半径400m的平曲线上，采用108m+66m+36m独塔曲线梁斜拉桥跨越市政道路，均取得了不错的工程效果和经济效益。

本文以新建郑万铁路联络线跨郑西高铁特大桥主桥为工程背景，分析了空间效应对独塔曲线梁斜拉桥主梁正应力状态的影响。

1 工程概况

本桥主桥采用(32+138+138+32)m独塔曲线梁斜拉桥形式，桥位平面位于曲线半径R=1400m的圆曲线上，线路纵坡为29.062 ‰。桥面布置为单线有砟轨道，ZK活载，采用塔墩梁固结结构体系。本桥跨度大，塔高较高，主跨对应的平曲线圆心角14.1 °，且线路位于纵坡上，主梁空间效应比较明显(图1)。

(a) 立面

(b) 主跨标准横断面

主梁采用单箱双室预应力混凝土箱形截面，桥面箱宽11.0m，材料为C55混凝土。桥面设2 %横坡，中跨箱梁中心最高点到底板梁高2.5m，边跨梁高3.0m，在靠近中支墩处设置9m长的梁高过渡段。中跨箱梁标准截面底板厚为30cm，顶板厚度为25～30cm，局部梁段加厚到60cm，边腹板厚度为105cm，中腹板厚度为30cm，局部梁段加厚到43cm。底板在4m范围内上抬1.39m以减小风阻力。为增强主梁抗扭特性，拉索处设整体式横隔板，隔板厚度为0.5m。主塔下塔柱与塔墩梁固结。

2 分析模型

曲线梁斜拉桥主梁在恒载作用下产生的扭转可通过调节内外侧斜拉索的张拉力达到平衡，列车活载作用下的主梁扭转效应则由主梁和拉索共同承担。主梁截面在曲线内外侧的受力会有较大的差别，梁端内外侧支座的支反力也会有明显的不对称现象。同时曲线外侧拉索的索力会明显大于曲线内侧的索力，不对称的索力亦会引起桥塔受力的不对称性。本文主要针对曲线空间效应对主梁截面正应力的影响做了计算分析研究。

纵向全桥分析采用MidasCivil建立空间杆系模型进行分析，在此基础上还建立实体-杆系有限元混合模型进行分析，全桥主梁和塔梁固结部位采用实体单元，拉索和桥塔其它部分及塔座采用杆单元建模，预应力钢束采用嵌入式钢筋单元进行模拟，此单元可以考虑预应力的摩擦损失、钢筋回缩损失、弹性变形损失以及收缩徐变损失。模型共计415 415个单元，174 181个节点(图2)。

图2 全桥“实体-杆系”混合计算模型

3 分析结果

3.1 空间效应对主梁正应力的影响

在主梁横截面上取4个角点，其中1#、2#角点位于截面顶缘，3#、4#角点位于截面底缘。2#、3#点位于曲线外侧。选取如表1所示三种工况进行分析，提取各工况下梁单元模型和实体单元模型对应位置处的正应力结果，对比分析空间效应对主梁截面不同位置正应力的影响。

表1 计算分析工况汇总

3.2 工况1计算结果

成桥恒载工况下，各点应力计算结果见图3，应力值为负表示压应力，下文相同。

(a)顶缘应力

(b)底缘应力图3 工况1应力计算结果对比(单位：MPa)

从图3可知，恒载作用下跨中梁段截面顶底板均处于受压状态，与梁单元模型计算结果一致；计算得混合模型中1#、2#点的压应力大于梁单元模型，最大差值为2.46MPa，发生在距桥塔108m处；混合模型中3#、4#点计算压应力结果普遍小于梁单元模型计算结果，最大差值为4.84MPa，发生在距桥塔130m处。对于同一截面的曲线内外侧，应力值结果存在着差异，曲线内侧压应力大于曲线外侧，混合模型计算结果表明，顶板在曲线内外侧最大应力差为1.23MPa，底板在曲线内外侧最大应力差为2.48MPa，杆系模型计算结果同样遵循该趋势。受塔梁固结和中支墩处梁截面加高两个因素的影响，主梁在塔梁结合部和中支墩处扭转变形减小，曲线内外侧应力差值变小，而在跨中斜拉索区段，弯—扭耦合的空间变形增大，曲线内外侧的应力计算结果即出现较大差异。

3.3 工况2计算结果

主跨跨中最大正弯矩工况作用下，各点应力计算结果如图4所示。

(a)顶缘应力

(b)底缘应力图4 工况2 应力计算结果对比(单位：MPa)

从图4可知，主跨跨中最大正弯矩工况下跨中梁段截面顶底板均处于受压状态，与梁单元模型计算结果一致；计算得混合模型中1#、2#点的压应力大于梁单元模型，最大差值为2.95MPa，发生在距桥塔97m处；混合模型中3#、4#点计算压应力结果普遍小于梁单元模型计算结果，最大差值为3.13MPa，发生在距桥塔109m处。对于同一截面的曲线内外侧，应力值结果存在着差异，曲线内侧压应力大于曲线外侧，混合模型计算结果表明，顶板在曲线内外侧最大应力差为1.05MPa，底板在曲线内外侧最大应力差为1.37MPa，杆系模型计算结果同样遵循该趋势。

3.4 工况3计算结果

塔梁固结处最大负弯矩工况作用下，各点应力计算结果如图5所示。

(a)顶缘应力

(b)底缘应力图5 工况3 应力计算结果对比(单位：MPa)

从图5可知，塔梁固结处最大负弯矩工况下跨中梁段截面顶底板均处于受压状态，与梁单元模型计算结果一致；计算得混合模型中1#、2#点的压应力大于梁单元模型，最大差值为4.75MPa，发生在距桥塔130m处；混合模型中3#、4#点计算压应力结果普遍小于梁单元模型计算结果，最大差值为3.9MPa，发生在距桥塔109m处。对于同一截面的曲线内外侧，应力值结果存在着差异，曲线内侧压应力大于曲线外侧，混合模型计算结果表明，顶板在曲线内外侧最大应力差为1.98MPa，底板在曲线内外侧最大应力差为1.96MPa，杆系模型计算结果同样遵循该趋势。

4 结论

(1)两种模型中位于曲线外侧的截面角点压应力均要小于截面内侧角点压应力，且混合模型计算结果中的差值更大，证明杆系-实体混合模型计算中主梁空间效应更加明显，对有些桥梁结构来说进行混合模型的分析是有必要的。

(2)对于同一截面的曲线内外侧，应力值结果存在着差异，曲线内侧压应力大于曲线外侧，符合曲线梁受力特性。受塔梁固结和中支墩处梁截面加高两个因素的影响，主梁在塔梁结合部和中支墩处扭转变形减小，曲线内外侧应力差值变小，而在跨中斜拉索区段，主梁弹性支承于斜拉索上，弯—扭耦合的空间变形增大，曲线内外侧的应力计算结果即出现较大差异。

(3)对于曲线主梁斜拉桥，设计时应充分考虑主梁空间效应对梁体应力状态的影响，在梁单元模型分析的基础上，对于应力较大部位，应进行局部应力分析，以保证设计安全。