公路两用斜拉桥钢混组合梁与钢桁梁对比分析

付强　迟东彪

摘要：在山区大跨径斜拉桥主梁方案设计中，钢结构加劲梁主要考虑钢桁梁及钢混组合梁。已建成的满足两种及两种以上交通功能的斜拉桥，主梁形式多采用钢桁梁，以公铁合建桥为主。文章以某山区主跨为480 m的公路斜拉桥为工程背景，针对单层钢混组合梁及双层钢桁梁方案，从力学性能、施工方案、经济性等方面进行对比分析，提出一种适合多功能山区公路的斜拉桥设计方案，可为今后同类桥梁建设提供参考。

关键词：斜拉桥;钢桁梁;钢混组合梁;对比分析

中国分类号：U443.33文章标识码：A311204

0 引言

近些年来，公路结合梁斜拉桥技术在国内外应用广泛，在设计和施工方面均积累了丰富的经验。目前已建成通车的最大跨径结合梁斜拉桥主跨达到638 m（安徽望东长江大桥），在建的湖北赤壁长江大桥跨径达到720 m。由于其钢结构在工厂制作，现场吊装拼接方便，节省结构用钢量，具有良好的桥面铺装性能，后期养护费用低，也是极具竞争力的主梁形式。本文以宜来高速公路项目中的柴埠溪特大桥为例，从主梁刚度、稳定性、施工方案、工程量及经济性等方面对两种主梁方案进行对比分析。

1 工程概述

柴埠溪特大桥主桥为（68+144+480+144+68）m双塔双索面钢混组合梁斜拉桥，半漂浮体系。桥型布置如图1所示。主桥主梁采用组合梁，组合梁全宽38.9 m，中心断面全高3.56 m，双工字钢纵梁肋间距为38.0 m，梁高3.0 m，组合梁主体结构采用Q420qE。桥面板设2%和1.13%双向横坡。全桥共划分79个组合梁梁段，组合梁标准梁段长12.0 m，边跨处梁段长8 m。主塔采用H形桥塔，钢筋混凝土结构。宜都侧承台以上塔高215.0 m，来凤侧承台以上塔高170.0 m。斜拉索采用平行双索面扇形布置，斜拉索的锚固为在塔端设置张拉端，梁端为锚固端。梁上索距与主梁节段长度一致，为8 m或12 m，全桥共设4×18对斜拉索。

目前国内同一座桥实现多种交通功能的斜拉桥多采用双层桥面布置，特别是公铁两用桥梁，其主梁均为钢桁梁。本文研究桥梁为高速公路与地方道路合建桥，桥梁断面布置可采用双层布置的钢桁梁方案或单层布置的钢混组合梁方案。如图2、表1所示。

考虑到高速公路断面为四车道断面，与省道两车道断面相差较大，钢桁梁方案可采用两片直主桁外设副桁断面方案。桁式采用“N”形桁，桁高8.5 m，节间距12 m，主桁横向中心距为14 m，主桁节点处两侧设倾斜副桁，副桁上弦横向中心距为27.5 m，上端连接副桁节点，下端连接下弦节点。斜拉索布置在上层桥面副桁上弦杆上，中心距为27.5 m，主梁横断面布置如图3所示。

借鉴国内山区斜拉桥设计及建造经验，本文通过建立有限元模型，对两种不同的加劲梁形式进行受力性能分析。

2 有限元模型

采用土木结构分析软件Midas Civil 2019对全桥运营状态计算分析。全桥采用三维梁单元模拟索塔、桥墩、主梁，桥面板采用板单元模拟，采用桁架单元模拟斜拉索。边界条件如下：辅助墩、过渡墩、塔梁交界处为竖向、横向约束;塔下横向抗风支座用只受压弹性约束模拟;塔墩底按照固结模拟。如图4、图5所示。

3 对比分析

3.1 荷载效应对比

两个主梁方案考虑的荷载效应主要有恒载及可变荷载两部分，恒载包括结构重力、支座沉降、预加力、收缩徐变等，可变荷载包括汽车、制动力、温度荷载和交通风荷载，偶然荷载包括百年一遇风荷载。根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）的规定，对荷载进行荷载组合。

钢混组合梁方案成桥状态主梁最大压应力为149.5 MPa，最大拉应力为31.9 MPa。附加组合包络主梁最大压应力为270.4 MPa，最大拉应力为81.1 MPa。钢桁梁方案成桥状态主梁最大压应力为133.4 MPa，最大拉应力为58.8  MPa。附加组合包络主梁最大压应力为294.1 MPa，最大拉应力为190.1 MPa。

成桥状态下，组合梁的斜拉索恒载索力普遍大于钢桁梁斜拉索恒载索力;对比两者斜拉索的活载应力幅，组合梁方案更具优势。对比图如图6、图7所示。

通过计算分析得出：

（1）运营阶段钢桁梁方案的最大压应力较组合梁方案低8.8%左右，而最大拉应力则相差较大。两个方案均能很好地满足设计要求。

（2）两个方案的斜拉索索力均按索长由短到长逐渐递增。对比钢桁梁，由于钢混组合梁梁端加厚了混凝土桥面板，造成尾索索力较大。对比一个主梁节段重量，钢混组合梁较钢桁梁方案重约80%，钢混组合梁方案整体索力均较大，对应斜拉索的型号也较大。

3.2 刚度对比

结构的变形是结构刚度最直观的体现，经过对比分析，分别计算了两个方案在活载、风荷载作用下的位移值。计算结果详见表2。

（1）汽车荷载作用下主梁最大竖向挠度和为：fmax=0.529/0.397 m

（2）在百年一遇纵风作用下，两种方案主塔位移量相差不大。百年一遇横风作用下，由于钢桁梁受风荷载影响较大，主梁的横向位移较钢混组合梁方案略大。计算结果表明索塔和主梁横向刚度强，能满足结构稳定性要求。

3.3 稳定性对比

大跨度斜拉桥主梁和索塔都是压弯构件，索塔较高而主梁较轻，稳定性问题尤为突出。本文主要对比施工阶段及成桥阶段的稳定性。对施工階段而言，最大悬臂状态的稳定性对整个施工阶段起着控制性的作用，本阶段主要考虑的荷载有自重、初拉力及施工荷载。成桥阶段需考虑自重、成桥索力及二期铺装对稳定性的影响。

第一类稳定问题的分析一般采用有限元方法，解得临界荷载系数即第一类稳定系数。两种方案的稳定系数见表3。

由表可知，两种方案成桥状态及施工阶段结构体系第一类稳定安全系数均>4，结构稳定性满足规范要求。

3.4 施工方案对比

钢桁梁方案主梁可采用工厂加工桁架杆件、现场拼装，再采用双悬臂悬拼的施工方案。该方案优点是“化整为零”“散件运输”，可较好地适应山区比较复杂的运输条件;但其对现场拼装的技术要求较高，质量不易保证，且施工工期较长。钢混组合梁方案单个节段可在工厂加工，现场简单拼装后采用双悬臂悬拼。该方案现场拼装质量易于保证，缺点是单个节段体积较大，对运输条件有一定要求。

两种方案索塔及基础施工方案相同。索塔塔柱采用爬模分段浇筑施工，泵送混凝土。基础采用钻（挖）孔灌注桩基础。

3.5 工程量及造价对比

桥梁设计的经济性对确定合理的桥梁方案、节省造价、提高经济效益和社会效益有着重要的作用。材料的用量是经济性的主要控制指标。对比两个方案，钢桁梁方案主梁用钢量大，约18 128 t;钢混组合梁方案主梁用钢量较省，约13 186 t。

主跨480 m不是钢桁梁斜拉桥的经济跨径，造价较高，主桥建安费约8.0亿元，经济性较差。钢混组合梁方案工程造价较低，主桥建安费约6.5亿元。在同等使用功能及应力指标下，钢混组合梁的经济性明显优于钢桁梁。

4 结语

斜拉桥主梁的设计是斜拉桥设计的关键。钢结构加劲梁形式主要有钢箱梁、钢桁梁及钢混组合梁，鉴于山区运输条件比较复杂，钢箱梁运输不便，不具备整体吊装条件。本文主要对钢桁梁及钢混组合梁两种主梁方案进行对比分析。分析结果可知，在刚度、工程量及造价方面，钢混组合梁方案均优于钢桁梁方案。对于山区大跨径斜拉桥设计而言，钢混组合梁方案因其钢结构为工厂制作，现场吊装拼接方便，结构用钢量少，具有良好的桥面铺装性能，后期养护费用低，是一种理想的主梁方案选择。

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