高性能材料在超大跨混合梁斜拉桥结构中的性能分析

赵殿鹏，叶建彬，翁杨

（1.浙江省交通工程管理中心，浙江 杭州 311222；2.浙江交工集团股份有限公司，浙江 杭州 311255）

1 引言

在大跨桥梁中斜拉桥因为有着优良的结构受力性能，大跨越能力以及优美的造型而应用较为广泛。已有的斜拉桥主梁很多都是采用普通混凝土混合梁，钢主梁以及普通混凝土梁，桥塔很多采用的是普通混凝土，斜拉索很多采用的是平行钢丝拉索。对于主梁，因为有着比较低的抗压比强度，通常普通混凝土梁在500m以内的适用跨度，而更大跨度的很多都是采用的钢主梁，但控制钢主梁稳定性以及结构构造比较复杂，成本较高。对于传统的斜拉索，因为其耐腐蚀性能比较差，通常只有20年左右的寿命，低于设计桥梁的使用寿命，另外因为钢拉索自重比较大，垂直效应会降低长索有效弹性模量，进而导致斜拉索的承载效率降低。而超大跨度斜拉桥，如果采取普通的混凝土结构，为了满足桥梁的稳定性以及强度，需要的截面尺寸比较大。上述因素都对斜拉桥采取普通材料扩大跨度造成制约。

2 模型桥梁概况

模型桥梁的结构体系为全漂浮双塔双索面斜拉桥，3*100+420m+1600m+420+3*100m。桥面以上的塔高为350m，桥塔总高为420m。斜拉索一共有4*50对，双索面，顺桥向扇形布置，16m的主跨索距，边跨靠近塔根30对斜拉索为16m的索距，2.5m的塔上索距，其余为12m的索距。竖向支座在桥塔和主梁间不进行设置，抗风支座在横桥向设置主梁和辅助墩，过渡墩之间设置横向与竖向水平约束。

设计的方案标准为：①一百年的设计基准期。②54.8m的桥面宽度。③一百年重现期内设计基本风速为46.2m/s。④双向八车道的公路。⑤100km/h的速度。⑥I级的公路汽车荷载。

3 方案设计

3.1 SSN 方案

（1）主梁采取分离式双箱偏平钢箱梁，高4.5m，宽54.8m，横向双主梁为12m的距离。顶底板厚度的变化为15～37mm，内腹板厚17mm，外腹板厚37mm。顶底板采取厚为8mm的U形加劲肋，主横隔板每4m设置1道，相邻两道中间设置1道高1m的次横隔板，横隔板为16mm的厚度，以此来对钢桥面板局部受力性能进行改善。在斜拉索吊点处设置横系梁，16m的间距，箱形截面高4.5m，宽4m，其腹板连通箱内横隔板。钢主梁为Q420钢材质。

（2）桥塔采取C60普通混凝土，使用A形塔，箱形截面作为塔柱，尺寸从塔根22m*12m渐变到塔顶10m*8m，由2.5m的壁厚渐变到1.3m。

（3）斜拉索采取1860MPa钢绞线，195GPa的弹性模量，2.5的安全系数，截面积为（5.9-14.5）*10-3m2，经过计算，主跨尾索折减了30%的弹性模量。

3.2 CRR 方案

在SSN方案基础上，根据相似的刚度以及构造要求，来替换桥塔和主梁的材料，并相应的优化索力，拟定CRR方案。

（1）CRR方案主梁采取RPC200，钢纤维体积为4%的掺量，直径为0.2mm，长度为20mm，抗拉强度为15MPa，抗压强度为140MPa。RPC主梁采取气动外形，内腹板厚为12cm，外腹板厚度为20cm，塔根附近顶底板为14cm的厚度，跨中顶底板为10cm的厚度。把小纵肋设置在顶板内缘，与横隔板结合进行布置，把桥面设计成双向板助梁体系，其中纵助高45cm，宽12cm，间距3m。箱内横隔板间距为4m，横隔板在每个梁段设置的有4道，厚度为15cm，为了对主梁自重进行减轻，横隔板开孔率为50%。

（2）桥塔采取RPC150，其抗拉强度为12.4MPa，抗压强度为116MPa，外形和SSN方案相同，壁厚由塔根1.8m渐变到塔顶0.9m。与C60桥塔对比，RPC150桥塔减少了30%的壁厚。

（3）斜拉索采取CFRP材料，2500MPa的抗拉强度，180GPa的弹性模量，抗拉比为SSN方案的7倍，考虑是脆性材料，取3.0的安全系数，截面积（6.5-12.8）*10-3m2，是SSN方案的1.23～0.87倍。主跨尾索弹性模量折减了1%，是钢拉索的1/30，有效刚度是SSN方案的1.14～1.34倍。主跨尾索面积相比SSN方案，减少了4%，有效刚度提升了23%。

3.3 CHR 方案

把材料的特性充分发挥出来，以此来对桥塔附近主梁的稳定性进行增强，并且在对主梁自重间减轻的同时对跨中拉应力更好的进行抵抗，拟定CHR方案。该方案中跨以及边跨轴向压力大部分区域采取RPC200主梁，跨中区域采取钢主梁，在1/4主跨处设置钢-RPC结合面，主梁截面和其他2种方案的位置相同。桥塔和CRR方案相同。斜拉索采取2500MPa抗拉强度的CFRP材料，拉索截面面积与有效刚度是SSN方案的1.12～0.91倍和1.03～1.17倍，尾索减少了9%的面积，有效刚度提高了17%。经过验算，该方案的主梁桥面局部稳定性以及抗冲切承载力都能够达到要求。

4 结构静力响应

4.1 恒载作用

对成桥索力采取未知荷载系数法来进行确定，主梁竖向变形-0.1～0.1m为控制条件，桥塔水平偏移0～0.05m。

CRR方案和SSN方案索力分布基本相同，都是在边跨尾索处出现最大索力，但最大索力CRR方案要比SSN方案提升10%，主要是因为RPC主梁自重的加大。CHR方案和CRR方案斜拉索索力基本相同，钢梁段索力要比SSN方案低，主要是因为CFRP自重比较轻。

4.2 汽车荷载作用

在汽车荷载下，主梁竖向变形，SSN方案最大挠度为2.96m，CRR方案为2.47m，CHR方案为2.60m，都能够满足设计的相关要求。与SSN方案对比，CRR方案和CHR方案的最大挠度分别降低了17%与13%。SSN方案塔顶向中跨侧变形0.93m，CRR方案为0.83m，CHR方案为0.82m。

4.3 温度作用

拉索升温30℃下，SSN方案主梁跨中挠度为1.4m，而其他2个方案的挠度只有0.07m，主要是因为CFRP材料的线膨胀系数只有钢的1/20。主梁升温30℃之后，SSN方案挠度为1.13m，CRR方案为0.96m，CHR方案为1.01m，相比于RPC，钢主梁对温度更加敏感。

4.4 承载能力极限状态内力包络

通过主梁和桥塔轴力包络可以看出，桥塔和主梁轴力是因为恒载引起的，经过计算能够得出，塔根处的主梁轴力中，SSN方案的汽车荷载效应只有14%，CRR方案有13%，CHR方案有15%。除此之外，3种方案的主梁弯矩相似，主要是因为3种方案的桥塔和主梁抗弯刚度相似。

4.5 正常使用极限状态

极限状态下的结构应力，如表1所示。

表1 极限状态下的结构应力

由上述表1能够看出：

（1）SSN方案的钢主梁最大拉应力为容许的28%，压应力为83%。CRR方案拉应力为27%，压应力为65%，与SSN方案对比，其他2种方案的主梁应力安全储备有所提升。

（2）SSN方案C60桥塔最大拉应力为容许的91%，压应力为89%，CRR方案拉应力为35%，压应力为39%，CHR方案拉应力为34%，压应力为38%。

（3）SSN方案拉索最大拉应力为限值的99%，CRR方案为90%，CHR方案为87%。

5 结语

根据不同的索、梁、塔材料进行组合，对主跨1600m的斜拉桥拟定了SSN、CRR以及CHR3种方案，并对静力性能进行分析，结论如下。

（1）3种方案的结构静力性能都能够满足要求，在这3种方案中，CHR方案的结构性能最优。

（2）斜拉索采取CFRP材料，抗拉比为SSN方案的7倍，中跨尾索弹性模量折减了1%，是钢拉索的1/30，减少CFRP拉索截面积，能够对静风荷载效应降低10%，进而提高结构横向抗风性能。

（3）RPC的抗压比强度比钢材以及普通混凝土更高，在超大跨度斜拉桥得到轴压较大区域的主梁以及超高桥塔中更加适合。

（4）在大跨度斜拉桥体系中，控制结构整体屈曲稳定是主要因素，当主梁钢-RPC在1/3～1/4的主跨位置进行布置时，其整体的结构有着比较好的稳定性。