大跨度独塔自锚式悬索桥桥面结构形式的对比研究

周德，张羽龙，黄方林，王宁波，弗威

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

对于大跨度悬索桥，常用桥面结构形式有钢−混凝土组合梁、钢-UHPC组合梁和正交异形钢桥面板等。钢−混凝土组合梁充分发挥了钢受拉、混凝土受压的特点[1-2]。钢-UHPC组合梁不仅能减轻桥梁自重且能提高结构抗裂性能[3]。正交异性钢桥面板具有自重轻、强度高、适用范围广等优点[4-5]，但易发生疲劳，产生裂纹[6]。许多学者对上述3种桥面结构形式进行了研究。叶梅新等[7]借助有限元软件，对混凝土桥面板与纵横梁之间的结合方式进行了研究。傅晨曦等[8]对纵、横梁式和密布横梁式桥面体系的受力性能进行了研究。胡少伟等[9]研究了一种新的宽翼缘双箱型钢−混凝土组合梁结构。李政圜等[10]采用有限元分析和试验相结合方法，对钢−混凝土组合梁桥面进行研究。针对正交异性钢桥面板疲劳裂纹问题，吴鹏均等[11]采用多尺度建模法将SPS正交异性桥面板应用于自锚式悬索桥，并进行了研究。罗如登等[12]提出了一种大纵肋-PBL剪力键组合桥面板，通过增加纵肋的尺寸，减少其数量，提高桥面板局部刚度，从而达到改善静力和抗疲劳性能。刘扬等[13]系统归纳了钢-UHPC组合结构的受力性能，分析其在大跨度桥梁的应用前景，并探讨了该结构在设计理论、规范体系及应用领域的研究趋势等。朱平等[14]在Gjels‐vik位移函数与修正的翘曲位移函数基础上，建立了能同时考虑界面滑移和剪力滞效应的钢-UHPC组合梁模型，对矮肋板作为桥面体系的新型组合梁剪力滞效应进行了研究。周昌栋等[15]系统研究了不同温度条件下铺装层对钢桥面板疲劳性能的影响，得到ERS铺装层能显著降低疲劳易损部位的应力幅值等。然而，众多学者对桥面结构形式的研究虽多，但专门针对大跨度独塔自锚式悬索桥桥面结构形式的研究偏少，更缺乏对比性研究。本文以杭州九乔路主跨2×150 m独塔自锚式悬索桥为工程背景，设计并对比桥面结构分别采用钢-混凝土组合梁、钢-UHPC组合梁和正交异性钢桥面板3种方案下桥梁的受力性能，对桥面铺装分别采用沥青混凝土和ECO改性聚氨酯混凝土2种方案进行探讨，以期为同类型桥梁设计和建造提供参考。

1 工程概况

九乔路独塔自锚式悬索桥全长368.4 m，主跨布置为2×150 m，桥面宽40 m，采用半漂浮体系。缆索为双跨双索面线形，理论跨径140.635 m，矢跨比为1/12。索塔高67.0 m，采用异型双柱式钢筋混凝土箱型结构，壁厚1.2 m。索塔基础采用矩形承台，长×宽×高为25.6 m×15.6 m×6.0 m。全桥设15对吊索，吊索顺桥向标准间距为8 m，均采用高强度镀锌平行钢丝。索塔、过渡墩及桥台处各设置一个纵桥向单向活动支座和一个双向活动支座，索塔处设置纵向阻尼器及横向抗风支座，过渡墩处设置横向限位装置。

2 桥面结构及桥面铺装方案

针对九乔路大桥，在既有设计基础上，根据造价基本相同原则，保持加劲梁造价在8 000万左右，设计并对比分析如下3种桥面结构方案：1)钢−混凝土组合梁；2)钢-UHPC组合梁；3)正交异性钢桥面板。3种方案典型断面如图2所示。同时，对桥面铺装采用常用的沥青混凝土和近年兴起的ECO改性聚氨酯混凝土也进行了对比分析。ECO改性聚氨酯混凝土铺装通常浇筑在钢板上，桥面铺装对比研究以正交异性钢桥面板为依托。

图2 3种桥面结构方案典型断面Fig.2 Cross-sectional view of the three bridge deck structures

3 有限元仿真模型

采用有限元分析软件Midas Civil 2019建立九乔路自锚式悬索桥空间仿真模型。建模时，索塔和加劲梁均采用梁单元模拟，缆索、吊索均采用只受拉索单元模拟，混凝土板和钢板采用空间板单元模拟，通过调整缆索和吊索力确定合理成桥状态。边界条件按实际情况施加。全桥空间有限元仿真模型如图3所示。

图3 九乔路大桥有限元模型Fig.3 Finite element model of Jiuqiao road bridge

材料参数取值如表1所示。

表1 材料参数Table 1 Material parameter

4 3种桥面结构方案受力性能及耐久性对比

4.1 挠度

挠度是衡量桥梁刚度的重要参数。图4和图5分别为3种桥面结构方案下活载引起的加劲梁和缆索竖向挠曲线对比，图中挠度以向上为正，向下为负。可见：活载作用下，3种桥面结构方案加劲梁竖向挠度分布规律基本一致；其中，钢−混凝土组合梁方案加劲梁竖向挠度最小，为−164.9 mm，钢-UHPC组合梁方案的次之，为−179.7 mm，正交异性钢桥面板的最大，达−199.5 mm；3种桥面结构方案的桥梁竖向刚度均满足要求[16]。这表明：与采用钢-混凝土组合梁方案相比，采用钢-UHPC组合梁和正交异性钢桥面板方案时，桥梁竖向刚度分别降低约9.0%和21.0%。缆索竖向挠值略小于对应位置处加劲梁竖向挠度，但分布规律基本一致。

图4 加劲梁竖向挠曲线对比Fig.4 Comparison of the main beam deflection

图5 缆索竖向挠曲线对比Fig.5 Comparison of the cable deflection

4.2 成桥索力

缆索是自锚式悬索桥重要承重构件之一，索力大小能直观反映桥梁的受力状态。3种方案缆索索力在活载作用时相差不大，其差异主要由恒载引起，即反映在成桥索力上。

图6为成桥状态时3种桥面结构方案缆索索力对比。可见：3种桥面结构方案的缆索成桥索力分布规律具有一致性，均为从索塔向锚固区方向逐渐变小；其中，钢−混凝土组合梁方案的成桥索力最大，为71.4 MN，钢-UHPC组合梁的次之，为61.9 MN，正交异性钢桥面板的最小，为50.5 MN；考虑缆索抗拉强度标准值后，其安全系数分别为3.13，3.60和4.42。这表明：与采用钢-混凝土组合梁方案相比，采用钢-UHPC组合梁和正交异性钢桥面板方案时，缆索安全系数分别提高约15.0%和41.2%。

图6 成桥状态时缆索索力对比Fig.6 Comparison of the cable force

图7为成桥状态时3种桥面结构方案吊索索力对比。可见：3种桥面结构方案吊索成桥索力分布规律均为靠索塔处较大而其他区域较为均匀。其中，钢−混凝土组合梁、钢-UHPC组合梁和正交异性钢桥面板3种方案下吊索成桥索力最大分别为3.76，3.41和2.96 MN，安全系数分别为3.76，4.15和4.79，该结果与缆索成桥索力结果具有一致性和相关性。

图7 成桥状态时吊索索力对比Fig.7 Comparison of the sling force

4.3 应力

桥面结构的应力水平是考查其适用性及优越性的重要指标，尤其是成桥状态时的应力水平。图8和图9分别为成桥状态时3种桥面结构方案的索塔和加劲梁应力对比，应力汇总见表2。应力以受拉为正，受压为负。可见：成桥状态时，3种桥面结构方案的索塔和加劲梁基本保持受压，最大压应力分别不超过9.65 MPa和180.3 MPa，强度满足要求，3种桥面结构形式均适用于大跨度独塔自锚式悬索桥；与采用钢−混凝土组合梁方案相比，采用钢-UHPC组合梁和正交异性钢桥面板方案时，索塔应力分别减少约11.7%和35.0%，加劲梁应力分别减少约2.4%和30.1%。

表2 3种桥面结构方案下最大应力对比Table 2 Comparison of the max stress

图8 成桥状态时索塔应力对比Fig.8 Stress comparison of the tower

图9 成桥状态时加劲梁应力对比Fig.9 Stress comparison of the stress of the deck structure

4.4 耐久性

通过查阅相关资料及文献[17]，在施工及养护均得当情况下，钢-UHPC组合梁耐久性最优，钢−混组合梁次之，正交异性钢桥面板容易疲劳产生裂缝耐久性最差。

5 2种铺装层方案受力性能对比

以正交异性钢桥面板结构模型为依托，对桥面铺装分别采用沥青混凝土和ECO改性聚氨酯混凝土进行研究。2种桥面铺装材料特性参数如表3所示，其中，ECO改性聚氨酯混凝土是由20 mm ECO+50 mm厚SMA组合而成。模拟铺装层的板单元和底下钢板之间通过约束进行耦合。

表3 不同铺装层结构特性Table 3 Structural characteristics of different paving layers

图10和图11分别为2种桥面铺装方案对应的缆索和吊索成桥索力对比。可见：2种桥面铺装方案的成桥索力分布规律具有一致性；与沥青混凝土铺装方案相比，ECO改性聚氨酯桥面铺装方案的缆索索力由47.1 MN减少到45.8 MN，吊索索力由2.84 MN减少到2.72 MN；考虑抗拉强度标准值后，缆索安全系数由4.74增加到4.87，吊索安全系数由5.00增加到5.21。这表明：与采用沥青混凝土铺装层相比，采用ECO改性聚氨酯铺装层的缆索和吊索安全系数分别提高约2.74%和4.20%。

图1 九桥路大桥总体布置图Fig.1 Overall layout of Jiuqiao road bridge

图10 成桥状态时缆索索力对比Fig.10 Comparison of the cable force

图11 成桥状态时吊索索力对比Fig.11 Comparison of the sling force

图12和图13分别为成桥状态时2种铺装层方案下索塔和加劲梁应力对比，应力汇总见表4。可见：成桥状态时，2种铺装层方案的索塔和加劲梁基本保持受压，最大压应力分别为7.01 MPa和137.0 MPa，强度满足要求，表明2种铺装层方案均适用于大跨度独塔自锚式悬索桥；与采用沥青混凝土铺装层方案相比，采用ECO改性聚氨酯混凝土方案时，索塔、加劲梁应力分别减少约1.19%和0.74%。

表4 不同桥面结构下最大应力对比Table 4 Comparison of the max stress

图12 成桥状态时索塔应力对比Fig.12 Stress comparison of the tower

图13 成桥状态时加劲梁应力对比Fig.13 Stress comparison of the stress of the deck structure

6 结论

1)3种桥面结构均适用于九乔路独塔自锚式悬索桥，桥面结构形式对桥梁受力状态影响较大。与采用钢−混凝土组合梁方案相比，采用钢-UHPC组合梁和正交异性钢桥面板时，桥梁竖向刚度分别降低9.0%和21.0%，缆索安全系数分别提高15.0%和41.2%，索塔应力分别减少11.7%和35.0%，加劲梁应力分别减少2.4%和30.1%。

2)3种桥面结构在受力性能上各具特点。钢−混凝土组合梁方案桥梁刚度最大，但结构强度储备相对偏弱；正交异性钢桥面板方案桥梁刚度虽小，但结构强度储备有优势；钢-UHPC组合梁方案介于两者之间。

3)2种桥面铺装层均适用于九乔路独塔自锚式悬索桥，但桥面铺装层对桥梁受力状态影响有限。与沥青混凝土铺装层相比，采用ECO改性聚氨酯混凝土铺装层时，缆索、吊索安全系数分别提高2.74%和4.20%，索塔、加劲梁应力分别减少1.19%和0.74%。