超宽幅矮塔斜拉桥设计与总体受力性能分析

王楠

（江苏中设集团股份有限公司，江苏 无锡 214072）

矮塔斜拉桥是一种索辅桥梁结构，这种桥梁结构既有梁桥的受力特性，也有斜拉桥的受力特性。通过拉索的辅助支撑效果使得主梁的跨越能力得到进一步提升。同时通过对拉索承载比例的控制，使得大部分荷载仍通过主梁自身承担，以使其经济效益在可控范围之内[1-3]。

矮塔斜拉桥的拉索布置主要分为中央索面和外侧双索面两种形式。其中设置中央索面的一般采用平行的双排拉索锚固与主梁中央位置，为了缓解锚固区位置的应力集中问题，一般在中央拉索锚固位置对主梁顶板进行加厚处理，两侧的悬臂宽度可根据横向受力的要求进行设计。对于外侧设置双索面的矮塔斜拉桥，一般采用单箱多室结构形式，外侧挑臂的尺寸一般选择较小，其主要功能是为拉索提供锚固支撑[4-5]。现有矮塔斜拉桥的设计中主要秉承了梁桥的受力理念，主梁断面尺寸较大，箱梁自重大，自重的占比较高。如何通过箱梁的轻型化设计，降低矮塔斜拉桥的自重，使其承载能力得到更好的发挥，是矮塔斜拉桥进一步发展过程中需要探索的主要问题之一。

本文以某矮塔斜拉桥为依托，对超宽幅矮塔斜拉桥的轻型化设计问题进行了研究，探索采用带肋大悬臂矮塔斜拉桥的合理结构形式和受力性能，以形成一种构造新颖的轻型矮塔斜拉桥结构。

1 依托工程概况

本文的依托某城市快速路的建造需求，对超宽幅矮塔斜拉桥的设计进行探讨，并对其总体受力性能进行分析。依托工程跨越内河河道，河床的总体宽度为122m，根据通航要求，桥梁的主跨跨径形式宜取为135m，考虑到本桥的主跨跨径较大，如果采用传统的连续梁桥，在运营阶段易出现下挠等病害。为了提升桥梁运营期的长期性能，提升桥梁综合品质，本桥选用了混凝土矮塔斜拉桥结构形式。综合考虑本桥的跨径布置采用75+135+75m，见图1，采用上下行双幅布置。

图1 桥梁总体布置示意图（单位：m）

根据交通规划的要求，近期桥梁桥位处的通行要求为：5.5m（人行道）+8m（非机动车道）+（分隔带）+11.8m（机动车道）+（分隔带）+11.8m（机动车道）+（分隔带）+8m（非机动车道）+5.5m（人行道）。远期桥位处的通行要求为：2.5m（人行道）+11m（混行车道）+（分隔带）+11.8m（机动车道）+（分隔带）+11.8m（机动车道）+11m（混行车道）+2.5m（人行道）。在设计时需要整合考虑近期断面的布置要求和远期改造的需要。

由于桥梁的总宽度较大，为了减小桥梁结构的自重，在设计中需要对其断面构造开展研究，形成合理断面构造形式，在满足承载能力的前提下尽可能减小混凝土自重，这也是本桥在设计过程中需要解决的主要问题。

2 带肋大悬臂矮塔斜拉桥结构设计

2.1 横向断面设计

结合上述分析，本桥设计的主思路为“轻型化”设计思路，将结构的承载性能充分应用于抵抗活载效应，尽量降低混凝土主梁的自身重量。因此在设计期间在综合传统矮塔斜拉桥断面设计的基础上提出了采用带肋大悬臂的断面形式。结合单索面斜拉桥的受力特点，主梁采用抗扭性能较好的整体式预应力混凝土箱型断面，采用单箱三室形式，单幅断面宽度为30m。为了尽可能减轻结构自重提高结构效率，两侧翼缘板采用带横向肋板的大挑臂形式以减轻自重。同时边腹板采用60°斜腹板形式，减小主梁底板的混凝土用量，达到最大程度降低重量的目标。通过理论分析与研究，确定了本桥的合理断面形式，见图2。断面采用左右幅分离式布置，单幅桥梁断面总宽度为30m，横向采用单向横坡布置。主梁跨中标准断面见图2a），箱梁顶宽30m，底板宽度16.564m，外侧梁高为2.48m，内侧梁高为3.08m。两侧采用大悬臂构造，悬臂端部至底板外侧的距离达到6.718m。为了缓解大悬臂的受力性能，在悬臂下方设置加劲肋，加劲肋端部高度为20cm，根部与底板下缘齐平，在缓解其横向受力的同时取得良好的景观效果。支点断面在跨中断面的基础上进行变高处理，保持顶板、挑臂和加劲肋不改变的情况下，将斜腹板沿着与跨中相同的斜度向下延伸至对应梁高位置。这样的设计可以获得优美外形的基础上，便于箱梁模板的加工制造。支点位置梁高在跨中梁高的基础上增加2m，外侧梁高为4.48m，内侧梁高为5.08m。

图2 关键断面设计示意图（单位：cm）

2.2 总体构造设计

在确定跨中截面和支点截面的基础上，其他位置的梁高按照加劲肋构造不变的原则，采用二次抛物线变化，其中墩顶梁高为5.14m，高跨比为1:26.3，跨中梁高为3.14m，高跨比为1:43.0，梁底曲线按照2.0 次抛物线线形过渡。主墩根部设置13m 长的托架现浇段，托架现浇段内设置4 道加劲肋。单个T 构设置15 个悬浇块段，每个悬浇块段的长度为4m，每个块段设置1 道加劲肋，其中1#～9#节段为变截面块段，10～15#为等截面块段。在2#～14#节段设置斜拉索辅助支撑，拉索采用钢绞线拉索结构。主塔采用钢筋混凝土结构，主塔采用布置在中央分隔带的独塔形式，桥塔高度为30m。塔身截面采用刻槽、倒圆角的矩形截面，主塔标准截面段纵桥向宽度3m，横桥向宽度2m，塔根部宽度在纵桥向渐变为2 个1.5m×2m 断面，塔顶部切斜角进行渐变。在为斜拉索提供可靠支撑的同时，取得良好的景观效果。

3 结构总体受力分析

为了对这种构造较为新颖的轻型化带肋大挑臂矮塔斜拉桥的结构性能进行研究，利用有限元软件对其总体受力性能进行了分析与研究。

3.1 分析方法

本文对带肋轻型矮塔斜拉桥的总体受力性能分析采用了商业软件Midas Civil。为了考虑大悬臂的剪力滞效应影响，总体受力分析时采用了梁格法进行建模计算，将箱梁沿横向划分为6 个板条，通过横向虚梁连接，计算模型如图3所示。

图3 有限元计算模型

在计算分析中模拟了大桥的主要施工步骤，考虑了箱梁逐段浇筑与拉索安装及边、中跨合拢的详细流程。同时分析了结构在运营阶段规范规定的各项荷载效应。

3.2 主要分析结果

利用有限元分析，对主梁的承载能力极限状态进行了检验。计算得到主梁的正截面承载能力、斜截面承载能力及对应抗力状态如图4 所示。由图可知，在承载能力极限状态下，主梁具有良好的正截面承载能力，结构承载能力可满足要求。同样对斜截面的抗剪承载能力也进行了分析，分析结果表明主梁具有良好的斜截面承载能力。通过对主梁承载能力极限状态下的承载能力分析可知这种宽幅带肋结构具有良好的极限承载能力。同时对主梁的抗力性能进行检验，分析在规范规定的荷载效应频遇值组合下主梁的应力状态。计算结果表明，在频遇值组合下主梁应力状态如图5 所示。主梁上缘在边跨15#梁段附近的压应力储备最小，最小的压应力储备为0.8MPa。主梁下缘的压应力储备均较大，最小位置在边跨合拢段附近，压应力储备值为1.2MPa。由此可知，这种宽幅矮塔斜拉桥结构具有良好的抗裂性，可满足钢筋混凝土结构抗裂性控制的要求。

图4 承载能力极限状态下主梁抗力及内力包络图（kNm）

图5 荷载频遇值组合下主梁最小压应力图（MPa）

通过上述总体受力性能的分析可知，依托工程采用的超宽带肋矮塔斜拉桥的结构形式较为合理。在实现了轻型化的同时，具有良好的承载能力和抗裂性，总体受力状况良好。

4 结论

本文以某宽幅矮塔斜拉桥工程为依托，超宽幅矮塔斜拉桥的关键构造设计及总体受力性能进行了研究与分析。研究结果表明，在通过两侧设置加劲肋的方式，可以有效的增加主梁悬臂的尺寸，同时通过斜腹板的设置，可以实现主梁的轻型化，减小主梁自重。通过拉索的辅助支撑，可以减少变高度节段数量的设置，在截面变化时可保持上部加劲肋和顶板尺寸不变的情况，沿着斜腹板改变梁高，已获得较好的施工便利性。通过梁格法的总体有限元计算模型系统的检验了这种轻型矮塔斜拉桥的总体受力性能，分析表明这种结构形式具有良好的承载能力和抗裂性，且均具有良好的安全储备。综上，本文研究的超宽幅带肋矮塔斜拉桥结构是一种合理的轻型化矮塔斜拉桥，可在类型工程中进行应用。