某独塔双索面混合梁斜拉桥的静力性能分析

廖宇芳 于孟生

摘要：文章以某座独塔混合梁斜拉桥为研究背景，采用Midas Cival软件建立有限元分析模型，分析总结了全桥静力性能。结果表明：（1）荷载组合效应下，桥梁主梁轴力和弯矩响应大于剪力响应，弯矩分布均匀比轴力响应稍小;（2）钢箱梁侧主跨跨中斜拉索的应力变化大于主跨两端斜拉索应力变化，最大变化量为90 MPa;（3）混凝土侧斜拉索索力变化比较均匀，最小、最大变化量分别为15 MPa、34 MPa。

关键词：桥梁工程;独塔斜拉桥;有限元;静力性能

0 引言

独塔混合梁斜拉桥，具有上部结构的基本受力特征，其主梁由钢箱梁和混凝土梁组成，通过钢箱梁与混凝土结合段共同受力。就下部结构而言，通常需要设置辅助墩以提升混凝土梁的跨越能力。通过采用钢箱梁与混凝土组合形式不仅改善了结构受力形式，而且提升了其服役性能，具有广泛的应用前景。

为了保证桥梁成桥受力安全，给设计者提供合理的结构选择，本文以某独塔斜拉桥为研究对象构建了Midas Cival有限元模型，利用此模型考虑在成桥恒载、活载、荷载组合作用下对独塔斜拉桥结构进行了有限元静力分析，分析了独塔混合梁斜拉桥的主梁及一些结合部位区域在不同荷载工况下的受力状态，总结了该特大桥的静力性能。

1 工程概况

某特大桥为独塔双索面混合梁斜拉桥，主梁由混凝土梁和钢箱梁组成，采用塔、梁、墩固结体系，桥梁孔跨布置为（36+265+55+68+65）m，桥梁全长为489 m。本桥在边跨位置设置两个辅助墩以提升跨越水平，另设置一个辅助跨以解决独塔斜拉桥主跨梁端转角超限问题。本桥梁立面布置如图1所示。

本桥中钢箱梁为分离式扁平钢箱梁，混凝土梁为分离式PC箱形梁，箱体之间由密布PC横梁连接，横梁间距为3.2 m。在主跨段设置钢箱梁与混凝土箱梁结合段，钢箱梁与混凝土箱梁结合面距索塔中心位置19 m。

2 桥梁结构分析计算

2.1 有限元计算模型

本文特大桥中除与横梁相连接的箱梁外腹板采用Q345qD-Z25外，其余钢箱梁主体结构、钢锚箱、拼接板、人行道及风嘴等均采用主桥钢材即Q345qD，主梁和索塔以及封端均采用C55混凝土，钢箱梁与混凝土结合区域采用C55钢纤维增强自密实混凝土。斜拉索钢丝采用热镀锌钢丝，主梁、索塔与横梁中所采用的预应力钢束均为1 860 MPa低松弛钢绞线，直径为15.2 mm。各主要材料力学性能如表1所示。

根据设计材料参数，运用Midas Cival有限元软件建立全桥模型。在计算中，将主梁、主塔、斜拉索、墩柱等构件按实际尺寸、材料特性、连接方式进行模拟。全桥模型共有577个节点、454个单元，结构模型图如图2所示。在Midas Cival模型计算中，构件自重参照《铁路桥涵设计规范》（TB 1002-2017），预应力混凝土梁上和钢箱梁上二期恒载分别按180.4 kN/m和134.6 kN/m验算。基础不均匀沉降除DP3号墩按20 mm检算外，其余桥墩均按10 mm检算。

2.2 荷載组合效应计算分析

为研究桥梁在荷载组合效应下内力及应力特点，选取恒载（自重+预应力钢束+混凝土收缩与徐变，组合系数均为1）+活载（汽车荷载+列车荷载+人群荷载，组合系数均为1），分析桥梁各部分的受力特点及规律。

2.2.1 对内力的影响计算分析

荷载组合效应下桥梁的轴力、弯矩和剪力包络如图3～5所示，计算结果如表2所示。

从图3～5和表2分析可知，荷载组合效应下，主梁以受压和受弯为主，剪力比较小。钢箱梁侧的轴力要小于混凝土梁侧。钢箱梁侧的最大弯矩和剪力都出现在DP2支点截面处，最大值分别为：-1.53×105 kN·m、1.6×104 kN。整个0#块区域轴力最大值达到-5.1×105 kN，依然出现在塔梁固结处截面。

主塔上塔柱以轴力受压为主，最大值为-3.3×105 kN，出现在双塔柱交汇处截面。下塔柱特别是主塔塔底截面的弯矩和剪力响应较大，最大值分别为：6.01×105 kN·m、5.37×104 kN。钢混结合面最大弯矩为4.04×104 kN·m，最小弯矩为-1.7×104 kN·m。

综上总结得出，荷载组合效应下，桥梁主梁轴力和弯矩响应要比剪力响应大，弯矩分布较均匀且相对来说比轴力响应稍小一点，说明斜拉索给予了主梁足够的弹性支撑。主塔除了塔底截面主要受压，0#块范围内的内力响应较大。

2.2.2 对主梁应力的影响计算分析

荷载组合效应下，主梁包络如图6～9所示。

由图6～9分析结果可知，荷载组合效应下，钢箱梁上缘应力从DP2支点截面向DP3方向增大，在钢箱梁与钢混结合段连结处达到最大值，其值为-78.97 MPa，下缘最大应力为-97.6 MPa，低于《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025-86）中的规定（210 MPa），说明钢箱梁纵向应力储备充足。

混凝土梁全截面受压，这有利于发挥混凝土的材料性能，最大压应力出现在钢混结合段与混凝土梁相结处，其值为12.11 MPa，参照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）中的规定，说明混凝土梁纵向应力的储备较大。

2.2.3 对斜拉索应力的影响计算分析

从表3可知，在荷载组合效应下，钢箱梁侧主跨跨中斜拉索的应力变化要大于主跨两端斜拉索应力变化，应力最大变化量出现在P13，变化量为90 MPa，而最大应力出现在端锚索P23，其值为609 MPa;混凝土侧斜拉索索力变化较均匀，最小、最大变化量分别为15 MPa、37 MPa，应力最大值也发生在端锚索C23，其值为579 MPa。

2.3 宽幅箱梁横向应力

2.3.1 钢箱梁横向应力

由于桥面较宽（46.5 m），导致桥面横向应力较大，需对箱梁横向应力进行计算。现从钢箱梁中选取有斜拉索的标准梁段和无斜拉索的支点梁段分别进行计算，以分析整个钢箱梁横向应力情况。

对于有斜拉索的标准梁段，采用Midas Civil有限元软件建立钢箱梁板壳模型。模型选取了两个标准梁段，一共划分了10 364个单元和6 791个节点，在斜拉索锚固部位铰支。经分析，当汽车荷载以及人群荷载加满，列车荷载不加时，钢箱梁横向最不利，计算结果如图10所示。其最大横向应力74.5 MPa，出现在钢箱梁横隔板下缘。

同理，对于无斜拉索的支点梁段，模型选取了第一跨钢箱梁段，一共划分了26 131个单元和16 752个节点，在支座位置铰支。经分析，当汽车荷载以及人群荷载、列车荷载全满布时，钢箱梁横向最不利，计算分析如图11所示。其最大横向应力为66.7 MPa，出现在钢箱梁支座位置。

本文选取了具有普遍代表性的有斜拉索支点标准节段及无斜拉索支点的第一跨钢箱梁作了宽幅钢箱梁的横向应力计算分析。从计算结果可以看出，在最不利荷载效应下，钢箱梁的横向应力分布较均匀。当荷载引起钢箱梁横向变形时，横隔板和支点限制了钢箱梁的变形趋势，因而最大应力往往出现在横隔板和支点截面附近处，最大横向应力为74.5 MPa。

2.3.2 混凝土箱梁横向应力

对于混凝土箱梁的横向应力计算，选取箱梁跨中截面进行建模，取箱梁跨中截面的纵桥向12 m，一共划分了11 356个单元和13 025个节点。将边界条件设置为拉索锚固处铰支。本模型将箱梁横向钢束建模为桁架单元，如图12所示，将预应力张拉建模为单元温度下降（556.4 ℃）。由此可计算得到钢绞线张拉应力为：

σ=EαT=1.95×108×1.2×10-5×556.4=1 302 MPa

本文中预应力损失为初始张拉应力的20%，即在计算建模中将预应力荷载系数取为0.8，当汽车荷载以及人群荷载布满，列车荷载不加时，混凝土箱梁横向最不利。计算结果如图13所示。由图13可见混凝土箱梁横向应力分布较为均匀，除锚固段位置周围存在拉应力9.5 MPa，其他地方均不受拉，最大压应力为10 MPa，位于横隔板下缘处。

通过上述分析可知，由于本桥塔墩梁固结，因此在多種荷载作用下，塔梁固结处及主墩下塔柱的弯矩、剪力值较大。这也正是这种体系的独塔斜拉桥的一个弱点，但在有限的跨度下，其内力值是结构可以承受的。同时，这种体系具有足够的刚度，全桥在多种荷载作用下位移较小，且承载能力较强。主梁采用钢混组合梁，其刚度介于钢箱梁及混凝土梁之间，与混凝土梁相比，大大减小了自重，对下部结构设计及全桥的经济性都会产生积极影响。

3 结语

独塔斜拉桥在静荷载作用下的各项性能一直是桥梁工作者最关心的问题，它从很大程度上反映了桥梁结构的安全性、合理性及经济性。通过以上静力结构响应分析，可以得到这种独塔混合梁斜拉桥的受力特点：

（1）荷载组合效应下，桥梁主梁轴力和弯矩响应大于剪力响应，弯矩分布较均匀且相对来说比轴力响应稍小。

（2）钢箱梁侧主跨跨中斜拉索的应力变化大于主跨两端斜拉索应力变化，最大变化量为90 MPa;混凝土侧斜拉索索力变化比较均匀，最小、最大变化量分别为15 MPa、34 MPa。

（3）由于本桥桥面较宽（46.5 m），钢箱梁及混凝土梁横向应力较大，横向弯曲应力与纵向弯曲应力的大小基本在同一量级，因此在进行受力分析时一定要考虑横向弯曲应力对结构的不利影响。

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