独塔混合梁斜拉桥跨径布置优化分析

独塔混合梁斜拉桥跨径布置优化分析

摘要：以在建的安徽省蚌埠五河淮河上新的高速公路（徐州至明光高速公路）大桥为背景，对拟优化的跨径布置提出了五种不同的方案。对每种方案采用空间有限元软件进行了计算分析。研究了不同方案对结构总体受力的性能的影响，及每种方案的优缺点；比较研究了各方案中结构变形、构件应力、拉索索力的状态等。综合现阶段现场施工状况、工程总体建设计划等因素，提出了最合理的桥跨布置方案。

关键词：独塔斜拉桥；跨径布置；优化分析；受力性能；

Abstract: taking the huaihe river in anhui province under the five new bengbu highway (xuzhou to bright light the highway) bridge as the background, the span to be optimized arrangement proposes five different project. For each scheme adopts the space finite element software are calculated. The different scheme in the overall structure of the influence on the performance of the force, and the advantages and disadvantages of each method; A comparative study of each scheme structural deformation, stress, and the component cable force state, etc. Comprehensive site construction condition, at this stage of the overall construction engineering plan and other factors, put forward the most reasonable arrangement for bridge spans.

Keywords: a single pylon cable-stayed bridge; Span decorate; Optimization analysis; Force performance;

0引言

随着交通事业的大发展，我国的桥梁建设已达到一个高峰。各种桥梁结构形式均已有了较大的发展，尤其是斜拉桥在近年的桥梁建设中更是备受工程师青睐。斜拉桥是一种由索、梁、塔组成的缆索承重桥梁体系。斜拉桥由桥面系承担自重和外荷载，通过斜拉索将荷载传递至桥塔，再由桥塔传递至基础。主梁一般处于压弯状态，拉索处于受拉状态，主塔处于受压状态。斜拉桥为高次超静定结构，桥跨的布置对结构体系的总体受力影响极大，因此跨径的合理布置对斜拉桥的设计十分重要。

一般斜拉桥的桥塔由于受到索塔锚固区的影响其结构尺寸较大，对于跨径较小的斜拉桥桥塔往往是结构美学设计的控制要点。对于跨径不大的斜拉桥，桥塔一般较矮，当低矮的桥塔截面过大时便显得十分笨拙，缺乏美感。本文的背景桥梁通过采用一种新的索塔锚固方式有效的降低了桥塔截面尺寸，使得桥塔挺拔优美，成为当地一个新地标性建筑。因此本桥的桥塔刚度较一般斜拉桥桥塔的刚度小很大，更像是一根柱子，该体系被设计者称之为柱、索、梁组合体系斜拉桥，结构体系的受力也与常见斜拉桥略有差别。有必要对其合理跨径展开研究。

1背景工程

1.1背景工程简介

本桥为徐州至明光高速公路跨越安徽省蚌埠市五河县淮河的主桥，采用柱式独塔空间双索面混合梁斜拉桥，支撑方式为塔梁固结体系，跨径布置为246+125m，分别跨越淮河主通航区域和淮河南大堤。桥梁总体布置图如图1所示。

图1桥梁总体布置（单位：cm）

拉索为扇形空间双索面，通过鞍座单向锚于上塔柱。全桥共32对拉索，支承着中跨钢箱梁段和边跨混凝土梁段，主跨拉索纵向布置为14m，边跨拉索纵向布置为7m，拉索均锚固在箱梁外侧腹板处，锚固方式为锚拉板式锚固。主梁采用钢混组合梁结构，边跨为预应力混凝土主梁，采用体外预应力方案；主跨采用钢箱梁方案，钢混结合段设置在主跨第一对拉索和第二队拉索之间。边跨与中跨均采用分离式双主梁结构，两高均为 3.2m。主桥按高速公路标准在每个方向设计有两个3.75m车道及一个3.5m路肩。桥下净高超过10m，净宽超过现有航道规定的150m标准。

图2边跨主梁断面（单位：cm）

图3主跨主梁断面（单位：cm）

1.2问题的提出

背景桥梁在施工图设计中选取的边中跨之比为0.508。边跨跨越淮河大堤，过渡墩为陆上基础；中跨跨越主航道，过渡墩为深水基础。在施工图优化设计阶段为了减小一个水中基础，降低工程造价。现对主跨侧取消一孔引桥（一孔引桥为40m），主桥主跨侧跨径增加40m的方案进行研究。由于在优化阶段边跨与主桥基础均已开始施工，因此本次方案优化的过程中要求尽量保持主桥以外原结构不改变。

2优化方案介绍

2.1有限元模型介绍

结构的计算分析采用商业有限元软件MIDAS CIVIL，利用空间杆系单元完成。主梁和主塔采用空间梁单元模拟，拉索采用索单元模拟。有限元模型如图4所示。

图4结构有限元模型示意图

同时为了准确模拟桥梁结构的空间受力特性，在结构计算分析中，边跨混凝土主梁的预应力线形均按照其实际的竖弯数据和平弯数据进行分析。

图5边跨预应力示意图

在结构计算分析的过程模拟了实际施工工序。该桥边跨混凝土分段之间浇筑，中跨测钢梁采用悬臂拼装方案施工。在主梁拼装完成后拆除支架，进行最后一轮调索，最后施工铺装成桥。

2.2主要计算方案

本次跨径布置优化分析中主要分析了五种方案，这五种方案均为主跨侧主梁增加40m，但拉索的布置方案个不行同。各方案的具体情况如下所示。

方案一：主跨箱梁增加40m，边跨跨径及拉索布置均不改变，对调整后的方案重新进行调整索计算，并对边跨施加压重，压重的总重为10830kN（和增加的40m钢梁的重量相近），压重的范围为边跨靠近支座的11.4m。