某大跨钢-混组合梁斜拉桥静动力特性探究

张星宇 裴辉腾 刘语涵

（1.江西高速石化有限责任公司，江西 南昌 330013；2.江西省交通设计研究院有限责任公司，江西 南昌 330022；3.同济大学，上海 200092）

0 引言

斜拉桥是现代桥梁主要结构形式之一，它以优异的跨度能力、良好的经济性在大跨度桥梁的竞争中脱颖而出[1-3]。斜拉桥诞生之初，主梁多采用钢材，钢材强度高、自重轻使其成为主梁的首选材料。

目前，斜拉桥仍以采用钢梁为主。但是相比于混凝土价格，钢材的价格偏高，此外在大跨度斜拉桥中，因钢主梁自重轻，抗风稳定性能有所不足，需要采取各种措施增加其抗风稳定性。此外，钢主梁桥面铺装的耐久性问题也是困扰工程应用的一大难题[4-5]。用混凝土梁代替钢梁可以解决桥面铺装的耐久性问题，但由于混凝土的自重较大且抗拉强度低，用于大跨度斜拉桥时，会导致斜拉桥和桥塔基础的费用增加，使整个结构的经济性降低[6]。

近年来，国内陆续建造了很多钢-混组合梁斜拉桥。许多学者也展开了对钢-混组合梁斜拉桥的受力特性分析，包括复杂受力情况下和持久荷载作用下组合梁的受力特性与设计方法研究。此外，亦有学者针对钢主梁与混凝土桥面板应力分布不均匀效应、内力分配问题，以及混凝土桥面板徐变和收缩效应等展开研究[7-9]。本文以鄱阳湖二桥钢-混组合梁斜拉桥为研究背景，仿真计算分析该桥型静、动力特性，以期为后续同类型桥梁的设计、施工提供有益参考。

1 工程概况

鄱阳湖二桥为钢-混组合梁斜拉桥，主跨径布置为116.4m+420m+116.4m。主孔采用梁、塔分离的半漂浮体系结构形式；主梁为钢-混组合的结构形式，钢梁为”工“字形型断面，包括纵横梁及压重纵梁，其中纵梁间距26m。主塔采用横向刚度大的宝瓶型，该形式具有良好的横向抗扭性能，塔高均为137.91m。采用midas-civil建立全桥三维空间模型，如图1所示。

图1 有限元分析模型

2 计算模型

为研究鄱阳湖二桥钢-混组合梁斜拉桥的静动力性能，采用Midas建立该桥型的空间计算模型，通过结构离散法，共划分节点总数为1606个，单元总数为1825个。

3 主桥整体结构静力性能分析

3.1 拉索受力分析

鄱阳湖二桥的拉索布置型式为空间双索面扇形，大桥共144根拉索，其中最长拉索长度达223m，型号为253Φ7，钢丝标准强度1670MPa，采用环氧涂层保护。为了了解拉索的受力性能，本文分析了主桥的斜拉索、主梁和主塔在成桥状态、收缩徐变完成后，运营阶段的受力性能。

3.1.1 成桥状态及收缩徐变完成后拉索受力性能分析

成桥状态及收缩徐变完成后的拉索索力如图2所示。由图2可以看出，成桥状态及收缩徐变完成后拉索的最大索力为边跨编号为AI8的拉索，并且拉索在收缩徐变完成后可以明显发现索力有所减小，同时也可以计算出，成桥阶段拉索最大应力值为585MPa，拉索安全系数为1670／585＝2.85>2.5满足设计保障的安全系数，表明拉索有足够的安全储备。

图2 成桥阶段及收缩徐变完成后斜拉索索力

3.1.2 运营阶段拉索受力性能分析

标准值组合作用下拉索的索力如图3所示。由图3可以看出，在标准值组合作用下，拉索的索力靠近塔梁结合处变化幅度较小，往边跨及中跨方向变化幅度增大，此外边跨方向的索力变化幅度比中跨方向的变化幅度大，同时也可以计算出运营阶段斜拉索最大应力值达663MPa，为边跨A18号拉索，计算值小于斜拉索最大应力限值，满足设计要求。

图3 标准值组合下斜拉索索力

荷载作用下拉索应力从塔梁结合处往边跨及中跨方向，拉索应力呈先增大后减小的趋势，同时也可以看出活载引起的最大应力幅值为110MPa，斜拉索的选型满足规范要求。

3.2 主梁受力分析

3.2.1 成桥状态、收缩徐变完成状态下主梁受力性能

鄱阳湖二桥的主梁为钢-混组合形式主梁，由钢梁和混凝土桥面板组成。成桥状态与收缩徐变完成后主梁的最大受压区为两边边跨辅助墩位置处，并且随着收缩徐变的完成，主梁最大受压区的轴力有所减小。主梁的剪力与弯矩在塔梁结合处和边跨辅助墩处较大，且在收缩徐变完成后主梁在边跨辅助墩处的剪力及弯矩有所增大。

3.2.2 运营阶段受力性能分析

升降温的变化对主梁的结构力学响应有较大的影响，因此，本文通过模拟温度变化分析主梁的受力性能，结果显示升温与降温对主梁的轴力和弯矩影响显著。在运营阶段升温、降温，以及索梁温差对主梁的轴力与弯矩影响是整体相反的。升温、降温和索梁温差的改变对塔梁结合处和边跨辅助墩处主梁局部剪力影响明显。

3.3 主塔受力分析

主塔需要承受自重引起的恒载，也需要承受拉索水平荷载产生的弯矩作用。本文分析了成桥状态、收缩徐变完成后，以及标准值组合作用下主塔受力性能。结果显示，主塔的轴力最大处均在塔底根部，并且可以看出在标准值组合作用下，主塔的大部分区域均受压。同时，混凝土的收缩徐变对主塔的纵向剪力及横向弯矩影响较小，而对主塔的纵向弯矩影响较大。

4 主桥整体结构动力性能分析

桥梁结构的动力特性与其结构刚度相关，结构的固有振动特性是对其抗风、抗震问题研究的基础。本文动力分析考虑风荷载及地震荷载对桥梁主体结构动力响应的影响，采用有限元分析方法分析主桥整体结构的动力性能，在有限元模型中，模型主桥采用空间模型，纵梁、小纵梁、横梁、塔、墩及桩基础均采用梁单元模拟。

4.1 结构抗风性能分析

采用有限元软件分析风荷载作用下桥梁主体结构的动力特性，得到鄱阳湖二桥成桥状态的整体动力特性如表1所示。从计算得到的前六阶频率及对应的振型情况来看，钢-混组合梁斜拉桥桥梁具有以下特点：

表1 成桥状态动力特性

该斜拉桥的自振周期较短。一阶振型对应的自振周期为8.2861s，这表明该斜拉桥的整体结构刚度大；由表1可以看出，前五阶振型中有四阶出现对称和反对称振型，这表明桥梁边跨辅助墩及塔梁结合方式对桥梁的横向刚度影响较大；三阶到六阶振型的自振频率较为集中。从2.0450Hz～2.7242Hz之间分布了4个振型，频带比较窄，这表明多个振型可能被同时激发。因此，在分析该类桥行动力时，需要考虑各相近频率振型之间的相关性，采取合适的动力分析方法以确保分析精度。

4.2 结构抗震性能分析

为了进一步研究该钢-混组合梁斜拉桥的动力特性，本文根据目前抗震设计方法的发展水平，按设计要求采用两水准设防的抗震设计方法分析主桥工程抗震性能。主桥结构地震响应采用非线性时程法计算分析，非线性分析采用直接积分法，时程类型为瞬态；其中分析时间为50s，分析时间步长为0.02s，此外非线性分析采用质量和刚度因子计算阻尼（瑞利阻尼），非线性分析时间积分采用常加速度法。

地震计算接续静力分析结果，并考虑两种组合：水平横向+竖向；水平纵向+竖向。其中，竖向地震系数取水平向。

通过验算鄱阳湖二桥主桥设计方案中的截面配筋可以得出，该钢-混组合梁斜拉桥在地震荷载下，辅助墩、主塔，梁端及跨中等构件的承载力均大于结构的地震响应，而且处于基本弹性状态，满足规范要求，亦验证了该体系斜拉桥优良的抵抗地震的能力。

5 结论

对于该钢-混组合梁斜拉桥，可以得出如下结论：钢-混组合梁采用空间双索面的布置方式，在成桥状态及运营阶段大桥的拉索在各种荷载工况下，均具有足够的安全储备，此外收缩徐变对斜拉索的索力有所影响；运营阶段，升温与降温对主梁的受力性能影响显著，同时改变升温、降温和索梁温差对塔梁结合处及边跨辅助墩主梁局部剪力影响明显；在动力荷载分析中，钢-混组合斜拉桥自振周期较短且能在3283年重现期的地震荷载中保持基本弹性，这体现了钢-混组合梁斜拉桥优良的抗力性能，表明钢混组合梁自重较轻的特性，对减小桥梁的动力响应有明显优越性。