单索面矮塔斜拉桥若干设计问题研究

张震

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

1 工程背景

矮塔斜拉桥从结构受力上讲，是介于斜拉桥和连续梁之间的一种桥梁形式。矮塔斜拉桥恒载是由主梁和斜拉索来共同承担的。斜拉索的索力是人为确定的，其索力大小取决于主梁和斜拉索分担恒载的比例大小。由于拉索锚固点靠近中腹板，且桥宽较宽，腹板剪力的分布存在不均匀性。通过空间实体有限元分析，总结同一断面上腹板剪力分布规律，根据计算结论优化腹板厚度和主梁配筋。

2 总体布置

现以广东省江门市礼乐河大桥为工程背景。该桥跨径布置为（65+110+65）m，塔梁固结，墩顶设置支座。跨中梁高2.5m，支点梁高4.2 m，梁高按1.7次抛物线变化。主桥立面图和横断面图见图1、图2所示。

图1 主桥立面图（单位：cm）

图2 主体横断面图（单位：cm）

主梁设计：主梁采用C55预应力混凝土箱梁，采用大挑臂单箱三室斜腹板断面。箱梁结构全宽33.2 m，支点梁高4.2 m，高跨比为1/26.2，跨中梁高2.5 m，高跨比为1/44，梁高按1.7次抛物线变化；外腹板倾斜角度为60°，箱梁挑臂宽5.6m，箱梁顶板厚0.32 m，底板厚0.3~0.6 m；边腹板厚0.6~0.9 m，中腹板厚0.6 m。

主塔设计：主塔采用双肢V形桥塔，布置在箱梁中央，采用C55混凝土。主塔采用实心截面，为钢筋混凝土结构，单肢为矩形断面，尺寸为2.4 m×2.0 m，双塔柱分丝管索鞍区，双塔柱间用带凹槽倒梯形实体连成整体。主塔全高19.0 m，有效高度为16 m，高跨比1/6.9。

斜拉索和索鞍设计：该桥拉索呈扇形布置，采用PE包裹防护环氧喷涂钢绞线斜拉索，拉索可单根更换，单根钢绞线规格直径为15.2 mm，钢绞线标准强度fpk=1 860 MPa。塔上索距0.9 m，梁上索距6.0 m，每塔设6组斜拉索，横向单排设置，全桥共12根斜拉索，拉索水平倾角19.24°~37.02°，单根拉索张拉力约为10 000 kN~12 000 kN，安全系数K≥1.8。钢束外侧设PE护套，PE管颜色可根据景观要求选用。锚具采用15-91可更换式夹片群锚。

该桥主塔采用分丝管索鞍，索鞍由多根平行导向钢管组焊而成，分丝管的半径为4.0~6.0 m。

3 模型建立

用Midas FEA建立空间实体有限元模型，取1/2桥建立模型，边界条件按实际模拟。混凝土部分采用四面体单元生成实体网格，斜拉索采用桁架单元，预应力钢束采用植入式钢筋模拟，全桥共计10万个节点、16万个单元。结构离散图见图3所示。

图3 结构离散图（半桥模型）

4 成桥状态下腹板剪力分布（见图4、图5）

图4 边跨剪力分担比例曲线图

图5 中跨剪力分担比例曲线图

从以上分析可以得出：

（1）边跨拉索区中腹板承担剪力比率为67.2%，边腹板承担剪力比率为32.8%。局部位置由于拉索的张拉有突变，靠近塔无索区，中腹板承担剪力逐渐减小，边腹板承担剪力逐渐增大，承担比率较接近。

（2）中跨拉索区中腹板承担剪力比率为63.0%，边腹板承担剪力比率为37.0%。局部位置由于拉索的张拉有突变，靠近塔无索区，中腹板承担剪力逐渐减小，边腹板承担剪力逐渐增大，承担比率较接近。

5 成桥状态下支座反力分布

主塔位置内侧支座反力是外侧支座反力的1.87倍左右，与线框架模型分析相比，实体单元分析反映出更具真实的情况（见图6）。如果只进行线框架分析，可能会导致无法正确选择合适的支座。

图6 恒载作用下支座反力分布柱状图

6 结语

通过Midas FEA空间有限元分析，矮塔斜拉桥在成桥状态自重作用下宽幅箱梁腹板剪力和主塔支座的空间分布特征，可得出以下结论：

（1）该桥40%的荷载由斜拉索来承担，因此部分剪力通过斜拉索传递到塔柱，然后通过塔柱传递到支座，其余部分剪力通过主梁腹板纵向传递。在有拉索的区域，斜拉索锚固在内侧腹板上，拉索锚固位置相当于一个弹性支撑，外侧腹板剪力通过横梁传递到内侧腹板，外侧腹板剪力减小较快，因此在拉索区域内侧腹板剪力要大于外侧腹板剪力。

（2）在无索区，由于没有拉索的约束，且无横隔板，内外侧腹板剪力不会横向传递，由于外侧腹板承担的恒载较大，外侧腹板剪力增加较快，因此内外侧腹板在无索区承担的腹板剪力的比值相差不大。

（3）矮塔斜拉桥40%荷载通过斜拉索传递到主塔，然后主要传递到主塔内侧支座，加上通过腹板传递的内力，因此内侧支座承担的反力较大。

（4）矮塔斜拉桥腹板剪力分布会影响箱梁的横梁计算配束，支座反力分布会影响支座选择的合理性。

因此，其成果可为矮塔斜拉桥设计横梁计算和支座选择提供一定的参考。