沙尾左江特大橋主橋結構設計及受力分析

曾有鳳　羅富元

摘要：沙尾左江特大橋主橋是主跨為360 m的中承式鋼管混凝土提籃拱橋，為世界最大跨度的公路鋼管混凝土提籃拱橋。文章介紹了該橋主橋主要構件設計要點，通過有限元軟件程序，對主拱結構進行靜力、動力及穩(wěn)定性分析。計算結果表明：主橋結構強度、剛度、穩(wěn)定及動力性能均較優(yōu)。

關鍵詞：沙尾左江特大橋;提籃拱橋;主橋結構設計;靜力分析;動力分析

中國分類號：U442文獻標識碼：A

0 引言

近年來，鋼管混凝土拱橋在我國的建設得到大力發(fā)展，已建及在建的有400余座[1]。鋼管混凝土拱橋是以鋼管和混凝土組成的組合結構為主拱肋，共同承受外荷載的一種橋型，主拱肋的主要受力特點是偏心受壓，能充分發(fā)揮鋼材和混凝土兩種材料各自的優(yōu)點。鋼管混凝土拱橋因其受力性能的優(yōu)越性和施工的便利性，使得該類橋型不斷向更大跨徑發(fā)展[2-3]。對于大跨徑鋼管混凝土拱橋，橫向穩(wěn)定問題往往是工程師關注的重要問題，合理傾角的提籃拱橋可有效提高橫向穩(wěn)定性[4-5]。本文以沙尾左江特大橋為例，介紹主橋主要結構設計要點、靜力、動力及穩(wěn)定性分析成果，為同類橋梁工程設計提供參考。

1 工程概況

沙尾左江特大橋是南寧南過境線（吳圩機場至隆安段）公路上的一座特大橋，橋位位于崇左市扶綏縣龍頭鄉(xiāng)沙尾村東北方向約300 m處，跨越左江，是吳隆路上的重要控制性工程。橋位區(qū)地震基本烈度為7度，抗震設防烈度為8度。

沙尾左江大橋橋梁全長968.5 m，跨徑布置為3×（3×40） m預應力混凝土小箱梁+1×360 m中承式鋼管混凝土提籃拱+2×（3×40） m預應力混凝土小箱梁。主橋中心樁號為K23+182.454，采用中承式鋼管混凝土提籃拱橋，計算跨徑為340 m，主橋長為360 m，為世界最大跨度的公路鋼管混凝土提籃拱橋。主拱提籃傾角為10°，以拱腳鉸心連線為軸線向橋軸線方向內傾，拱腳鉸心中心間距為38 m。主橋橋面標準橫斷面寬度為38.5 m，雙向四車道，兩側分別設置2.5 m的人行道。下頁圖1、圖2分別為主橋橋型總體布置圖和主橋標準橫斷面圖。

2 主橋結構設計

2.1 主拱肋結構

主拱肋計算跨徑為340 m，主拱面內計算矢高為75 m，計算矢跨比為1/4.533。拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數m=1.55，內傾角θ=10°。單片拱肋為變高度四管桁式結構，拱頂、拱腳截面徑向高分別為7 m、12 m，肋寬3.2 m。每片拱肋由四肢管徑1 200 mm的鋼管混凝土弦管和管徑720 mm的綴管、管徑610 mm的豎向腹桿鋼管組成。拱肋上弦管壁厚24 mm，下弦管從拱頂到拱腳壁厚依次為24 mm、28 mm、32 mm。主弦管鋼材為Q345qC，其余鋼管均為Q345C鋼材，主弦管內灌注C60自密實補償收縮混凝土。單根拱肋分16個節(jié)段加工制作及安裝，節(jié)段最大吊裝重量為138.4 t。

2.2 橫撐結構

主拱肋橫撐采用剛度較大、便于安裝的X型橫撐。全橋橋面以上上弦平面共設置12組橫撐，下弦平面共設置10組橫撐，均為900×18 mm鋼管，橫撐鋼管材料為Q345C鋼材。

2.3 吊索體系

吊索采用15.2 mm環(huán)氧噴涂鋼絞線整束擠壓成型吊索體系，全橋共24對吊索，張拉端錨固在主拱上弦上緣，錨固端錨固在主橫梁的下翼緣。吊索縱向間距為12.4 m。

2.4 橋面系

橋面梁采用鋼格子梁的鋼-混凝土組合橋面板，橋面鋼格子梁由兩道主縱梁、五道次縱梁與吊索處的主橫梁及三道次橫梁組成。主橫梁順橋向設置與吊桿、拱上立柱、肋間橫梁及交界墩相對應，除端橫梁采用箱形截面外，其余均采用工字型截面。主橫梁標準間距為12.4 m，次橫梁標準間距為3.1 m;主橫梁橋梁中心線處梁高2.2 m，頂板厚20 mm，底板厚30 mm、36 mm、42 mm;主縱梁采用工字形截面，底板厚30 mm，頂板厚20 mm;次橫梁、次縱梁底板厚20 mm，頂板厚20 mm。鋼-混凝土組合結構的橋面底面鋼板厚度為10 mm，橋面板標準總厚度（不含鋼底板）為14 cm，承托處的總厚度為24 cm。鋼-混凝土組合橋面板的水泥混凝土采用C40鋼纖維混凝土，鋼纖維摻量為50 kg/m3。

2.5 拱座及基礎

主墩基礎為擴大基礎，基底落在完整基巖上，采用明挖施工，現澆混凝土。主墩基礎采用C30混凝土，拱座采用C40混凝土，封拱腳部分采用C50鋼纖維混凝土，鋼纖維摻量為50 kg/m3。兩岸拱座均為分離式基礎，平行橋軸線方向布置，基礎橫橋向寬度為12.7 m，縱橋向寬度為33 m，吳圩岸基礎高13 m，隆安岸基礎高8 m。

3 主橋結構靜力分析

3.1 計算模型

主橋結構整體靜力分析采用Midas Civil 2019軟件建立三維有限元模型。主拱肋采用鋼-混組合截面模擬，吊桿采用桁架單元模擬，拱肋、腹桿、橫撐采用梁單元模擬，主梁采用梁單元與板單元組合模擬，封拱腳前拱腳邊界條件為鉸接，封拱腳后拱腳邊界條件為剛接，其余梁底約束按實際支座布置情況模擬。全橋共5 824個節(jié)點，11 418個單元，根據施工過程共分15個施工階段。圖3為全橋空間結構計算模型示意圖。

3.2 強度驗算

3.2.1 承載能力極限狀態(tài)驗算

根據計算結果，對運營階段主拱肋單管抗壓承載能力和主梁應力進行驗算。

（1）主弦管驗算

主弦管主要截面的單管抗壓承載能力驗算結果如表1～2所示。計算結果表明，運營階段基本組合下主拱最不利截面抗力為54 174 kN，最小安全系數為1.024，主拱肋上、下弦桿承載力均滿足規(guī)范要求。

（2）主梁驗算

對標準段主梁應力進行驗算，結果如表3所示，表中數值考慮了結構重要性系數。從表3可以看出，主梁構件最大拉應力為234.3 MPa，最大壓應力為248.6 MPa，均滿足規(guī)范要求。

3.2.2 正常使用極限狀態(tài)驗算

頻遇組合及準永久組合下，對主弦管鋼材及管內混凝土進行正常使用極限狀態(tài)驗算。計算結果表明，主拱弦管鋼材最大壓應力為193 MPa，位于下弦管拱腳處;主拱弦管管內混凝土最大壓應力為26 MPa，位于下弦管拱腳處。拱肋混凝土容許應力為36.2 MPa，主拱鋼材的容許應力為295.0 MPa，皆大于拱肋構件實際應力，驗算結果滿足規(guī)范要求。

3.3 剛度驗算

（1）主拱剛度

主拱最大豎向向上變形為28.381 mm，最大豎向向下變形為-37.319 mm，撓度合計65.70 mm，主拱容許豎向撓度為360 000/1 000=360.0 mm，主拱剛度滿足要求。

（2）主梁剛度

主梁最大豎向向上變形為28.48 mm，最大豎向向下變形為-72.76 mm，撓度合計101.24 mm，主梁容許豎向撓度為360 000/800=450 mm，主梁剛度滿足要求。

3.4 穩(wěn)定驗算

根據計算結果，運營階段主橋的彈性穩(wěn)定分析結果見表4，前四階失穩(wěn)模態(tài)見圖4～7。從表4可以看出，主橋的穩(wěn)定安全系數為8.314>4，結構整體靜力穩(wěn)定性能較好。

3.5 基礎驗算

拱座基礎按嵌入完整中風化石灰?guī)r或破碎石灰?guī)r設計，根據主橋總體計算模型，將上部結構傳遞的反力施加到拱座及基礎上，并考慮拱座及基礎的自重與重心，對拱座基礎的抗滑穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性和基底應力進行驗算。

不考慮浮力時，最不利荷載工況，基底抗滑穩(wěn)定系數為2.04，抗傾覆穩(wěn)定系數為5.73，基底前趾、后趾均受壓，最大壓應力為993 kPa;考慮浮力時，最不利荷載工況，基底抗滑穩(wěn)定系數為1.40，抗傾覆穩(wěn)定系數為3.92，基底前趾、后趾均受壓，最大壓應力為774 kPa。計算結果表明，各項指標均滿足規(guī)范要求。

4 主橋結構抗震設計

分析和認識橋梁結構的動力特性是進行橋梁結構抗震性能分析的基礎和重要環(huán)節(jié)。如表5所示，列出了左江沙尾特大橋主橋主要振型及對應的周期和頻率。由表5可知，橋梁結構的基本周期為13.40 s。限于篇幅，本文僅給出第1階振型圖，如圖8所示。

由于全橋支座在順橋向均采用活動支座，在地震作用下，主梁易產生縱飄，引起較大的順橋向位移。為了有效減小主梁的縱向位移，主橋在交界墩位置設置了液壓粘滯阻尼器。經分析選型，最終確定阻尼器的阻尼系數為1 000 kN/（m/s）0.3，設計行程為300 mm。

5 結語

本文介紹了沙尾左江大橋主橋主要構件設計要點，并基于有限元程序對主拱結構進行靜力、動力及穩(wěn)定性分析，計算結果表明：

（1）沙尾左江大橋主橋各構件的材料、尺寸設計滿足強度要求。結構設計合理、可靠，能夠為同類橋梁工程設計提供參考。

（2）主橋采用中承式鋼管混凝土提籃拱橋，提籃傾角為10°，結構受力合理，主拱剛度安全系數為5.48，主梁剛度安全系數為4.44，結構剛度較大。

（3）主橋的穩(wěn)定安全系數為8.314，結構整體穩(wěn)定性能較好。

（4）地震作用下主梁易產生縱飄，引起較大的順橋向位移。為此，在交界墩位置設置了液壓粘滯阻尼器，通過阻尼器的減震耗能，減小主梁位移。

參考文獻：

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