沙尾左江特大桥主桥结构设计及受力分析

曾有凤　罗富元

摘要：沙尾左江特大桥主桥是主跨为360 m的中承式钢管混凝土提篮拱桥，为世界最大跨度的公路钢管混凝土提篮拱桥。文章介绍了该桥主桥主要构件设计要点，通过有限元软件程序，对主拱结构进行静力、动力及稳定性分析。计算结果表明：主桥结构强度、刚度、稳定及动力性能均较优。

关键词：沙尾左江特大桥;提篮拱桥;主桥结构设计;静力分析;动力分析

中国分类号：U442文献标识码：A

0 引言

近年来，钢管混凝土拱桥在我国的建设得到大力发展，已建及在建的有400余座[1]。钢管混凝土拱桥是以钢管和混凝土组成的组合结构为主拱肋，共同承受外荷载的一种桥型，主拱肋的主要受力特点是偏心受压，能充分发挥钢材和混凝土两种材料各自的优点。钢管混凝土拱桥因其受力性能的优越性和施工的便利性，使得该类桥型不断向更大跨径发展[2-3]。对于大跨径钢管混凝土拱桥，横向稳定问题往往是工程师关注的重要问题，合理倾角的提篮拱桥可有效提高横向稳定性[4-5]。本文以沙尾左江特大桥为例，介绍主桥主要结构设计要点、静力、动力及稳定性分析成果，为同类桥梁工程设计提供参考。

1 工程概况

沙尾左江特大桥是南宁南过境线（吴圩机场至隆安段）公路上的一座特大桥，桥位位于崇左市扶绥县龙头乡沙尾村东北方向约300 m处，跨越左江，是吴隆路上的重要控制性工程。桥位区地震基本烈度为7度，抗震设防烈度为8度。

沙尾左江大桥桥梁全长968.5 m，跨径布置为3×（3×40） m预应力混凝土小箱梁+1×360 m中承式钢管混凝土提篮拱+2×（3×40） m预应力混凝土小箱梁。主桥中心桩号为K23+182.454，采用中承式钢管混凝土提篮拱桥，计算跨径为340 m，主桥长为360 m，为世界最大跨度的公路钢管混凝土提篮拱桥。主拱提篮倾角为10°，以拱脚铰心连线为轴线向桥轴线方向内倾，拱脚铰心中心间距为38 m。主桥桥面标准横断面宽度为38.5 m，双向四车道，两侧分别设置2.5 m的人行道。下页图1、图2分别为主桥桥型总体布置图和主桥标准横断面图。

2 主桥结构设计

2.1 主拱肋结构

主拱肋计算跨径为340 m，主拱面内计算矢高为75 m，计算矢跨比为1/4.533。拱轴线采用悬链线，拱轴系数m=1.55，内倾角θ=10°。单片拱肋为变高度四管桁式结构，拱顶、拱脚截面径向高分别为7 m、12 m，肋宽3.2 m。每片拱肋由四肢管径1 200 mm的钢管混凝土弦管和管径720 mm的缀管、管径610 mm的竖向腹杆钢管组成。拱肋上弦管壁厚24 mm，下弦管从拱顶到拱脚壁厚依次为24 mm、28 mm、32 mm。主弦管钢材为Q345qC，其余钢管均为Q345C钢材，主弦管内灌注C60自密实补偿收缩混凝土。单根拱肋分16个节段加工制作及安装，节段最大吊装重量为138.4 t。

2.2 横撑结构

主拱肋横撑采用刚度较大、便于安装的X型横撑。全桥桥面以上上弦平面共设置12组横撑，下弦平面共设置10组横撑，均为900×18 mm钢管，横撑钢管材料为Q345C钢材。

2.3 吊索体系

吊索采用15.2 mm环氧喷涂钢绞线整束挤压成型吊索体系，全桥共24对吊索，张拉端锚固在主拱上弦上缘，锚固端锚固在主横梁的下翼缘。吊索纵向间距为12.4 m。

2.4 桥面系

桥面梁采用钢格子梁的钢-混凝土组合桥面板，桥面钢格子梁由两道主纵梁、五道次纵梁与吊索处的主横梁及三道次横梁组成。主横梁顺桥向设置与吊杆、拱上立柱、肋间横梁及交界墩相对应，除端横梁采用箱形截面外，其余均采用工字型截面。主横梁标准间距为12.4 m，次横梁标准间距为3.1 m;主横梁桥梁中心线处梁高2.2 m，顶板厚20 mm，底板厚30 mm、36 mm、42 mm;主纵梁采用工字形截面，底板厚30 mm，顶板厚20 mm;次横梁、次纵梁底板厚20 mm，顶板厚20 mm。钢-混凝土组合结构的桥面底面钢板厚度为10 mm，桥面板标准总厚度（不含钢底板）为14 cm，承托处的总厚度为24 cm。钢-混凝土组合桥面板的水泥混凝土采用C40钢纤维混凝土，钢纤维掺量为50 kg/m3。

2.5 拱座及基础

主墩基础为扩大基础，基底落在完整基岩上，采用明挖施工，现浇混凝土。主墩基础采用C30混凝土，拱座采用C40混凝土，封拱脚部分采用C50钢纤维混凝土，钢纤维掺量为50 kg/m3。两岸拱座均为分离式基础，平行桥轴线方向布置，基础横桥向宽度为12.7 m，纵桥向宽度为33 m，吴圩岸基础高13 m，隆安岸基础高8 m。

3 主桥结构静力分析

3.1 计算模型

主桥结构整体静力分析采用Midas Civil 2019软件建立三维有限元模型。主拱肋采用钢-混组合截面模拟，吊杆采用桁架单元模拟，拱肋、腹桿、横撑采用梁单元模拟，主梁采用梁单元与板单元组合模拟，封拱脚前拱脚边界条件为铰接，封拱脚后拱脚边界条件为刚接，其余梁底约束按实际支座布置情况模拟。全桥共5 824个节点，11 418个单元，根据施工过程共分15个施工阶段。图3为全桥空间结构计算模型示意图。

3.2 强度验算

3.2.1 承载能力极限状态验算

根据计算结果，对运营阶段主拱肋单管抗压承载能力和主梁应力进行验算。

（1）主弦管验算

主弦管主要截面的单管抗压承载能力验算结果如表1～2所示。计算结果表明，运营阶段基本组合下主拱最不利截面抗力为54 174 kN，最小安全系数为1.024，主拱肋上、下弦杆承载力均满足规范要求。

（2）主梁验算

对标准段主梁应力进行验算，结果如表3所示，表中数值考虑了结构重要性系数。从表3可以看出，主梁构件最大拉应力为234.3 MPa，最大压应力为248.6 MPa，均满足规范要求。

3.2.2 正常使用极限状态验算

频遇组合及准永久组合下，对主弦管钢材及管内混凝土进行正常使用极限状态验算。计算结果表明，主拱弦管钢材最大压应力为193 MPa，位于下弦管拱脚处;主拱弦管管内混凝土最大压应力为26 MPa，位于下弦管拱脚处。拱肋混凝土容许应力为36.2 MPa，主拱钢材的容许应力为295.0 MPa，皆大于拱肋构件实际应力，验算结果满足规范要求。

3.3 刚度验算

（1）主拱刚度

主拱最大竖向向上变形为28.381 mm，最大竖向向下变形为-37.319 mm，挠度合计65.70 mm，主拱容许竖向挠度为360 000/1 000=360.0 mm，主拱刚度满足要求。

（2）主梁刚度

主梁最大竖向向上变形为28.48 mm，最大竖向向下变形为-72.76 mm，挠度合计101.24 mm，主梁容许竖向挠度为360 000/800=450 mm，主梁刚度满足要求。

3.4 稳定验算

根据计算结果，运营阶段主桥的弹性稳定分析结果见表4，前四阶失稳模态见图4～7。从表4可以看出，主桥的稳定安全系数为8.314>4，结构整体静力稳定性能较好。

3.5 基础验算

拱座基础按嵌入完整中风化石灰岩或破碎石灰岩设计，根据主桥总体计算模型，将上部结构传递的反力施加到拱座及基础上，并考虑拱座及基础的自重与重心，对拱座基础的抗滑稳定性、抗倾覆稳定性和基底应力进行验算。

不考虑浮力时，最不利荷载工况，基底抗滑稳定系数为2.04，抗倾覆稳定系数为5.73，基底前趾、后趾均受压，最大压应力为993 kPa;考虑浮力时，最不利荷载工况，基底抗滑稳定系数为1.40，抗倾覆稳定系数为3.92，基底前趾、后趾均受压，最大压应力为774 kPa。计算结果表明，各项指标均满足规范要求。

4 主桥结构抗震设计

分析和认识桥梁结构的动力特性是进行桥梁结构抗震性能分析的基础和重要环节。如表5所示，列出了左江沙尾特大桥主桥主要振型及对应的周期和频率。由表5可知，桥梁结构的基本周期为13.40 s。限于篇幅，本文仅给出第1阶振型图，如图8所示。

由于全桥支座在顺桥向均采用活动支座，在地震作用下，主梁易产生纵飘，引起较大的顺桥向位移。为了有效减小主梁的纵向位移，主桥在交界墩位置设置了液压粘滞阻尼器。经分析选型，最终确定阻尼器的阻尼系数为1 000 kN/（m/s）0.3，设计行程为300 mm。

5 结语

本文介绍了沙尾左江大桥主桥主要构件设计要点，并基于有限元程序对主拱结构进行静力、动力及稳定性分析，计算结果表明：

（1）沙尾左江大桥主桥各构件的材料、尺寸设计满足强度要求。结构设计合理、可靠，能够为同类桥梁工程设计提供参考。

（2）主桥采用中承式钢管混凝土提篮拱桥，提篮倾角为10°，结构受力合理，主拱刚度安全系数为5.48，主梁刚度安全系数为4.44，结构刚度较大。

（3）主桥的稳定安全系数为8.314，结构整体稳定性能较好。

（4）地震作用下主梁易产生纵飘，引起较大的顺桥向位移。为此，在交界墩位置设置了液压粘滞阻尼器，通过阻尼器的减震耗能，减小主梁位移。

参考文献：

[1]陳宝春，韦建刚，周 俊，等.我国钢管混凝土拱桥应用现状与展望[J].土木工程学报，2017，50（6）：50-61.

[2]郑皆连.我国大跨径混凝土拱桥的发展新趋势[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2016，35（S1）：8-11.

[3]郑皆连，王建军，牟廷敏，等.700 m级钢管混凝土拱桥设计与建造可行性研究[J].中国工程科学，2014，16（8）：33-37.

[4]云 迪，刘 贺，张素梅.大跨中承式钢管混凝土拱桥的自振特性及稳定性[J].吉林大学学报（工学版），2013，40（1）：86-91.

[5]张 辉.中承式钢管混凝土拱桥的结构体系与力学性能研究[D].长沙：湖南大学，2007.