异形独塔斜拉桥结构分析

摘要：随着经济的发展，桥梁美学日益得到社会各界的关注。兼顾外观造型与受力合理成为桥梁建设领域的新焦点。文章以某座主跨200 m钢塔独塔斜拉桥为工程背景，采用有限元分析软件建立相应的三维有限元模型，研究异形桥塔空间索面大跨度斜拉桥的受力特性。结果表明，在使用阶段桥塔与主梁的应力、变形及弹性稳定系数，均满足规范要求。

[作者简介]黎丁实（1990—），男，硕士，工程师，研究方向为桥梁工程及公路工程信息化技术。

近40年来，我国在大跨度桥梁建设领域取得了举世瞩目的成就。以斜拉桥为例，世界上跨度前10的桥梁，我国占有7座;世界上已建成的公铁两用斜拉桥跨径排名前8位均在我国，其中以沪通长江大桥最为著名，其主跨为1 092 m排名世界第一。这些成就代表着我国桥梁建设技术达到了一个全新的高度。斜拉桥是大跨度桥梁中一种主要的结构形式，这种桥型造型优美，线条流畅，并且结构为自锚式不需要额外的锚碇，在一定跨度范围内，斜拉橋与悬索桥相比刚度大、造价低，具有明显优势。

随着社会发展水平的不断提高，社会各界也对桥梁美学的要求也日渐提高，各种异形结构层出不穷。如何兼顾造型优美与结构安全，是摆在每一个桥梁工程师面前的难题。本文以某独塔空间索面钢箱斜拉桥为研究背景，采用有限元软件建立该桥的三维有限元模型，研究异形桥塔与空间索面的桥梁结构受力。

1 工程概况

独塔空间索面钢箱斜拉桥，位于城市主干路，设计行车速度50 km/h，该桥设计荷载为公路Ⅰ级、人群荷载2.5 kN/m2。采用单塔双索面斜拉桥，孔跨布置为2×200 m，主桥全长400 m。主桥拉索区设置桥面两侧，桥面宽度为38 m。主梁采用栓焊组合钢箱梁，箱梁全宽38 m，中心高4 m（内轮廓）。钢箱梁顶板厚16 mm，边箱底板、腹板厚16 mm。

斜拉索采用扇形布置，梁上索距的标准间距为12 m，塔上索间距为3 m。主塔采用钢混组合结构，主塔为空间曲线扭曲结构。桥面以上高度为77.16 m，桥面以下塔柱高度为28.34 m，塔柱横桥向宽度为4.5 m，塔柱顺桥向宽度为5～10.42 m，钢塔柱高度为100 m。主梁采用搭架吊装施工（图1、图2）。

2 有限元模型

采用有限元软件建立空间模型进行计算。钢箱主梁采用单主梁模式，采用空间梁单元模拟，整个主梁的刚度以及分布质量和质量惯矩都集中到轴线上，并通过两边伸出的刚臂与拉索相连;斜拉索采用弹性悬索单元，以鱼骨梁形式实现主梁节点与斜拉索节点之间刚性连接。拉索张拉模拟选体外力，以成桥索力作为目标索力，在施工阶段对索力进行调整。计算模型如图3所示。

3 受力分析

3.1 成桥状态受力分析

在主体结构完工后，全桥在成桥状态下主梁下缘在塔梁固结处有较大压应力，为133 MPa。收到主梁水平面内弯矩的影响，主梁截面左右两侧的点受力呈反对称分布（图4）。

3.2 使用阶段受力分析

考虑使用阶段荷载组合作用后，主梁最大轴力为-144 100 kN，而最大水平面内弯矩为370 713 kN·m，最大竖直面内弯矩为174 614 kN·m，其均位于主梁塔梁固结处。通过应力分析可知，主梁的大部分区段处于全截面受压状态。与上缘相比，主梁下缘应力较高，在塔梁固结处有最大压应力172.1 MPa（图5）。

钢桥面板不仅作为桥面系直接承受车轮荷载的作用，而且还作为主梁一部分参与主梁共同受力，其受力主要由主梁体系、桥面体系以及盖板体系（即第一、第二、第三体系）组成，盖板体系在桥面板的静力计算中可忽略不计。为分析主梁桥面体系应力，本节通过有限元软件建立钢箱主梁节段板壳模型，分析桥面体系在车轮荷载作用下的应力情况。按照城—A级车辆荷载对桥面板进行加载，轮压作用于相邻两横隔板正中时，钢梁顶板出现最大压应力，约为45 MPa。综合考虑主梁体系与桥面体系应力，钢梁顶板最大应力约为156 MPa（图6）。

考虑使用阶段荷载组合作用后，索塔塔底有最大轴力为99 774 kN，最大纵向桥弯矩36 3951 kN·m;索塔横桥向最大弯矩为78 117 kN·m，位于塔梁固结处;主塔截面在塔顶处有最大拉应力49.7 MPa，在塔底有最大压应力139.3 MPa。通过变形分析，主塔的纵向最大位移为7.8 cm（图7）。

斜拉索使用阶段标准值组合下，拉索内力单位为kN，应力单位为MPa，斜拉索最大应力为598 MPa（S15拉索），即最小安全系数为2.79，满足规范不小于2.5的要求;移动荷载作用下拉索应力变化介于-42.2～78.2 MPa之间（图8）。

3.3 弹性稳定分析

使用状态下，以结构自重、二期恒载及活载作为荷载变量，桥梁的第1阶弹性稳定系数为45.99，满足规范大于4.0的要求。桥梁的弹性稳定分析主要结果如下图所示。其中第1阶失稳形式为主塔产生横向偏移，主梁产生反对称变形（图9）。

通过以上分析可知，本桥在竣工与使用阶段，主体结构受力均有较高的安全富余。

4 结束语

本文通过有限元软件建立桥梁三维有限元模型，对大跨度异形钢塔空间曲面斜拉桥的进行了结构受力分析。计算结果表明，本桥的设计方案从结构受力及动力特性等方面均满足规范的要求。本桥在取得优美的外观造型的同时，也兼顾了结构受力的安全性，可为以后同类桥梁作借鉴。

参考文献

[1] 林元培， 中国桥梁的发展[J]. 科技导报， 2015. 33（22）： 1.

[2] 曾勇， 曾渝茼， 谭红梅， 等. 公轨两用大跨度单索面钢桁梁斜拉桥动力特性研究[J]. 中国铁道科学， 2020. 41（05）： 64-70.0BDB1778-9C48-40AF-B6C8-47DE25058242