鸭绿江界河公路大桥主桥辅助墩位置参数分析

盛春红，吴宏业

(1.沈阳科技学院 沈阳市 110167； 2.辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

0 引言

斜拉桥[1]主要是由主梁、主塔、斜拉索等组成的大跨高次超静定结构桥梁，受力较为复杂。斜拉桥的受力模式和其它梁式桥有所不同，对于一般的梁式桥梁结构来讲，如果结构尺寸、材料及二期恒载都确定以后，结构的恒载内力随之确定，基本不会改变；而斜拉桥则不同，虽然结构尺寸、材料及二期恒载都确定以后，由于拉索等多约束多受力构件的存在，结构的恒载成桥内力却可以有多种组合，一般所讲的最优成桥内力也只能是一个相对最优的状态，因而斜拉桥的结构计算经历了从平面计算到空间计算、从静力计算到动力计算、从线性计算到非线性计算、从局部模型计算到全桥模型计算的过渡，逐步发展完善。位于中朝界河边境的鸭绿江界河公路大桥就是一座典型的大跨斜拉桥结构。

1 工程概况

中朝鸭绿江界河公路大桥及接线是我国连接朝鲜民主主义人民共和国的重要通道，是构建东京-汉城-平壤-北京-莫斯科-伦敦欧亚国际大通道的重要组成部分。鸭绿江界河公路大桥长3026m(图1)，主桥采用钢箱梁斜拉桥。大桥跨越鸭绿江，为中朝两国的陆路口岸通道，是我国目前最大的界河桥梁。

图1 主桥总体布置(单位：cm)

桥孔布置(86+229+636+229+86)m，为双塔双索面钢箱梁斜拉桥，连续半漂浮体系。主梁采用正交异性钢桥面板扁平钢箱梁结构，梁高3.5m，宽33.5m。H型索塔，高194.6m，采用箱形变截面，基础采用钻孔桩基础。辅助墩及过渡墩采用箱型墩。斜拉索为高强平行钢丝斜拉索，扇形布置，主梁上的标准索距16.0m，全桥共4×19对斜拉索。

2 辅助墩设置的机理及原则

斜拉桥由于跨径较大，可以在边跨设置辅助墩，这样既能减少边跨施工时悬臂长度、又能很好地增强结构的整体刚度，从而达到减小大桥在成桥状态下的主梁内力、塔根弯矩、塔顶水平位移、改善主梁竖向变形的目的，这种为了提高结构的整体刚度而设置的边跨中间支墩称为辅助墩。但是，对于一座斜拉桥来讲，是否设置辅助墩，辅助墩设置在哪里都是不确定的，也就是说辅助墩设置合理参数(辅助墩设置的数量以及合理位置)都将对大桥的内力和变形产生不同程度的影响。以鸭绿江界河公路大桥主跨636m斜拉桥为工程背景，建立了空间有限元模型，系统研究并比较了辅助墩对斜拉桥力学性能的影响，得到了辅助墩设置的合理参数(辅助墩设置的数量以及合理位置)，其研究成果为鸭绿江界河公路大桥及同类型桥梁设计提供重要参考。

3 中朝鸭绿江界河公路大桥考虑的辅助墩设置参数分析

应用平面杆系程序-桥梁博士计算，将结果离散为平面杆系模型，按整体成型对成桥阶段及运营阶段进行整体受力分析计算。全桥共划分为281个节点，350个单元。计算共分86个施工阶段。边界条件为：

(1)索塔底部固结。钢箱梁与下横梁约束竖向位移，与塔柱约束横向和转动位移。

(2)辅助墩处约束竖向位移。

(3)过渡墩处约束竖向和横向位移。

(4)临时墩处约束竖向位移。

塔底弹性模拟，其刚度矩阵为：

3.1 结构非线性修正

鸭绿江大桥主桥跨径达到了600m级，几何非线性效应明显，因此为了能更好地分析出中朝鸭绿江界河公路大桥的辅助墩设置参数，须在计算时充分考虑几何非线性影响，本桥分析时特别考虑了以下两方面的非线性影响：

(1)斜拉索垂度的影响，采用等效弹模-Ernst修正的方法。等效弹模-Ernst修正的方法及计算公式见式(1)。

(1)

全桥共4×19对斜拉索，分别为PES7-121、151、199、221、253等5种类型。具体方法为模型计算时修正拉索材料的弹模，由于不同长度的拉索根数有19种，种类过多，考虑到计算的可实现性，在计算模型里分批次自定义斜拉索材料，将经过等效弹模-Ernst修正后弹模比较接近的3～4根斜拉索归并为一类。具体数值本文不一一列出。

(2)塔梁轴力、弯矩耦合产生的梁—柱效应(也就是P-Δ效应)的影响。具体为修正结构的刚度矩阵：该非线性修正由专业有限元软件程序自动考虑实现。

(2)

3.2 具体辅助墩参数分析[2]

鸭绿江大桥主桥600m级大跨斜拉桥是否需要设置辅助墩呢？设置在哪里合适呢？下面将着重阐述。选用了A、B、C、D、E五种工况进行对比分析，其中A代表辅助墩设置在边跨第10根斜拉索主梁锚固点下，B代表设置在第12根斜拉索主梁锚固点下，C代表设置在第14根斜拉索主梁锚固点下，D代表设置在第16根斜拉索主梁锚固点下，E代表不设置辅助墩工况(图2)。A、B、C、D、E五种工况的不同之处是是否设置辅助墩，以及辅助墩的设置位置不同，即次边跨/边跨≈L′1/L1不同，次边跨/边跨比值见表1。

统计分析辅助墩参数对体系主要受力和变形的影响，并进一步确定该主要设计参数的取值范围和影响程度。

首先来看A、B、C、D、E五种工况辅助墩位置对主梁的影响，具体做法是针对以上五种工况建立不同的模型，利用最小弯曲能量简化计算方法，忽略结构剪力影响的条件下，改变构件弯曲刚度，即同时减小塔、梁、索的抗弯惯性矩Iz，一般减小1000倍，施加静力恒载，得出的内力状态即为能量最小，通过快速有效的进行一次落架计算，得出结构的整体受力状态，然后将五种工况的重要数据(主梁弯矩，主梁竖向位移，索塔塔根弯矩，索塔塔顶位移等)一一提出，整理绘图至同一对比表格，以期找出参数规律，具体表格详见图3～图6。

图2 辅助墩不同位置布置

表1 鸭绿江大桥主桥辅助墩设置位置表

图3 活载作用下辅助墩不同位置参数布置主梁竖向位移对比图

图4 活载作用下辅助墩不同位置参数布置主梁弯矩对比图

图3、图4为体系在活载作用下的各种效应对比图。从图中可以看出响应最大的为不设置辅助墩的E工况，因此设置辅助墩可以明显减小主梁的竖向变形，提高主梁的整体刚度，设置辅助墩的主梁跨中挠度约为不设置辅助墩的65%左右。可以明显减小主梁弯矩，设置辅助墩的主梁跨中弯矩约为不设置辅助墩的50%左右。A、B、E工况受力影响较大，C、D工况影响较小。也就是说对于活载作用下工况，设置辅助墩设置位置越靠近塔根位置越好，到一定程度即次边跨/边跨≈L′1/L1=0.2～0.3区域稳定。

从图5、图6中可以看出设置辅助墩可以明显减小主塔塔顶水平位移，设置辅助墩的主塔塔顶水平位移约为不设置辅助墩的50%左右。可以明显减小主塔根部弯矩，设置辅助墩的主塔根部弯矩约为不设置辅助墩的40%左右。A、B、E工况受力影响较大，C、D工况影响较小。也就是说单纯对活载来讲，设置辅助墩可以很好地提高结构的刚度，次边跨/边跨越大，辅助墩越靠近主塔，结构受活载作用越理想。那么，是否每一种荷载或者作用都是这种规律，其影响程度是否一致，下面我们接着来分析辅助墩各工况在整体升降温、收缩徐变作用下对体系的影响。限于篇幅的原因，以下篇幅中整体升降温、收缩徐变作用下仅给出主梁弯矩、主塔塔根弯矩对比结果，主梁竖向位移，及主塔塔顶位移将不再给出对比结果。

图5 活载作用下主塔水平位移对比图

图6 活载作用下主塔塔根弯矩对比图

图7 整体升降温作用下辅助墩不同位置参数布置主梁弯矩对比图

图8 收缩徐变作用下辅助墩不同位置参数布置主梁弯矩对比图

图7为体系在整体升降温作用下的主梁弯矩效应对比图，图8为体系在收缩徐变作用下的主梁弯矩效应对比图。图9、图10为主塔的对比图。对整体升降温荷载来讲，设置辅助墩次边跨/边跨越小，辅助墩越远离主塔，结构受活载作用越理想。对收缩徐变作用来讲，主梁及主塔内力并不像活载和整体温度作用下逐渐增大或减少，而是出现了一个最优点，三者综合影响了辅助墩在哪个区域位置将会是体系最优的位置。综合以上内容，可以得出设置辅助墩对大跨斜拉桥体系受力有着很大程度的改善与提高，且次边跨/边跨跨径比值存在一定的合理区间，见图11。

图9 整体升降温作用下主塔水平位移对比图

图10 收缩徐变作用下主塔塔根弯矩对比图

图11 辅助墩不同位置参数布置主塔塔根弯矩对比图

3.3 目前国内同类桥梁设置情况

国内已经建成或在建的主跨600m以上钢箱梁斜拉桥的辅助墩设置情况统计见表2。

表2 国内主跨600m以上钢箱梁斜拉桥的

从表2统计情况也可以看出，国内跨度在600m以上的数座其他钢箱梁斜拉桥[3-4]在布置中也多数采用了设置辅助墩的方式，且次边跨/边跨跨径比值大都在0.25～0.3区间范围内，与得到的结论比较吻合。建议大跨斜拉桥400～800m需在两侧边跨均设置一处辅助墩，且次边跨/边跨跨径比值在0.25～0.3区间附近择一合适位置设置。

4 结论

通过对鸭绿江界河公路大桥临时墩设计的讨论可以得出以下结论：

(1)经比较分析设置辅助墩，塔顶水平位移、主梁跨中挠度、塔根弯矩和边跨主梁弯矩都明显减少，鸭绿江大桥设置辅助墩约为不设置辅助墩的40%～65%。

(2)活载作用，次边跨/边跨越大，辅助墩越靠近主塔，结构受活载作用越理想，到一定程度即次边跨/边跨≈L′1/L1=0.2～0.3区域稳定。

(3)整体升降温作用，次边跨/边跨越小，辅助墩越远离主塔，结构受整体升降温作用越理想。

(4)收缩徐变作用，次边跨/边跨在某一合理位置，结构受收缩徐变作用越理想。

(5)综合对比分析辅助墩位置设置在0.25～0.3区间比较理想，鸭绿江大桥采用的位置比为0.27。