PC斜拉桥主梁箱形截面优化设计研究

燕松波，李伟平，蔡锁德

（1.中石化胜利建设工程有限公司，山东东营 257000；2.中石化西南油气分公司，四川德阳 618000）



PC斜拉桥主梁箱形截面优化设计研究

燕松波1，李伟平1，蔡锁德2

（1.中石化胜利建设工程有限公司，山东东营 257000；2.中石化西南油气分公司，四川德阳 618000）

摘要：近年PC斜拉桥即预应力砼斜拉桥的应用越来越广泛，但现行斜拉桥设计细则关于斜拉桥设计的相关条文内容不够全面，对设计的指导意义相对较小，设计大多根据经验进行，从桥梁建设的科学性和经济性角度来讲有待提高。文中针对PC斜拉桥主梁箱形截面设计中存在的不足，以改善其横向受力性能及提高局部稳定性为目标，以截面高度、顶底板厚度、腹板厚度、箱梁宽度等参数为变量，对PC斜拉桥常用主梁箱形截面的局部优化设计进行分析研究，并根据有限元模型计算得到的箱形截面优化参数值给出合理化设计建议。

关键词：桥梁；PC斜拉桥；主梁；箱形截面；优化设计

PC斜拉桥（预应力砼斜拉桥）因其跨越能力强、桥面结构高度小、适应性强、造价经济等显著优点，目前在国内外有着广泛的应用。但国内相关规范对斜拉桥设计的条款较少，且基本为定性的指导原则，对实际设计的指导作用相对较小，设计人员大多还是根据经验进行设计。

作为PC斜拉桥重要组成部分的主梁，对整个结构的受力性能、施工组织、投资等具有重要的控制作用。目前PC斜拉桥主梁截面有空心板截面、整体箱形截面（包括加斜撑箱形截面）、双边箱截面和单箱多室截面等形式，其中最常用的是箱形截面。如何选取PC斜拉桥主梁合理的箱形截面对于控制成桥应力、施工难度、施工工期及工程造价等均影响重大，甚至起决定性的作用。目前国内外针对PC斜拉桥主梁截面开展的相关研究较少，这与PC斜拉桥应用日趋广泛的状况差距较大。该文对PC斜拉桥箱形截面的适用性、受力性能、经济性、耐久性等进行研究，以成桥应力状态作为目标对各种截面尺寸、构造等进行优化设计研究，为PC斜拉桥设计决策提供科学依据。

1　分析模型

以某独塔双跨斜拉桥为工程背景建立ANSYS有限元分析模型，结构形式对称布置。该独塔斜拉桥采用密索体系，结构布置见图1。

PC斜拉桥的箱形截面形式主要有双边箱截面、单箱加斜撑式截面和单箱多室截面3种（见图2）。这里采用单箱三室截面，截面形式及各参数的初始取值见图3。

图1　某独塔双跨斜拉桥结构布置示意图

图2　主梁典型截面形式示意图

图3　箱形主梁截面示意图（单位：cm）

2　箱形截面优化分析结果

对截面各尺寸控制参数进行单变量分析，采用弯曲能量最小法得到对应取值的斜拉桥合理成桥状态。主梁顶、底板的宽度通常受桥涵净空的限制，在此不作参数分析。

2.1箱形主梁截面高度w3参数分析

图4为截面高度为1 m时斜拉桥成桥状态。截面高度取其他值时，斜拉桥成桥状态与图4类似。优化结果见表1、图5。其中用索量用索力×索长表示，以下相同。

图4　截面高度为1 m时斜拉桥成桥状态

表1　箱形主梁截面高度的参数分析结果

图5　箱形主梁截面高度参数分析结果

从图4、表1和图5可以看出：采用弯曲能量最小法得到的分析模型的主梁和塔的弯矩分布合理、斜拉索索力均匀、成桥位移较小。随着截面高度的增大，成桥时主梁的弯曲应变能和最大位移均呈减小趋势，且减小幅度渐趋平缓。说明过高的主梁截面对于减小斜拉桥成桥时的主梁弯曲应变能和竖向位移并无太大的帮助。截面高度的增大将导致斜拉索用索量增加，但影响并不是很大。

2.2箱形主梁底板厚度t1参数分析

图6为底板厚度为0.1 m时斜拉桥成桥状态。底板厚度取其他值时，斜拉桥成桥状态与图6类似。优化结果见表2、图7。

从图6、表2和图7可以看出：底板厚度取值过大与过小均不可行，存在一个合理的底板厚度取值使得主梁弯曲应变能和主梁最大位移最小，该桥底板厚度取0.3 m比较合理；斜拉索的用索量随着底板厚度增加显著增大。

图6　底板厚度为0.1 m时斜拉桥成桥状态

表2　箱形主梁底板厚度参数分析结果

2.3箱形主梁顶板厚度t2参数分析

图8为顶板厚度为0.1 m时斜拉桥成桥状态。顶板厚度取其他值时，斜拉桥成桥状态与图8类似。优化结果见表3、图9。

从图8、表3和图9可以看出：顶板厚度取值过大与过小均不可行，存在一个合理的顶板厚度取值使得主梁弯曲应变能和主梁最大位移最小，该桥顶板厚度取0.3 m比较合理；斜拉索用索量随着顶板厚度的增加显著增大。

3　参数灵敏度分析

为研究不同参数变化对结构受力状态及全桥经济性的影响，对结构尺寸增大50%对斜拉桥成桥时箱形截面主梁受力性能和全桥用索量的影响进行分析，结果见表4。

图7　箱形主梁底板厚度参数分析结果

图8　顶板厚度为0.1 m时斜拉桥成桥状态

表3　箱形主梁顶板厚度参数分析结果

图9　箱形主梁顶板厚度参数分析结果

由表4可知：1）梁高取值对斜拉桥成桥时主梁弯曲应变能及主梁最大位移的影响最大，在设计时应着重考虑。梁高大于2 m时，影响程度稍微有所降低。2）顶、底板厚度取值应适中，过大或过小对主梁受力均不利。相比其他变量，顶、底板厚度取值对全桥用索量的影响更大。3）腹板厚度取值应着重考虑构造要求，其对成桥时主梁受力性能及用索量的影响较小。

表4　结构尺寸增大50%对箱形截面主梁受力性能及全桥用索量的影响　%

4　结论

（1）主梁截面设计参数及细部尺寸的选取对斜拉桥合理成桥状态影响较大。

（2）从使斜拉桥成桥状态更为合理的角度考虑，箱形主梁截面高度宜取较大值，腹板厚度宜取较小值，顶、底板厚度存在一合适取值使得成桥时主梁弯曲应变能和主梁最大位移最小。

参考文献：

［1］ 程庆国，潘家英，高路彬，等.关于大跨度斜拉桥几何非线性问题［A］.全国桥梁结构学术大会论文集（下册）［C］.1992.

［2］ 程翔云.双室箱梁顶板的横向计算研究［J］.中国公路学报，1996，9（4）.

［3］ 邓尚平.斜拉桥分离式箱形桥面空间受力分析［J］.铁道勘测与设计，2002（5）.

［4］ 邓学军，于咏，潘建东.箱型梁的横向计算［J］.辽宁交通科技，2004（2）.

［5］ 方兴.大跨度斜拉桥非线性及整体稳定性研究［D］.北京：北京工业大学，2003.

［6］ 丁南宏，林丽霞，孙迎秋.公路连拱桥在单车荷载下振动的理论和试验研究［J］.兰州交通大学学报，2005，24 （3）.

［7］ Moses F.Weight in motion system using instrumental bridges［J］.Journal of Transportation Engineering，1979，105（3）.

［8］ Timoshenko S P.Forced vibration of prismatic bars ［R］.Izvestiya Kievskogo Politekhnicheeskogo Institute，1998.

［9］ Claude Broquet，Simon F Bailey，Mario Fafard，et al. Dynamic behavior of deck slabs of concrete road bridges［J］.Journal of Bridge Engineering，2004，9（2）.

［10］ 王伯惠.斜拉桥结构发展和中国经验（上册）［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［11］ JTJ 027-96，公路斜拉桥设计规范（试行）［S］.

［12］ 胡可，刘安双.安庆长江公路大桥总体设计［A］.中国公路学会桥梁与结构工程学会2002年全国桥梁学术会议论文集［C］.2002.

［13］ 杨霞林，李乔，吴亚平.斜拉桥箱形主梁尺寸的优化分析［J］.公路交通科技，2007，24（10）.

［14］ 梁才，陈鑫.PC斜拉桥箱形主梁截面优化分析［J］.中国公路，2014（增刊1）.

［15］ 李德建，戴公连，黄玉盈.混凝土斜拉桥肋板式主梁截面应力分布特性［J］.华中科技大学学报：自然科学版，2002，30（12）.

中图分类号：U448.27

文献标志码：A

文章编号：1671-2668（2016）03-0154-04

收稿日期：2015-07-16