独塔斜拉桥主梁设计

李旭良 ，邓 娟

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北武汉 430071）

1 概述

芜申线五潭渡桥、徐葛大桥、泓口大桥桥梁工程是芜申线高溧段（高淳至溧阳）航道整治工程的配套工程，是适应航道整治提升等级而进行的工程建设项目。徐葛大桥位于溧阳市开发区境内徐葛村，为航道改线截断既有道路而增加的桥梁。道路等级:城市主干路。汽车荷载标准：公路-Ⅰ级。桥梁双幅布置，左幅桥孔跨布置为：4×25 m小箱梁+3×25 m小箱梁+（95+75）m斜拉桥+3×25 m小箱梁+15.5 m现浇箱梁+4×30 m小箱梁。右幅桥孔跨布置为：4×25 m小箱梁+（75+95）m斜拉桥+3×25 m小箱梁+3×25 m小箱梁+15.5 m现浇箱梁+4×30 m小箱梁。单幅主桥宽度17.5 m，设置2 m人行道、3.5 m非机动车道及8 m机动车道。单幅引桥宽度13 m，设置3.5 m非机动车道及8 m机动车道。桥梁起点桩号K0+180.460，终点桩号K0+740.040，全长559.58 m。跨越航道为三级航道，通航净宽60 m，通航净高7.0 m，与航道中心线夹角77.3°。图1为徐葛大桥效果图。

图1 徐葛大桥效果示意图

2 主梁结构设计

主梁采用边主梁形式，预应力混凝土结构，混凝土标号C50。梁高2.2 m，梁顶宽17.5 m，顶板厚度28 cm，肋宽1.6 m。设单向2%横坡，横梁间距采用6 m。为平衡结构不对称重量，通过计算后确定边跨靠近过渡墩17.15 m范围内采用实心截面。图2为主梁横断面构造。

图2 主梁横断面构造（单位：cm）

3 主梁钢束布置

3.1 主梁钢束纵向布置

主梁采用满堂支架浇筑主梁5个施工节段。主梁纵向钢束在每个施工段采用连接器连接，每个施工节段浇筑完后张拉各节段主梁钢束。主梁顶板设置19束19-15.2钢束，边主梁设置10束19-15.2钢束，在边跨配重实体段底板设置18束5-15.2钢束和2束19-15.2钢束。图3为钢束横断面构造图。

图3 钢束横断面构造（单位：cm）

3.2 主梁横梁钢束布置

该桥半幅主梁宽度17.5 m，主梁宽度较窄，横梁受力较小，横梁钢束的布置主要考虑避让主梁内斜拉索预埋管。设计过程中根据桥梁纵坡和斜拉索两个方向的倾角画出实际模型，对每个横梁处钢束进行精确定位，以保证横梁钢束避让预埋导管和主梁纵向钢束。

4 计算分析

4.1 总体计算模型

采用Midas Civil2006建立整体分析模型，主梁、索塔按梁单元模拟，共321个节点，190个单元。斜拉索按等效桁架单元模拟（考虑弹模恩斯特修正），共56个单元。图4为整体分析模型。

图4 整体分析模型

4.2 斜拉索成桥合理索力确定

随着设计理论的发展，设计软件不断完善，施工方法的改进和高强轻质材料的应用，斜拉桥的发展正进入一个崭新的时代。今天的斜拉桥几乎都是密索体系，属高次超静定结构。斜拉桥的设计自由度很大，可以通过调整斜拉索索力来改变结构的受力状态，一旦斜拉桥的结构布局确定，总能找到一组索力，在确定的荷载作用下，使整个结构满足某种理想状态，如塔、梁、墩中弯曲应变能最小，即合理成桥状态。合理成桥状态的确定通常不考虑施工过程，只根据成桥状态的受力来计算，为了寻求合理的成桥状态，各种方法应运而生。该桥采用一种能满足工程设计要求、简单易行的对成桥索力进行优化的实用方法。

用MIDAS程序计算斜拉桥成桥优化索力的步骤为：（1）确定斜拉桥的结构布局；（2）建立斜拉桥空间模型，节点坐标采用斜拉桥设计成桥坐标，主梁、索塔用梁单元模拟，拉索用桁架单元模拟，抗弯刚度取实际值，抗压刚度取值，用MIDAs截面特性调整系数功能进行截面刚度调整；（3）施加结构自重及二期恒载等外荷载，作一次落架成桥计算，计算的索力就是弯曲能量最小时的最优索力，所得内力就是弯曲能量最小时的成桥内力，计算所得位移结果无任何物理意义；（4）局部调整单元刚度，使整个结构受力合理，优化结构内力，可视其为斜拉桥成桥状态的合理内力。按恒载计算的成桥索力，与施工方法无关。

该桥采用对抗压刚度增大10 000倍的方法来确定最小弯曲能量法[3]下的索力。该桥弯曲能量最小法索力及主梁弯矩见图5、图6。

图5 成桥状态索力

图6 成桥状态主梁弯矩

主梁最大弯矩在边跨配重处为7 027.3 kN·m，最小弯矩在主跨第一个斜拉索处为5 756.4 kN。通过最小弯曲能量法计算出斜拉索主梁弯矩和索力比较均匀，能满足设计要求。

4.3 主梁应力

该桥为预应力混凝土主梁独塔斜拉桥，整体静力计算按空间杆系有限元原理，采用MIDAS有限元程序进行计算，按施工工序分析了施工各阶段及运营阶段的应力和变形情况，计算中计入了恒载、活载、混凝土收缩徐变、预应力、温度变化、风载、汽车制动力、支座沉降、施工荷载等荷载。按施工阶段流程和运营阶段，逐阶段计算结构各截面内力、应力和位移。成桥运营计算包括恒载、活载、支座沉降、温度及静风力等，按规范[1]进行最不利荷载组合。

该桥主梁施工采用满堂支架浇筑，施工阶段应力不受控制。通过计算，该桥营运阶段长期效应组合最小压应力为2.15 MPa，短期效应组合最小压应力为0.68 MPa，标准组合最大压应力为15.7 MPa，最大主压应力为15.8 MPa，最大主拉应力为-0.68 MPa。各种组合应力均能满足规范要求，并有一定安全储备。主要应力见图7～图10。

图7 短期效应顶板最小压应力

图8 短期效应底板最小压应力

图9 标准组合效应顶板最大压应力

图10 标准组合效应底板最大压应力

5 施工工序

已建斜拉桥大部分采用挂篮悬臂浇筑主梁。由于该项目采用先完成上跨桥梁的施工，然后开挖航道，为加快施工进度，主梁采用满堂支架施工。先施工主桥桥墩及桥塔，然后依次浇筑主梁5个施工节段，并张拉各阶段主梁钢束，接着依次初张拉斜拉索，拆除支架进行桥面系施工，最后二次张拉斜拉索。图11为主桥施工流程图。

图11 主桥施工流程图

6 结语

弯曲能量最小法可实现成桥阶段最优索力，简单易行，用一般的平面杆系均可实现。

徐葛大桥设计力求技术先进、简洁美观、结构安全耐久、施工方便、造价经济。该桥于2011年6月开始施工，2012年12月主桥施工完成。从现场施工情况来看，主梁应力结果与设计结果比较吻合。该桥的设计思路代表了同类跨径斜拉桥梁设计的普通性，可为同类桥梁设计提供借鉴经验。

[1]JTG D60—2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[2]JTG D60—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[3]周孟波.斜拉桥手册[M].北京：人民交通出版社，2004.

[4]范立础.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2001.