公路两用混合-组合梁斜拉桥结构体系分析

付 强，迟东彪

(中南勘察设计院集团有限公司，武汉 430070)

1 工程概述

混合-组合梁斜拉桥是近年来发展起来的一种新的结构形式，其主跨采用双边钢主梁[1]和预制桥面板相结合的组合梁形式，边跨部分梁段采用混凝土梁段[2],混凝土梁段可提高全桥刚度并有效消除边墩及辅助墩位置处产生的负反力。文中以某山区高速主跨480 m混合-组合梁斜拉桥为工程背景，其跨径布置为56 m+156 m+480 m+156 m+56 m=904 m。在主桥中跨及近塔区边跨的主梁采用组合梁，边跨压重区的主梁采用预应力混凝土“π形”梁。主塔采用H形桥塔，钢筋混凝土结构。全桥共设置72对斜拉索，平行索面、扇形布置[3]。混凝土梁段桥梁全宽39.3 m，组合梁段桥梁全宽38.9 m，其横断面布置同时满足高速公路与地方道路两种交通功能的使用需求。桥梁横断面布置如图1所示。

图1 主梁横断面布置(cm)

2 结构体系对比

支承体系[4]的选择与桥梁跨径、结构形式及环境因素密不可分。常见的大跨径斜拉桥多采用全漂浮体系或半漂浮体系方案[5-6]。半漂浮体系为塔墩固结，主梁在塔墩上设置竖向支座，纵向不约束或者弹性约束的结构体系[7-8]。在已建成的大跨径斜拉桥中，以半漂浮结构体系居多，如沌口长江公路大桥[9]、嘉鱼长江公路大桥、江津观音岩长江大桥[10]、赤壁长江公路大桥[11]等。此处提出(56+156+480+156+56)m全漂浮混合梁斜拉桥对比方案，探究两种结构体系在力学性能上的差异。相对于半漂浮体系，该方案主梁不设置纵向约束，在塔梁处不设置竖向约束，只设置横向约束[12]，并设置0号索为桥塔处主梁提供竖向支撑，全漂浮体系斜拉桥的代表有青山长江大桥、铜陵公铁两用长江大桥等。为探究两种结构体系在基本力学性能上的差异，桥跨的布设、主梁形式及辅助墩位置保持相同。

2.1 结构在恒载下的力学性能

1)主梁内力。 在成桥恒载状态下，两种体系轴力基本相同，但在钢混结合面处产生最大轴力；两种体系下最大正负弯矩均出现在混凝土梁段，在辅助墩位置出现负弯矩峰值，在钢混结合面处出现正弯矩峰值。由于全桥主梁内力状态基本成对称分布，图2、图3仅显示半桥主梁内力状态。

图2 主梁恒载轴力

图3 主梁恒载弯矩

2)桥塔内力。 在成桥状态下，两种体系恒载轴力、弯矩最大值均出现在桥塔根部；在计入徐变效应后，对下塔柱的弯矩有明显的改善，弯矩呈反向增大的趋势，徐变完成后桥塔处于轴压状态，如图4、图5所示。

图4 桥塔恒载轴力

图5 桥塔恒载弯矩

3)斜拉索成桥索力。 斜拉桥的恒载内力状态与索力密切相关，两种结构体系均可通过调整索力达到合理成桥状态。

斜拉桥合理的成桥状态需满足：索力分布均匀、主塔弯矩较小、主梁应力在可控范围内[13]。常用的调整索力方法有：刚性支承连续梁法、最小弯曲能量法、影响矩阵法等。文中以最小弯曲能量法为基础，结合目标状态优化索力，得出合理成桥状态索力。如图6所示，在成桥恒载状态下，两种体系斜拉索索力基本一致，全漂浮体系比半漂浮体系索力略大。在全漂浮体系中，由于桥塔处主梁节段较重，造成0号索索力较大，索力较相邻索增加38%。

图6 斜拉索恒载索力

4)恒载变形。 此处对比两种体系下徐变对主梁变形的影响。由于混凝土的徐变效应一般会使主梁下挠，而下挠最大值出现在主梁跨中位置，使得桥塔塔顶向跨中偏移。对比表明，两种体系主梁竖向位移及桥塔水平位移基本相同，如图7所示。

图7 成桥状态徐变变形

2.2 结构在活载下的力学性能

1)主梁内力。 在运营状态下，两种体系活载工况下产生的轴力分布较为接近，最大轴力均出现在跨中位置。由于全漂浮体系在桥塔处不设置竖向支座，轴力显示连续状态；半漂浮体系轴力包络线在桥塔支座处不连续。至于活载弯矩 ，两种结构体系分布规律基本一致，最大最小弯矩均出现在混凝土梁段辅助墩位置。图8、图9仅显示半桥主梁内力状态。

图8 主梁活载轴力

图9 主梁活载弯矩

2)桥塔内力。 在两种体系中，桥塔活载工况下轴力分布较为接近，最大轴力均出现在塔底，全漂浮体系下中塔柱的轴力略大。由对比可知，结构体系对活载工况下桥塔弯矩影响较小，如图10、图11所示。

图10 桥塔活载轴力

图11 桥塔活载弯矩

3)斜拉索活载应力幅。 斜拉索活载应力幅如图12所示。由图12可知，两种结构体系的主要差异在于桥塔附近的斜拉索。相对于半漂浮体系，全漂浮体系桥塔附近斜拉索应力幅呈增大趋势。总体上看，两种体系的活载应力幅均较小且分布均匀。

图12 斜拉索活载应力幅

4)活载变形。 由图13可知，两种结构体系均能提供结构整体刚度，可较好地控制桥塔的侧向位移及主梁的竖向挠曲变形。

图13 运营状态活载变形

2.3 结构在温度作用下的力学性能

在温度荷载作用下，主梁最大轴力及弯矩均出现在桥塔附近，且两种体系下主梁轴力、梁端位移及主塔底部弯矩均较为接近，这也说明两种结构体系均可有效地释放温度变形，更好地控制塔底弯矩，都对结构受力性能有利。

2.4 结构动力特性

选取两种结构体系下前五阶固有模态进行比较，如图14、表1所示，半漂浮体系结构的各阶模态均比全漂浮体系高，这也反映出半漂浮体系的结构整体刚度大于全漂浮体系。

图14 结构模态频率(前五阶)

表1 不同结构体系结构模态对比

3 混合段结合面位置对比

为平衡由于最不利状态下边墩及辅助墩位置处产生的负反力，将边跨部分组合梁段改为混凝土梁段，由传统的铁砂压重改为混凝土梁段自重提供压重方案，该方案相比铁砂压重方案略具经济优势。混合梁方案需对混凝土梁段与组合梁梁段的接头位置做进一步研究。接头位置宜选在竖向位移较小且受力性能合理、便于施工处。

在保持斜拉索、桥塔、辅助墩位置等参数不变的情况下，接头位置分别选择在向桥塔方向距离辅助墩6 m、8 m、10 m、12 m、16 m处，通过调整结合面位置，分别研究主梁变形、应力、辅助墩处的反力及主塔的内力状态。具体对比详见图15～19。

图15 主梁跨中挠度对比

图16 桥塔弯矩对比

图17 结合面位置混凝土梁应力对比

图19 结合面位置位移对比

在以上几种比较方案中，由于结合面与辅助墩距离相对较小，调整结合面位置对主梁的跨中挠度及桥塔的弯矩影响较小；对结合面处钢梁的应力幅及主梁位移有一定的影响。

多年来国内外大量的试验研究和理论分析证实：对于焊接钢结构疲劳强度起控制作用的是应力幅△σ，在钢结构开裂阶段，裂纹的扩展速度主要取决于该位置的应力幅，应力幅△σ=σmax—σmin。文中通过对比分析得出，随着结合面离主塔距离的增大，钢梁的应力幅呈现出下降的趋势，疲劳性能较优，但主梁的挠度也显示出线性增大的趋势。综合比较分析，结合面位置选择在向桥塔方向距离辅助墩10 m处时，结构相对较优。

4 边跨混凝土主梁刚度对比

4.1 混凝土主梁刚度调整

通过调整边跨混凝土主梁的刚度，研究其对混合-组合梁斜拉桥受力性能的影响规律，以便优化混凝土主梁的截面设计。

此处的对比方案只调整边跨混凝土主梁的纵向抗弯刚度，保证截面面积不变，结构形式也不发生改变，调整后的工况如表2所示，其中，工况2为基本方案，其余工况为比较方案。

表2 混凝土主梁刚度工况

4.2 结构在恒载下的力学性能变化

通过对比可知，混凝土主梁的刚度对其本身徐变[14]次弯矩有一定影响，徐变次弯矩随着刚度的增大而增大，而对塔身的徐变次弯矩影响较小，如图20、图21所示。

图20 混凝土梁徐变次弯矩对比

图21 桥塔徐变次弯矩对比

4.3 结构在活载下的力学性能变化

1)主梁。 混凝土主梁的活载弯矩及应力变化如图22及图23所示，可知混凝土主梁的最大正负弯矩均随其刚度的增大而增大，最大活载拉压应力随刚度增大而减小后逐渐趋于缓和。

图22 混凝土主梁活载弯矩对比

图23 混凝土主梁活载应力对比

2)桥塔。 混凝土主梁刚度的调整对桥塔的活载弯矩及应力影响相对较小，由图24及图25可知，随着混凝土主梁刚度的增大，桥塔的活载弯矩及应力逐渐减小。

图24 桥塔活载弯矩对比

图25 桥塔活载应力对比

3)斜拉索。 此处对混凝土主梁段及钢梁段斜拉索的活载应力幅进行对比分析，研究表明：随着混凝土主梁的刚度增大，斜拉索的活载应力幅逐渐下降，且下降曲线较为缓和，如图26所示。

图26 斜拉索活载应力幅对比

4)结构在活载下的变形。 结构活载变形如图27所示，图中表明随着混凝土主梁刚度的增大，主梁的最大跨中挠度、桥塔的最大水平位移呈现下降趋势。这是由于混凝土梁段刚度的提高对全桥结构刚度有一定贡献，但由于混凝土梁段较短，对全桥结构整体刚度的提高有限。

图27 活载变形对比

5 结束语

采用有限元分析方法[15]对主跨480 m公路两用混合-组合梁斜拉桥结构体系进行基本力学性能分析，主要得出以下结论：

1)在结构体系对比方面，全漂浮体系与半漂浮体系结构力学性能相差较小。在活载工况下，半漂浮体系可较好地控制主梁及主塔位移；两种体系下斜拉索的活载应力幅均在可控范围内，在近塔区半漂浮体系具有明显的优势；两种结构体系均能提供较好的结构刚度，半漂浮体系结构整体刚度略大于全漂浮体系。对比分析可知，两种结构体系均可满足混合-组合梁斜拉桥受力性能，但由于近塔区梁段较重，造成全漂浮体系中0号索索力偏大，需选用较高规格型号的平行钢丝拉索，其经济性能较差，文中推荐采用半漂浮体系方案。

2)钢混结合面位置的研究表明，随着不断加大结合面距辅助墩的距离，钢梁的抗疲劳性能逐渐增强，但结合面处主梁的下挠也随之加大，且距离辅助墩较远也会增加施工难度。综合比选后，推荐桥塔方向距辅助墩10 m处设置钢混结合面较为适宜。

3)通过对边跨混凝土主梁刚度的对比分析，结果表明：随着混凝土主梁刚度的增大，结构整体刚度有一定的提高，主梁跨中挠度、塔顶水平位移均呈现下降的趋势，结构刚度的提高对结构受力性能是有利的，选取合适的主梁刚度应根据经济性及提升的效率性综合考虑，文中建议选择基本方案的主梁刚度是可行的。