跨徑136 m單箱三室變高度斜腹板箱梁斜拉橋設(shè)計(jì)

鐘 屹 陳昱鵬 鄭裕豪

（柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545006）

1 工程概況

（1）地形地貌：橋梁地址屬于沖洪積地形，兩側(cè)的橋臺(tái)所在地貌單元為二級(jí)階地，黃海高程為11～15 m，相對(duì)高差約4 m，地勢(shì)較平緩，為種植地，有一寬約210 m的西溪通過，橋臺(tái)處覆蓋層較厚，為20～25 m，河底覆蓋層厚度為12 m，周圍植被較發(fā)育。

（2）地質(zhì)巖性：主要特性為侏羅系南園組凝灰熔巖及其風(fēng)化帶層結(jié)構(gòu)，表層為黏性土，沖洪積作用互層狀河谷可見黏性土、砂土。

（3）水文地質(zhì)：橋址區(qū)地表水為西溪河流，狀態(tài)常年流水，受降水影響明顯，雨季時(shí)，水流量大。

（4）地震效應(yīng)：本區(qū)地震基本烈度為7度，地震動(dòng)峰值加速為0.1 g，標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地地震反應(yīng)譜特征周期為0.40 s，砂層經(jīng)判別會(huì)液化，液化等級(jí)為輕微-嚴(yán)重。

（5）橋型：主橋采用（82+136+82）m雙塔單索面部分斜拉橋，采用塔梁固接、梁墩分離的結(jié)構(gòu)體系。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主橋箱梁構(gòu)造

單箱三室變高度斜腹板箱，主墩處箱梁高4.5 m，寬15.428 m，跨中和邊跨直線段部分梁高2.6 m，寬16.948 m。頂板厚25 cm，其中中室頂板厚度為50 cm。在斜拉索錨固點(diǎn)處設(shè)有橫隔板，邊室橫隔板厚30 cm，中室橫隔板厚40 cm；箱梁在墩頂處設(shè)置橫隔墻，邊跨支點(diǎn)處橫隔墻厚度為132 cm，中跨支點(diǎn)處邊室橫隔墻厚度為200 cm、中室橫隔墻厚度為300 cm。

2.2 橋塔構(gòu)造

結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土，截面形狀為矩形，從梁頂?shù)剿敻?7 m，整個(gè)塔柱截面為矩形，順橋縱向長3.0 m，橫橋向?qū)?.0m，在行車道兩邊布置車輛防撞設(shè)施，表面做裝飾處理。

2.3 斜拉索構(gòu)造

斜拉索體系采用平行鋼絞線索，全橋采用同一種規(guī)格，每股拉索均由61根φ15.2 mm鍍鋅鋼絞線組成，鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa。橋塔設(shè)計(jì)在橋梁中間，從上到下共有10對(duì)斜拉索，每股拉索塔上間距為0.7 m，梁上間距為4.0 m，橫向設(shè)置兩排拉索，其間距為0.9 m。塔上為斜拉索張拉端，梁上為斜拉索固定端，其構(gòu)造如圖1所示。

鋼絞線拉索防護(hù)體系的耐久性優(yōu)于平行鋼絲拉索，從而保證了鋼絞線拉索具有較長的使用年限[1]。平行鋼絞線拉索無論在結(jié)構(gòu)和性能方面，還是在經(jīng)濟(jì)性方面都優(yōu)越于平行鋼絲拉索[2]，具有4層防護(hù)的平行鋼絞線拉索是值得推廣和應(yīng)用的。

圖1 斜拉索構(gòu)造

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 分析軟件

采用西南交大編制的《橋梁結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)》（BSAS）程序?qū)ο淞哼M(jìn)行施工階段和運(yùn)營階段的縱向平面靜力分析計(jì)算。采用同濟(jì)大學(xué)編制的《橋梁博士V3.03》程序?qū)ο淞哼M(jìn)行施工階段和運(yùn)營階段的縱向平面靜力分析計(jì)算的校核計(jì)算。幾何非線性的影響分析、空間動(dòng)力分析及局部結(jié)構(gòu)實(shí)體單元分析采用MIDAS結(jié)構(gòu)分析軟件。

3.2 單元?jiǎng)澐?/h3>

全橋靜力計(jì)算共劃分197個(gè)單元，其中，梁?jiǎn)卧?5個(gè)，塔單元28個(gè)，索單元40個(gè)，索與梁連接處的剛臂單元40個(gè)，中跨支點(diǎn)處臨時(shí)墩單元4個(gè)。0#節(jié)段長10 m，1#、2#節(jié)段長3 m，合攏段長2.0 m。其他各節(jié)段長4.0 m。

3.3 箱梁正截面和斜截面設(shè)計(jì)

（1）承載能力計(jì)算時(shí) ：γ0S+γpSp≤R。

（2）在持久狀況正常使用極限狀態(tài)下抗裂（不計(jì)沖擊系數(shù)）：

①箱梁正截面抗裂：荷載短期效應(yīng)組合下σst≤0.80σpc；

②箱梁斜截面抗裂：在荷載短期效應(yīng)組合下σtp≤0.40ftk。

（3）持久狀況下使用階段：

受壓區(qū)混凝土的最大壓應(yīng)力σkc+σpt≤0.5fck；

受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋的最大拉應(yīng)力σpe+σp≤0.65fck；

混凝土主壓應(yīng)力σcp≤0.6fck。

（4）短暫狀況下各應(yīng)力控制情況按現(xiàn)行規(guī)范控制。在進(jìn)行主應(yīng)力計(jì)算時(shí)，考慮豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋效應(yīng)。

箱梁控制截面混凝土應(yīng)力表如表1所示。

表1 箱梁控制截面混凝土應(yīng)力表/MPa

3.4 箱梁結(jié)構(gòu)橫向靜力分析計(jì)算

箱梁橫向靜力分析對(duì)象一般選擇跨中部分的截面，縱橋向按單米長選取，腹板底部支承的框架為其計(jì)算結(jié)構(gòu)模型；主梁錨索區(qū)的橫向靜力分析，橫向?qū)ΨQ中心線處固結(jié)的懸臂結(jié)構(gòu)為其結(jié)構(gòu)計(jì)算模型；計(jì)算分析階段劃分為四個(gè)階段進(jìn)行，分別為橋梁箱梁施工、橫向預(yù)應(yīng)力鋼絞線束張拉、橋梁二期恒載施工及運(yùn)營階段，還應(yīng)考慮均勻升降溫及非均勻升降溫的影響（非均勻升降溫按內(nèi)外溫差取5 ℃）。

3.5 橋塔計(jì)算

橋塔為偏心受壓構(gòu)件，對(duì)施工及運(yùn)營最不利受力狀態(tài)下的順橋向及橫橋向的強(qiáng)度及穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算。

3.6 箱梁變形驗(yàn)算

箱梁變形驗(yàn)算以及預(yù)拱度的設(shè)置符合《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD 60—2004）[3]有關(guān)規(guī)定，靜活載點(diǎn)位移數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 靜活載作用下控制點(diǎn)位移/cm

3.7 主橋橋墩及基礎(chǔ)的分析計(jì)算

主橋縱向水平力的計(jì)算：主墩制動(dòng)墩按荷載長度為一聯(lián)長度或主孔加懸臂長度時(shí)的制動(dòng)力+風(fēng)力與撞擊力比較，取其較大者進(jìn)行固定墩設(shè)計(jì)；主墩非制動(dòng)墩按支座摩阻力進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)；邊墩墩身由主、引橋兩側(cè)同向支座摩阻力進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，支座摩阻系數(shù)取0.05。

樁基內(nèi)力計(jì)算依照《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D63—2007）[4]所述m法的原理，采用北京交通科研所的橋梁下部綜合程序《BridgeXB》程序?qū)χ鳂蛉簶痘A(chǔ)進(jìn)行基礎(chǔ)內(nèi)力和位移計(jì)算分析，計(jì)算中承臺(tái)設(shè)為剛性體，并與樁頂剛性固結(jié)，鉆孔的灌注樁按摩擦樁模擬。

3.8 局部實(shí)體單元分析

塔梁固結(jié)點(diǎn)及斜拉索在箱梁上的錨固區(qū)域應(yīng)力較為復(fù)雜，為了解其應(yīng)力分布，采用MIDAS程序?qū)Υ颂庍M(jìn)行三維有限元法的應(yīng)力分析。分析結(jié)果表明，這些部位的應(yīng)力都在規(guī)范容許范圍之內(nèi)。

3.9 動(dòng)力特性分析

在本計(jì)算模型中，箱梁體、橋梁塔、橋墩使用空間梁?jiǎn)卧M(jìn)行離散計(jì)算，由于斜拉索特性只能承受拉力，因此，采用受拉單元進(jìn)行模擬，承臺(tái)視為無變形的剛體，斜拉索的初張拉力視為單元內(nèi)力處理，梁體與下部之間的連接采用耦合關(guān)系來處理，在承臺(tái)底施加5個(gè)方向的等效彈簧模擬樁-土相互作用。模型詳見圖2～7動(dòng)力特性分析模型圖和振型圖，頻率和周期詳見表3。

阻尼作為結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析中最重要的參數(shù)之一，是結(jié)構(gòu)振動(dòng)中描述能量耗散的指標(biāo)[5]。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，本模型中的阻尼比取為0.05。

橋梁結(jié)構(gòu)的自振周期和地震波的主要周期越接近，它的振型受到地震力的影響越大；而它的阻尼比越小，結(jié)構(gòu)所受的地震力也就越大。這正是進(jìn)行動(dòng)力特性分析的主要目的。

圖2 動(dòng)力特性分析模型

圖3 第一階振型圖

MIDAS/Civil POST-PROCESSOR VIBRATION MODE

1.48543e -002 1.35047e-002 1.21550e-002 1.08054e-002 9.45577e-003 8.10614e-003 6.75651e-003 5.40687e-003 4.05724e-003 2.70761e-003 1.35797e-003 8.34092e-003 MIDAS/Civil

圖4 第二階振型圖

POST-PROCESSOR VIBRATION MODE 7.61948e-003 6.92697e-003 6.23446e-003 5.54195e-003 4.84944e-003 4.15693e-003 3.46442e-003 2.77191e-003 2.07940e-003 1.38689e-003 6.94381e-004 1.87020e-006

圖5 第三階振型圖

MIDAS/Civil POST-PROCESSOR VIBRATION MODE

1.27442e -002 1.15906e-002 1.04370e-002 9.28346e-003 8.12989e-003 6.97632e-003 5.82274e-003 4.66917e-003 3.51560e-003 2.36203e-003 1.20846e-003 5.48842e-005

圖6 第四階振型圖

MIDAS/Civil POST-PROCESSOR VIBRATION MODE

1.28543e -002 1.16871e-002 1.05198e-002 9.35257e-003 8.18532e-003 7.01807e-003 5.85082e-003 4.68357e-003 3.51632e-003 2.34907e-003 1.18182e-003 1.45651e-005

圖7 第五階振型圖

表3 動(dòng)力特性分析一覽表

3.10 地震分析

本模型采用《公路工程抗震規(guī)范》（JTG B02—2013）[6]反應(yīng)譜方法進(jìn)行抗震分析，7度地震區(qū)，II類場(chǎng)地?？拐鸱治鲆话悴捎梅磻?yīng)譜方法，其用于抗震結(jié)構(gòu)分析有兩個(gè)基本步驟，第一個(gè)步驟是采用振型分解反應(yīng)譜法求出各階振型反應(yīng)的最大值，第二個(gè)步驟是采用振型組合方法（SRSS或CQC）求出結(jié)構(gòu)反應(yīng)最大值。II類場(chǎng)地：β=2.25×（0.3/T）0.98。動(dòng)力系數(shù)和類型場(chǎng)地關(guān)系圖如圖8所示。其模擬分析結(jié)果滿足7度地震區(qū)要求。

圖8 動(dòng)力系數(shù)和類型場(chǎng)地關(guān)系圖

在多遇地震作用下，不僅可以用場(chǎng)地反應(yīng)譜，還可以用規(guī)范反應(yīng)譜進(jìn)行分析，計(jì)算地震作用效應(yīng)的內(nèi)力和變形。通過軟件計(jì)算，反應(yīng)譜分析結(jié)果如圖9～11。

圖9 順橋向地震彎矩圖

圖10 順橋向地震軸力圖

圖11 橫橋向地震彎矩圖

MIDAS/Civil POST-PROCESSOR VIBRATION MODE

彎矩-z 7.85534e+004 7.14122e+004 6.42710e+004 5.71298e+004 4.99885e+004 4.28473e+004 3.57061e+004 2.85649e+004 2.14237e+004 1.42824e+004 7.14122e+003 0.00000e+000

4 結(jié)語

本文介紹了一座（82+136+82）m雙塔單索面某斜拉橋設(shè)計(jì)過程，其通過橋梁的結(jié)構(gòu)選擇、箱梁選擇、拉索選擇的形式，再從受力、構(gòu)造對(duì)橋梁進(jìn)行了靜力計(jì)算和抗震分析，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示橋梁能滿足施工和運(yùn)營時(shí)期的受力要求，也能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，可以給今后類似的橋梁設(shè)計(jì)和施工提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。