斜拉桥方案优化设计分析

吴思标

（广东交科检测有限公司，广州 510550）

0 引言

斜拉桥又名斜张桥，是一种经典又新型的桥型。斜拉桥主要是由主塔、主梁、斜拉索组成，主梁直接承受自重及汽车荷载等外荷载，然后再通过斜拉索将荷载传递给主塔，主梁基本呈现为压弯受力状态[1，2]。主塔除受自重引起的轴力外，还需承受由斜拉索传递的轴力及水平分力，因此索塔属于压弯构件。由于主梁有大量斜拉索支承，就像具有多跨弹性支承的连续梁一样，主梁弯矩得以减小，因而可以通过减小主梁尺寸来降低主梁自重，进而大幅提升桥梁的跨越能力[3，4]。由于斜拉桥结构体系的不同，对结构的受力性能影响很大，因此需要针对不同工程实际对斜拉桥结构体系进行比选优化分析[5，6]。本文通过研究斜拉桥不同结构体系对结构内力的影响规律，以某大跨度斜拉桥为工程背景，分别选取塔梁固结体系、塔墩梁固结体系以及半漂浮体系三种结构体系，采用有限元软件分别建立不同有限元模型，分析在不同结构体系下主梁、塔柱以及桥墩各构件的内力，同时针对主梁刚度进行分析。

1 工程概况

某大桥主桥为70+150+70m 双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，采用150m 主跨跨越深水区域，采用70m 边跨跨越两岸大堤，总长290m。塔柱采用双柱式，柱尺寸顺桥向4.5m 长，横桥向2.5m 宽，壁厚顺桥向1.25m，横桥向0.65m。横桥向中距与索面距一致为23.5m。桥面以上塔柱高35m，两主塔均采用塔、梁固结体系，主墩顶设支座。桥型布置图如图1 所示。

2 结构体系分类

从斜拉桥的结构体系，根据塔、梁、墩之间相互结合方式可划分为漂浮体系、半漂浮体系、塔梁固结体系和刚构体系。

2.1 半漂浮体系

半漂浮体系的特点是塔墩固结，主梁在塔墩上设置竖向支承，成为具有多点弹性支承的三跨连续梁。可以是一个固定支座，三个活动支座；也可以是四个活动支座，但一般均设活动支座，以避免由于不对称约束而导致不均衡温度变位，水平位移将由斜拉索制约。

2.2 塔梁固结体系

塔梁固结体系的特点是将塔梁固结并支承在墩上，主梁的内力与挠度直接同主梁与索塔的弯曲刚度比值有关。这种体系的主梁一般只在一个塔柱处设置固定支座，而其余均设置纵向可以活动的支座。这种体系的优点是，显著地减小主梁中央段承受的轴向拉力，并且索塔和主梁中的温度内力极小。缺点是中孔满载时，主梁在墩顶处转角位移导致塔柱倾斜，使塔顶产生较大的水平位移，从而显著地增大主梁跨中挠度和边跨负弯矩；另外上部结构重量和活载反力都需要由支座传给桥墩，这就需要设置很大吨位的支座。在大跨径斜拉桥中，这种支座甚至达到上万吨级，这样给支座的设计制造及日后养护、更换带来较大的困难。

2.3 塔墩梁固结体系

塔墩梁固结体系又称刚构体系，它的特点是塔梁墩相互固结，形成跨度内具有多点弹性支承的刚构。这种体系的优点是既免除了大型支座又能满足悬臂施工的稳定要求；结构的整体刚度比较好，主梁挠度又小。缺点是主梁固结处负弯矩大，使固结处附近截面需要加大；再则，为消除温度应力，应用于双塔斜拉桥时要求墩身具有一定的柔性，常用于高墩的场合，以避免出现过大的附加内力，另外，这种体系比较适合于独塔斜拉桥。

3 有限元模型建立

纵向整体计算采用midas civil 2021 版，分别建立塔梁固结、半漂浮、塔墩梁固结三种不同斜拉桥结构模型，三种模型主梁、桥塔以及桥墩均采用杆系梁单元模拟，拉索采用桁架单元模拟，进行运营阶段受力分析时，按成桥索力考虑垂度效应对弹性模量的修正，计算模型如图2所示。

图2 斜拉桥整体有限元模型图

4 静力作用下不同结构体系受力分析

4.1 主梁内力分析

针对三种斜拉桥结构体系进行建模，提取频遇和准永久组合下主梁的计算结果，如表1～表2 所示，根据模型数据绘制出主梁关键位置弯矩极值柱状对比图，如图3～图4所示。

表1 频遇组合下的主梁弯矩极值表单位：kN·m

表2 准永久组合下的主梁弯矩极值表单位：kN·m

图3 频遇组合下主梁关键位置弯矩极值对比图

图4 准永久组合下主梁关键位置弯矩极值对比图

4.1.1 频遇组合下主梁内力

由图3 和表1 可知，在基本组合下，三种结构体系的主梁弯矩变化规律差异不大，但塔梁固结体系斜拉桥在边中跨跨中和支点处的弯矩极值均最小，半漂浮体系边中跨跨中弯矩最大，最大增减幅度达到了27.17%，塔墩梁固结体系斜拉桥在支点处的弯矩值最大，最大增减幅度达到了39.44%。因此可知荷载作用基本组合下，塔梁固结结构体系的受力最佳。

4.1.2 准永久组合下主梁内力

由图4 和表2 可知，在准永久组合下，三种结构体系的主梁弯矩变化规律差异不大，但塔梁固结体系斜拉桥在边中跨跨中和支点处的弯矩极值均最小，半漂浮体系边跨跨中和支点弯矩最大，其中边跨跨中和支点最大增减幅度分别达到了60.40%和65.28%%，塔墩梁固结体系斜拉桥在中跨跨中处的弯矩值最大，增减幅度为12.89%。

综上所述，对于主梁而言，小华山斜拉桥采用塔梁固结结构体系，其各个荷载工况下的塔柱的受力都相对较小，塔柱底部弯矩极值均小于其他两种体系。因此采用塔梁固结体系斜拉桥对于塔柱的受力相对其余两个结构体系相对有利。

4.2 塔柱内力分析

针对三种斜拉桥结构体系进行建模，分别列出频遇组合和准永久组合下塔柱的弯矩包络图，提取频遇和准永久组合下塔柱的计算结果，如表3～表4 所示。

表3 频遇组合下的塔柱弯矩极值表单位：kN·m

表4 准永久组合下的塔柱弯矩极值表 单位：kN·m

由表3 可知，在频遇组合下，三种结构体系塔柱弯矩值均呈现由塔顶向塔底逐渐增大的规律，其中塔梁固结体系斜拉桥在塔柱底部位置处的弯矩值最小，仅为23900.95kN·m，半漂浮体系在塔柱底部位置处的弯矩值最大，最大达到了91541.77kN·m，增大幅度达到了283.0%。

由表4 可知，在准永久组合下，三种结构体系塔柱弯矩值均呈现由塔顶向塔底逐渐增大的规律，其中塔梁固结体系斜拉桥在塔柱底部位置处的弯矩值最小，仅为17997.72kN·m，半漂浮体系在塔柱底部位置处的弯矩值最大，最大达到了79342.28kN·m，增大幅度达到了340.85%。

综上所述，对于塔柱来说，小华山斜拉桥采用塔梁固结结构体系，其各个荷载工况下的塔柱的受力都相对较小，塔柱底部弯矩极值均小于其他两种体系。因此采用塔梁固结体系斜拉桥对于塔柱的受力相对其余两个结构体系相对有利。

4.3 主梁刚度分析

针对三种斜拉桥结构体系进行建模，分别提取边跨跨中和中跨跨中在汽车荷载和人群荷载作用下产生的最大最小挠度值（挠度向上为正），根据模型数据绘制出主梁关键位置弯矩极值柱状对比图，如表5 和表6 所示。

表5 三种结构体系汽车荷载下挠度结果汇总表

表6 三种结构体系人群荷载下挠度结果汇总表

从表中可以看出，在汽车荷载和人群荷载下，由于塔墩梁固结体系整体刚度比较好，因此其边跨跨中和中跨跨中挠度值最小，而半漂浮体系由于塔墩固结，主梁通过“0”号索连接桥墩，因此其整体刚度同样比塔梁固结体系大，因此边跨跨中和中跨跨中挠度值其次，塔梁固结体系下边跨跨中和中跨跨中挠度值最大。

5 结语

以某大跨度斜拉桥为工程背景，分别选取塔梁固结体系、塔墩梁固结体系以及半漂浮体系三种结构体系，采用有限元软件分别建立不同有限元模型，分析在不同结构体系下主梁、塔柱以及桥墩各构件的内力，同时针对主梁刚度进行分析，得到以下结论：

①对于主梁和塔柱而言，小华山斜拉桥采用塔梁固结结构体系，其各个荷载工况下的受力都相对较小，弯矩极值均小于其他两种体系，其中主梁弯矩极值最大优化幅度达到了65.28%，塔柱弯矩极值最大优化幅度达到了340.85%。因此采用塔梁固结体系斜拉桥对于主梁和塔柱的受力相对其余两个结构体系相对有利。

②在汽车荷载和人群荷载下，由于塔墩梁固结体系整体刚度比较好，因此其边跨跨中和中跨跨中挠度值最小，而半漂浮体系由于塔墩固结，主梁通过“0”号索连接桥墩，因此其整体刚度同样比塔梁固结体系大，因此边跨跨中和中跨跨中挠度值其次，塔梁固结体系下边跨跨中和中跨跨中挠度值最大，但对挠度值均远小于规范限值。