南四湖斜拉桥压重的优化研究

李利军 张国民姚辉瑞徐常泽赵贵辉

(1.山东建筑大学 交通工程学院，山东 济南250101；2.山东省交通规划设计院有限公司，山东 济南，250031；3.商河县建筑工程质量检测有限公司，山东 济南251600)

0 引言

斜拉桥跨越能力强，适用范围广[1-3]，对于主跨＜400 m 的斜拉桥，混凝土梁斜拉桥有着更强的竞争能力。 为了降低混凝土梁斜拉桥的造价，边中跨比一般控制在0.40～0.45 且不设置辅助墩。 在无辅助墩斜拉桥中汽车荷载作用下，过渡墩支座处易出现负反力，不利于结构受力，通常在边跨梁端一定范围内需配置相应的压重[4-5]。 因此，对边跨进行压重处理成为了改善此桥型内力状态常用的方法，应给予边跨压重问题足够的重视[6]。 此外，在主梁对称施工过程中，边跨主梁梁段往往较轻，此时压重作为平衡重施加在边跨主梁中。 合理的压重设置，不仅是消除或减小施工与成桥时墩台处支座负反力最直接、最有效的方法，而且能够改善斜拉桥塔梁施工、成桥及使用阶段的力学性能[7-9]。

南四湖斜拉桥为双塔双索面混凝土梁斜拉桥，根据桥梁受力特性优化研究了其压重方案。 一般来说，桥梁结构优化设计的主要目的是使结构的受力及造价最优，而传统设计方式未考虑在满足规范要求的前提下寻求最优的设计方案[10]。 这种情况下，优化设计就显得很有现实意义。 由于斜拉桥在边跨设置压重会对主梁及主塔的变形及内力产生显著影响，压重的设置情况应综合比较主梁变形、弯矩的均匀性、主塔最大弯矩及塔顶位移来确定[11-12]。 其原设计压重方案中索塔内力及塔顶位移较大，考虑如何在不产生边墩负反力情况下优化结构受力是该压重方案调整的基本原则。 该研究能为此桥后续运营提供理论依据，亦可为同类型斜拉桥的设计施工提供可靠参考。

1 工程概况

南四湖特大桥位于济宁市微山县和鱼台县境内，是日照(岚山)至菏泽公路和枣庄至菏泽段跨越南四湖的一座特大桥，起点位于微山县两城镇黄山三村南，终点位于湖西滨湖大道西侧的鱼台县张黄镇梁岗村，主线桥全长9 889 m。 南四湖特大桥主航道桥位于京杭运河主航道，其长为(95+210+95)m=400 m 的双塔双索面斜拉桥(南四湖斜拉桥)，其结构体系为半漂浮体系，由塔墩固结，主梁在桥塔及共用墩处设竖向支承，并在桥塔与主梁之间设置横向与纵向限位装置。 采用双向四车道高速公路标准建设，设计速度为120 km/h，设计汽车荷载等级为公路Ⅰ级，如图1、2 所示。

图1 南四湖斜拉桥桥型布置图/m

图2 南四湖斜拉桥横向图

南四湖斜拉桥主要构件如下:

(1) 主梁 采用双边箱断面砼主梁，中心梁高为2.7 m、桥面板厚度为28 cm，顺桥向每间隔3.5、3.0 m设置一道横隔板，共57 个梁段。 主梁标准横断面、梁段划分分别如图3、4 所示。

图3 主梁标准横断面图/m

(2) 斜拉索 呈平面扇形分布，两侧双索面布置，斜拉桥塔上竖向索距分别为2.0、2.2 和2.5 m，梁上水平索距分别为7.0、6.0、3.0 m。

(3) 索塔 桥塔为H 形桥塔，分为上塔柱和下塔柱，为钢筋混凝土结构。 截面采用单箱单室空心箱形截面。 桥塔上塔柱高为66.2 m、137＃下塔柱高为13.7 m、138＃下塔柱高为11.5 m。 顺桥向上塔柱宽为7.0 m、下塔柱宽为7.0 ～9.0 m，按照圆弧形变化。上塔柱壁厚为80/90 cm、 下塔柱底部壁厚为120 cm，底部设2 m 高实心段。 横桥向上塔柱宽为3.5 m、下塔柱宽为3.5 ～6.0 m。 横梁采用单箱单室截面，预应力混凝土结构。 拉索桥塔采用钢锚梁和混凝土锚块构造两种方案锚固。

(4) 约束体系 桥塔处设置竖向支座、横向抗风支座，纵向设置弹性限位索；共用墩设置竖向支座，墩顶处设置横向限位装置。

(5) 桥塔基础 采用分离式基础，承台厚4.5 m、承台横桥向宽为13.5 m、顺桥向长为18.6 m，每个承台下设12 根直径为2.0 m 的钻孔灌注桩。

施工流程及阶段划分见表1。

图4 主梁梁段划分图/m

表1 施工阶段及施工步骤划分表

2 边跨压重优化

2.1 设计边跨压重

南四湖斜拉桥设计边跨压重如图5 所示。 压重布置在边跨10′＃、11′＃及边跨现浇段梁段内，距离梁端部4 m，总长度为23 m。 边跨压重分两次施加，第一次压重集度q1=100 kN/m，压重随施工阶段进行；全桥合龙以后施加第二次压重，集度为q2=70 kN/m。 压重采用高密度铁砂混凝土，要求堆重30 kN/m3，压重块件应均匀放置在压重槽中，全桥共需260 m3。

图5 边跨主梁压重布置示意图/m

2.2 优化后(成桥)边跨压重

成桥边跨压重如图6 所示。 取消表1 中6、7 阶段的永久压重，其他施工阶段及施工步骤保持不变。即取消边跨10′＃、11′＃第一次压重，压重布置在边跨现浇段梁段内，距离梁端部4 m，总长度为11 m，第一次压重集度及施工阶段不变；第二次压重保持不变。 与优化前的方案相比共节约压重80 m3。

图6 优化后边跨主梁压重布置示意图/m

3 边跨压重优化分析

3.1 有限元模型

主桥采用前支点挂篮工法悬臂浇筑施工，由索塔朝两侧对称施工。 主桥施工顺序见表1。 先边跨合龙，再中跨合龙； 合龙后调整全桥二次索力； 进行桥面二期铺装并安装桥面附属设施。 结构模拟计算采用有限元仿真软件TDV 建立正装有限元模型，以原竣工实测线形和主梁重心轴与拉索索点的对应关系确定主梁节点和拉索梁端锚固点的坐标。 其中，主梁和索塔为混凝土梁单元，拉索采用索单元模拟。 全桥划分主梁单元248 个、索塔单元112 个，计算模型如图7 所示。

图7 全桥有限元模型图

3.2 成桥状态受力分析

分别对施工图设计及优化后的压重进行有限元数值模拟，对比分析成桥状态恒载下，构件内力、位移、支撑反力计算结果如图8 ～10 所示。 优化前，主梁的最大弯矩为102 213 kN·m，发生在主跨四分之一处；索塔的最大弯矩为622 44 kN·m，发生在下横梁处；索塔最大顺桥向位移为0.09 m，发生在塔顶，向河岸侧倾斜；梁端支座反力为2 261 kN。 优化后，主梁的最大弯矩为102 726 kN·m，发生在主跨四分之一处；索塔的最大弯矩为23 117 kN·m，发生在下横梁处；索塔最大顺桥向位移为0.024 m，发生在塔顶，向河岸侧倾斜；梁端支座反力为2 244 kN。

图8 成桥状态主梁内力图

图9 成桥状态索塔内力、位移曲线图

图10 优化前、后成桥状态梁端支座反力图

3.3 运营状态受力分析

对施工图设计及优化后的压重分别进行有限元数值模拟，对比分析运营状态下的构件内力、位移、支撑反力计算结果如图11～13 所示。 优化前，主梁的最大弯矩为117 167 kN·m，发生在主跨四分之一处；索塔的最大弯矩为78 158 kN·m，发生在下横梁处；索塔最大顺桥向位移为0.11 m，发生在塔顶，向河岸侧倾斜；车辆荷载作用下梁端不利支座反力为-1 912 kN。 优化后，主梁的最大弯矩为117 687 kN·m，发生在主跨四分之一处；索塔的最大弯矩为39 034 kN·m，发生在下横梁处；索塔最大顺桥向位移为0.045 m，发生在塔顶，向河岸侧倾斜；车辆荷载作用下梁端不利支座反力为-1 916 kN。

图11 运营状态主梁内力图

图12 运营状态索塔内力、位移曲线图

图13 优化前、后车辆荷载梁端支座反力图

3.4 优化前后计算结果对比

在保持斜拉索无应力索长不变的情况下[13-14]，优化南四湖斜拉桥施工图设计的梁端压重[15-17]，优化后构件在成桥状态及运营状态的内力、位移、梁端支撑反力计算结果对比见表2。

表2 构件优化前后计算结果对比表

4 结论

通过上述研究，得到的主要结论如下:

(1) 对南四湖混凝土斜拉桥梁端压重的优化，极大的改善了成桥及运营状态索塔的受力和变形，且对成桥状态的改善更加明显。 优化后索塔成桥状态的内力和位移分别减小了62.9%、73.3%；运营状态的内力和位移分别减小了50.1%、59.1%。

(2) 优化后成桥状态最不利梁端支撑反力减小了0.8%，运营状态减小了6%，优化前后均不会出现负反力。

(3) 压重的优化对斜拉桥主梁内力的影响不大，优化后成桥状态主梁的内力增大了0.5%，运营状态增大了0.4%。

目前，南四湖斜拉桥已经通车，成桥状态及运营状态监控的结果与优化后的理论值吻合，结构运行良好。