某矮塔斜拉桥整体计算分析研究

谢 银

（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥230088）

1 桥梁总体设计

主桥长395m，为（105+185+105）m矮塔斜拉桥，刚构体系，上部结构主梁为单箱三室大悬臂悬浇预应力混凝土连续箱梁，箱梁支点梁高7.0m，跨中梁高3.5m，顶面宽度25.5m，支点底面宽度10m；中腹板厚度50cm，边腹板厚度由跨中向支点按50cm、60cm、70cm变化；中箱室顶板厚70cm，边箱室顶板厚28cm；跨中底板厚32cm，支点底板厚130cm；主塔为矩形塔，塔柱计算高度31m，顺桥向长5m，横桥向宽度2.5m；每塔设置8对斜拉索，拉索横桥向双排布置，双排间距0.8m，梁上索距8.0m，塔上索距1.0m；下部结构主墩为双肢薄壁墩，双肢中心间距6.0m，墩壁横桥向宽度10m，壁厚1.6m。

整体计算模型全桥共划分为302个单元，主梁、主塔、主墩用梁单元模拟，拉索用索单元模拟，计算模型如图1所示。

图1 主桥计算模型

2 计算荷载

2.1 恒载

含主体结构自重、横隔板、桥面铺装、护栏等，混凝土容重按26.5kN/m3计算。

2.2 活载

公路—I级，按双向4车道计算；人非荷载，按城市桥梁荷载标准取值。

2.3 整体升、降温

温热地区混凝土桥最高温度取34℃，最低温度取-3℃，合龙温度按15℃考虑，升温温差取最高温度与合龙温度差值19℃，降温温差取合龙温度与最低温度差值18℃。

2.4 梯度温度

升温梯度顶板温度按14℃考虑，距顶板100mm位置处温度按5.5℃考虑，距顶板400mm位置处温度按0℃考虑；竖向日照反温差取日照正温差乘以-0.5。

2.5 桥墩变位

取过渡墩、主墩各发生2cm变位的最不利组合。

2.6 施工挂篮

最大悬浇节段重量3749.2kN，取施工挂篮重量1500kN。

3 计算结果

3.1 正常使用极限状态主梁抗裂检算

正截面抗裂验算应对构件正截面混凝土的主拉应力进行验算，全预应力混凝土构件，在作用(或荷载)短期效应组合下，对于分段浇注构件应符合下列要求：σst-0.80σpc≤0。

图2表明正常使用极限状态短期效应组合下主梁上、下缘均不出现拉应力，正截面抗裂验算满足规范要求。

图2 正常使用极限状态短期效应组合主梁最小应力图(单位：MPa)

斜截面抗裂应对构件斜截面混凝土的主拉应力进行验算，全预应力混凝土构件，在作用(或荷载)短期效应组合下，对于现场浇注构件需满足以下要求：σtp≤0.40ftk。

图3 正常使用极限状态短期效应组合主梁主拉应力图(单位：MPa)

图3表明正常使用极限状态短期效应组合下，主梁截面主拉应力较小，最大主拉应力发生在主墩位置处，为0.86MPa，满足允许值1.10MPa的要求。

3.2 正常使用极限状态主梁正截面压应力检算

使用阶段预应力混凝土受弯构件正截面混凝土的压应力应符合下列要求：σkc+σpt≤0.5fck。

图4 正常使用极限状态主梁最大压应力图(单位：MPa)

图4表明正常使用极限状态标准组合下，主梁上缘最大压应力16.48MPa，下缘最大压应10.57MPa，均满足允许值17.8MPa的要求。

3.3 正常使用极限状态主梁斜截面主压应力检算

预应力混凝土受弯构件由作用(或荷载)标准值和预加力产生的混凝土主压应力应符合下列规定：

图5 正常使用极限状态主梁主压应力图(单位：MPa)

图5表明正常使用极限状态主梁最大主压应力16.6MPa，满足允许值21.3MPa的要求。

3.4 短暂状况构件应力检算

桥梁构件按短暂状况设计时，应计算其在制作、运输及安装等施工阶段，由自重、施工荷载等引起的正截面应力不应超过规范允许值，预应力混凝土受弯构件，在预应力和构件自重等施工荷载作用下截面边缘混凝土的法向应力应符合下列规定：

图6、图7表明最大悬臂阶段主梁上缘最大应力11.0MPa，下缘最大应力10.5MPa；成桥阶段主梁上缘最大应力11.4MPa，下缘最大应力11.2MPa，均满足允许最大值19.9MPa的要求。

3.5 正常使用极限状态主梁挠度检算

图6 最大悬臂阶段主梁应力图(单位：MPa)

图7 成桥阶段主梁应力图(单位：MPa)

本桥短期效应组合下主梁最大竖向位移为16.1cm，结构自重产生的竖向位移为13.3cm，挠度长期增长系数ηθ=1.4，因此，主梁挠度值为：1.4×（16.1-13.3）=3.9cm＜1/600×185=30.8cm

3.6 主墩正常使用极限状态抗裂检算

本桥为I类环境，裂缝允许值为0.20mm；为取得较合理的主墩构造，对比分析了主墩裂缝在不同墩高、壁厚、墩间距情况下的裂缝值（见表1、表2、表3）。

主墩裂缝与墩高关系表 表1

主墩裂缝与墩高关系表 表2

墩裂缝与墩间距关系表 表3

图8 墩高23m壁厚1.6m间距6m时正常使用极限状态短期效应组合主墩裂缝宽度图(单位：mm)

如图8所示，正常使用极限状态短期效应组合并考虑长期效应影响后，主墩上、下缘最大裂缝宽度均为0.091mm，满足最大裂缝宽度0.20mm限值的要求。

3.7 正常使用极限状态拉索索力检算

图9 正常使用极限状态拉索索力图(单位：kN)

正常使用极限状态拉索最大轴力为13219kN，最小轴力为9118kN。

4 结语

通过以上验算内容可知，主梁在正常使用极限状态下及短暂状态下的应力、变形均满足规范要求。

双肢薄壁墩的裂缝宽度受墩高影响最为显著，壁厚次之，肢距对裂缝宽度基本没有影响。

部分斜拉桥因为其景观效果好、结构受力合理、跨径布置灵活、施工简便、经济性好等诸多优点，越来越受到青睐。本文所设计计算的（105+185+105）m部分斜拉桥可为以后相似工程提供设计参考。