拱塔斜拉桥设计

李东潇，孙海波，胡明刚

（山东省交通规划设计院集团有限公司，山东 济南 250031）

1 工程概况

该桥位于辽宁省朝阳市，跨越什家子河。为改善人民生活质量，提高城市市政基础设施水平，加快城市发展进程，急需新建一座桥梁连接新城区与老城区，以满足日益增长的交通量，同时为协调城市景观，打造新地标，桥梁主桥采用V 型拱塔斜拉桥。

2 结构设计

大桥主桥采用两跨钢拱塔双索面斜拉桥，跨径布置为2×90 m，其中两个钢拱塔呈V 字形布置于中间，上部结构采用预应力混凝土现浇箱梁，下部结构采用实体桥墩，基础采用钻孔灌注桩群桩基础。

主梁采用单箱四室预应力混凝土箱梁，全宽34 m，梁高2.8 m。顶板厚28 cm，底板厚28 cm，塔处增加至55 cm；腹板厚45 cm，塔处增加至75 cm。拱塔采用V 型双拱塔，拱塔中心倾斜20°。拱轴线为椭圆形，拱塔断面为单箱单室钢箱断面，宽度由塔根4.5 m 渐变至塔顶2.5 m，为正方形。顶、底、腹板厚均为30 mm，塔根附近增厚至40 mm。标准横隔板垂直于拱塔轴线，间距2 m 左右，板厚16 mm。斜拉索和水平拉索均采用高强度镀锌平行钢丝外挤包高密度聚乙烯拉索，标准强度1 670 MPa，型号为PES(C)7-151 和PES(C)7-187，全 桥 共40 根。下 部结构塔根采用矩形变截面钢筋混凝土结构，上宽下窄，底部截面10×5.7 m。主墩为正方形实心混凝土墩，3×3 m。塔根与主墩共用承台，承台厚4.5 m，上设二承台厚度2 m，承台平面形状为八边形，宽度24.8 m，主墩两个承台之间设系梁，尺寸为8×4.5 m。

主梁按照A 类预应力混凝土构件设计，钢拱塔按照容许应力法设计，斜拉索按照极限状态法设计[2]。

3 结构计算

3.1 有限元模型建立

采用有限元软件Midas Civil 对主桥建立模型，进行计算分析。整个计算模型共计268 个节点，264个单元，有限元模型见图1。

图1 拱塔斜拉桥有限元模型

3.2 主梁正截面抗弯承载力验算

由图1、图2 可以看出，截面的设计弯矩均小于极限承载弯矩，各截面的抗弯承载力均满足《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）要求。

图2 基本组合下的弯矩抗力及对应内力/（kN·m）

3.3 主梁抗裂验算

3.3.1 正截面抗裂验算

由图3、图4 可以看出，截面最大拉应力1.3 MPa，小于0.7ftk=1.92 MPa，满足要求。另外，准永久组合下截面均处于受压状态，未出现拉应力，满足要求。

图3 频遇组合下截面上缘最小正应力/MPa

图4 频遇组合下截面下缘最小正应力/MPa

3.3.2 斜截面抗裂验算

由图5 可以看出，截面最大主拉应力1.17 MPa，小于0.5ftk=1.37 MPa，满足要求。

图5 频遇组合主拉应力/MPa

3.4 主梁挠度验算

活载作用下的最大挠度见图6、图7，主梁最大竖向挠度为44 mm ＜L/500=180 mm，满足要求。

图6 活载作用下的最大挠度/mm

图7 活载作用下的最小挠度/mm

3.5 钢拱塔应力

由图8、图9 可以看出，成桥阶段钢拱塔最大压应力为-79.9 MPa，主力组合（成桥+活载作用）下，钢拱塔最大压应力为-88.1 MPa，小于规范规定的210 MPa。主力+附加力组合作用下，钢拱塔最大压应力为-114.4 MPa，小于规范规定的273 MPa，满足要求。

图8 主力组合拱塔应力/MPa

图9 主力+附加力组合拱塔应力/MPa

3.6 拉索索力

通过索力优化调整[3]，见图10，基本组合下拉索最大索力6 129.9 kN，最大拉应力为852 MPa，小于《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）规定的900 MPa，满足要求。

图10 基本组合下拉索索力/kN

4 结语

V 型拱塔斜拉桥不仅实现了交通功能需求，凭其独特的造型，提高了城市景观性，成为当地新地标。通过索力优化调整，索力分布合理，成桥状态下索、梁受力各分担50%恒载，拉索和主梁强度均得到了充分利用[1]。根据计算结果，主梁和钢拱塔的强度、刚度以及斜拉索强度均满足要求。