钢混组合梁斜拉桥成桥阶段静力分析研究

朱 磊 （中铁二十四局集团安徽工程有限公司，安徽 合肥 230023）

1 引言

近年来，独塔斜拉桥以其结构灵活、造型美观、受力合理良好等特点在我国桥梁建设中尤其是在中大跨径的桥梁建设中得到广泛应用。与传统的双塔斜拉桥相比，独塔斜拉桥结构整体刚度较大，在成桥活载作用下，主梁变形及主塔的水平偏位都有所减少[1]，主梁最大挠度位置通常出现在拉索区，避免了在无索区形成拉弯区[2-4]，使主桥的受力性能更加合理。随着现代斜拉桥跨径的逐渐增大，主梁结构形式逐渐从纯混凝土梁向钢混组合梁的形式发展，独塔的体系也有不断的创新，其中塔墩梁固结体系应用最为广泛。对于塔墩梁固结体系，钢混组合梁的使用既能保证桥梁的整体刚度，又能提升跨越能力，但由于钢主梁与混凝土主梁结合处的复杂构造，也为桥梁的设计与施工增加难度与不确定性[5-8]。因此，本文以将军岭路桥为背景，对独塔钢混组合梁桥成桥阶段的静力性能进行相关研究，为以后同类型桥梁的设计与施工提供相应的借鉴与参考。

2 工程概况

将军岭路桥平面位于引江济淮江沟通段 J32+230.1处，斜交角度6°。主桥起点桩号 K1+873.500，终点桩号 K2+153.500，全长280m，跨径布置为（29+30+36+185）m，主桥结构形式为非对称钢混组合梁独塔双索面斜拉桥，桥梁整幅布置，标准横断面宽度52.5m。主塔总体造型呈花瓶形状，总高度为116m，钢主梁与混凝土主梁均采用箱梁结构，斜拉索采用扇形双索面非对称构造形式，全桥斜拉索共设置28对。边跨辅助墩及过渡墩采用柱式墩，主塔处桥墩采用承台下接群桩基础，桩基采用钻孔灌注桩，按摩擦桩设计。将军岭路桥总体结构布置如图1所示。

图1 将军岭路桥总体布置图（单位：cm）

将军岭路桥主桥采用钢混组合梁构造形式，主跨全长173m（含钢混结合段），采用大悬臂展翅箱梁截面形式，截面如图2所示，钢箱梁标准段长度12.0m，全桥纵向共设置15片箱梁节段。钢箱梁拉索锚固区位于外腹板钢箱梁顶板处，采用锚拉板形式，主梁索导管横向中心间距为36.0m，对称布置。主跨钢箱梁采用工厂预制，现场采用支架节段拼装的方案架设。边跨主梁为混凝土箱梁结构，混凝土梁段总长107m，截面采用单箱五室的大悬臂箱梁结构，截面布置如图3所示。箱梁截面总宽为52.5m，纵向每隔 6.0m 设置一道加劲板，加劲板厚度为50cm；斜拉索主梁锚固端标准间距为6.0m，端部4根斜拉索中心间距为5.0m，斜拉索穿过外腹板，在外腹板底面通过设置齿块锚固，混凝土主梁采用满堂支架现浇施工。

图2 钢箱梁标准横断面

图3 混凝土梁标准横断面

3 有限元模型

依据主桥设计资料，利用Midas Civil2019有限元软件建立将军岭路斜拉桥主桥的三维空间模型，整体模型如图4所示。其中，主塔、主梁等构件使用三维弹性梁单元模拟，斜拉索采用软件中自带的只受拉桁架单元模拟，考虑到该斜拉桥整体跨度较小，故不考虑斜拉索垂度对拉索刚度的影响；在模型边界条件设置中，主塔底部单元采用固结，边跨辅助墩支座采用一般连接进行模拟，主跨梁段支座采用简支方式进行模拟。对于斜拉索的边界条件模拟，首先根据斜拉索在主塔和主梁处的锚固点位置建立节点，然后将拉索的锚固点与斜拉桥的主梁和塔柱进行刚性连接来实现斜拉索的锚固。全桥共设置687个节点，508个单元，其中包括梁单元452个，桁架单元56个。由于本文主要针对成桥后的独塔钢混组合梁斜拉桥进行分析，因此，模型的计算荷载主要包括结构自重、预应力荷载、二期铺装、汽车和人群荷载、温度荷载以及斜拉索索力等。其中，温度荷载采用整体升降温以及梯度温度的方式进行施加。参照主桥设计资料和《公路桥涵设计通用规范》规定[1]，对于钢箱梁部分，体系温度按20°C考虑，升温温差值和降温温差值分别取26°C和29°C；混凝土构件部分体系温度取20°C，升温和降温温差值分别取14°C和23°C；同时，梁梯度温度荷载在定义时，也要按照相应的规范执行，其中混凝土部分按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）4.3.12条规定执行，钢箱梁梯度温度参照BS5400执行[2]。

图4 将军岭路桥三维空间模型

4 静力特性分析

独塔钢混组合梁斜拉桥属于高次超静定结构体系，任何一根索力的变化都会对整体结构的内力分布产生重要影响，因此，通过斜拉桥的合理的成桥状态，确定斜拉索的初张力是斜拉桥设计和施工中非常重要的环节之一。斜拉桥合理的成桥状态是指满足主梁的挠度，主塔的水平位移尽可能小，主塔弯矩尽可能小，主梁内力，斜拉索索力分布尽可能均匀的一种状态。目前，斜拉桥合理成桥状态的确定理论主要包括：简支梁法、横载平衡法、刚性支撑连续梁法、最小弯曲能法，影响矩阵法等[3]。在本文中，斜拉桥的初拉力是在已知目标成桥内力的基础上利用正装迭代方法进行计算，然后将得到的初拉力再次带入模型，通过计算结果进而验证主桥成桥状态下的内力是否合理。通过多次正装迭代之后，成桥状态下的索力逐渐向着目标成桥索力靠近，误差控制在3%以内。由此所得斜拉桥在恒载和1/2活载作用下，钢箱梁的最大竖向挠度为116mm，与设计信息中所预设的向上预拱度数值、形状相符合，满足设计条件要求。

4.1 斜拉索计算分析

经过7次迭代，成桥后的斜拉索内力与设计所给的成桥内力值相接近，误差在3%以内，计算的斜拉索初拉力和成桥索力如图5所示，其中，斜拉索的编号以主塔为中心，朝混凝土梁侧斜拉索纵向依次编号为S1,S2，···，S14，朝钢梁侧斜拉索的编号依次为M1,M2，···，M14。经计算结果可知，在考虑频遇组合时，斜拉索的最大拉应力为628.43MPa。依据《公路斜拉桥设计细则》（JTG/T D65-01-2007）中 3.4.1 规定，斜拉索的实际应力不应大于容许应力 1860/2.5=744MPa，因此，可知斜拉索的内力值满足设计要求，且安全系数不小于2.5。

图5 初拉力与成桥索力

4.2 主梁计算分析

将军岭路斜拉桥主桥设计荷载等级为城-A级，为双向8车道布置。在汽车荷载作用下，混凝土主梁上、下翼缘均承受压应力，上翼缘最大压应力为-0.82MPa位置在距边跨混凝土主梁端部2/3处，下翼缘最大压应力为-3.44MPa，位于塔梁固结处，混凝土主梁段的计算结果如图6所示；钢箱梁上翼缘的最大压应力值为25.09MPa，下翼缘的最大压应力值为4.98MPa，均位于钢混结合段处。主梁的最大竖向变形为153.23mm，主塔下部最大弯矩为2984.0kN·m，位于塔梁固结段位置处。斜拉索在移动荷载作用下的应力包络图如图7所示，通过斜拉索在汽车荷载效应作用下的最大应力与最小应力的差值可知，汽车荷载对跨中斜拉索应力变化影响较大，对外侧长斜拉索应力变化影响相对较小。另外，通过图7可以发现，斜拉索M1处出现应力突变现象，这主要是因为在有限元建模时，采用钢主梁直接模拟钢混结合段时，导致截面在M1处发生突变引起的。但在实际工程中，由于钢混结合处存在过渡段，一般不会出现应力集中现象。

图6 汽车荷载作用下混凝土梁上下翼缘应力图

图7 汽车荷载作用下斜拉索应力值

在移动荷载作用下，混凝土主梁的变形曲线如图8所示，最大竖向挠度为7.07mm，钢箱梁的竖向变形如图9所示，最大竖向变形为153.23mm。根据《公路斜拉桥设计细则》（JTG/T D65-01-2007）可知，在汽车荷载作用下混凝土主梁和钢箱梁的竖向变形均满足要求[2]。

图8 车道荷载作用下混凝土梁变形

图9 车道荷载作用下钢箱梁变形图

温度荷载作用下混凝土主梁的应力值如图10所示，通过图10可知，环境温度对混凝土主梁的上下缘应力影响较小。在温度荷载作用下，主梁纵向变形值如图11所示，通过图11可以发现，温度变化对混凝土梁的变形影响较小，但对钢箱梁的纵向变形影响较大，其中梯度升降温对钢箱梁位移变化影响最大，梯度升温时，钢主梁的最大上拱变形为45mm，梯度降温时，钢主梁的最大下挠变形为11.68mm。

图10 温度荷载作用下混凝土梁应力值

图11 温度荷载作用下主梁变形值

在正常使用极限状态下，考虑频遇组合时，混凝土主梁截面均为压应力，应力计算结果如图12所示。通过图12可知，在正常使用极限状态下预应力混凝土主梁的全截面都处于受压状态，其中最大压应力为-9.21MPa，符合设计要求。通过图13可知，在基本组合作用下，钢箱梁截面的最大拉应力为45.9MPa，最大压应力为-74.08MPa，均小于Q345qD的设计强度值，满足规范要求。

图12 频遇组合作用下混凝土梁应力包络图

图13 基本组合作用下钢箱梁应力包络图

4.3 主塔计算分析

斜拉索张拉完之后的主塔变形图如图14所示。通过图14的主塔变形图可以看出，在斜拉索张拉完成之后，主塔塔顶往混凝土梁侧偏移57.34mm。在移动荷载作用下，主塔的变形图如图15所示，通过图15可知，主塔塔顶的最大水平位移为64.15mm且往钢箱梁侧偏移，满足在移动荷载作用下主塔水平位移要小于H/400，即290mm的要求[4]。由上述计算结果可知，移动荷载会使主塔朝主跨钢梁侧发生变形，而在二次调整拉索的索力时，可使索塔朝边跨混凝土梁侧预偏，当预偏值大致为汽车荷载中最大组合作用下对索塔产生的变形值时，成桥后主塔往边跨方向的预偏会与汽车荷载在主跨方向上产生的变形值相抵消，进而减小主塔的变形，使结构达到合理成桥状态[5-8]。

图14 拉索张拉完主塔变形图（单位：mm）

图15 汽车荷载最大作用下主塔变形图（单位：mm）

5 结论

本文通过对独塔钢混组合梁斜拉桥在成桥状态下静力性能进行分析，得到以下结论：

①在已知成桥内力的情况下，通过正装迭代法可以快速、准确地得到斜拉桥的初始索力，进行多次迭代可以有效降低误差值；

②温度变化对混凝土梁的变形影响较小，但对钢箱梁的纵向变形影响较大，其中梯度升降温对钢箱梁位移变化影响最大，梯度升温时，钢主梁的最大上拱变形为45mm，梯度降温时，钢主梁的最大下挠变形值为11.68mm；

③在斜拉索成桥阶段进行二次调索时，可通过预先设置主塔往边跨的预偏值，降低汽车荷载对主塔顺桥向偏位的影响；