甄玉杰 代子洲

中交第一公路勘察设计研究院有限公司 中国建筑第三工程局有限公司

摘 要： 以某钢桁架混合梁斜拉桥为例，介绍该桥的总体设计及结构计算。该桥主桥为双塔双索面混合梁斜拉桥，主跨800米，主塔采用H形桥塔。边跨为预应力混凝土箱梁，中跨为钢桁梁结构，边中跨比为0.275。结构采用半漂浮体系，跨径布置为72+72+76+800+76+72+72=1240m。通过对该桥的设计、静动力计算的介绍，为同类项目的设计和计算提供借鉴和参考。

关键词： 钢桁架;混合梁;正交异性钢桥面板;有限元模型;结构计算;

1 总体设计

1.1 总体布置

该桥主桥为双塔双索面混合梁斜拉桥，主跨800米，边跨为预应力混凝土箱梁，中跨为钢桁梁结构，边中跨比为0.275。该桥边中跨比明显小于常规混合梁斜拉桥边中跨比，边中跨比小是该桥受力体系的重要特点。结构采用半漂浮体系，跨径布置为72+72+76+800+76+72+72=1240m。主塔采用H形桥塔，塔高分别为243m、258m。桥型总体布置图如图1所示。

图1 桥型总体布置示意(单位:cm) *载下**原图

1.2 结构体系

主梁在主塔下横梁、辅助墩处设置多向(双向)球型钢支座;过渡墩处设置一个单向活动支座和一个双向活动支座;索塔处设横向抗风支座。

对于大跨斜拉桥，既不宜采用不加纵向约束的完全漂浮体系，也不宜采用纵向完全固定的刚构体系，而应采用具有一定刚度的弹性约束体系或限位约束体系。该桥每个塔梁连接处顺桥向安装4套粘滞阻尼器，全桥共8套，在静力作用下不约束塔梁纵向相对变形，而在动力作用下对结构响应进行耗能。

1.3 中跨钢桁梁设计

该桥主跨采用钢桁梁，具有杆件重量轻、运输方便、施工便捷的优点，特别适合山区小规模运输的特点。

钢桁梁结构采用“N”型桁架，横向两片主桁，中心间距为27.0m，桁高7.0m，节间长度为8.0m。

桥梁主桁为重型桁架，杆件截面较大，一般采用双壁式截面。该桥主桁上下弦杆均采用箱形截面，截面内宽为840mm，内高为900mm。根据结构受力需要，弦杆截面采用28mm、32mm、36mm、40mm四种板厚。

主桁腹杆除在钢混结合段附近采用箱形截面外，余均采用H型截面。箱形截面内宽568mm，内高840mm，板厚为20mm;H形截面翼缘宽500mm，腹板高840mm，翼缘采用24mm、20mm两种板厚，腹板板厚均为20mm。

横联采用单层桁架结构，由横梁上弦杆、下弦杆、竖腹杆及斜腹杆组成，横联上弦杆均采用箱形截面，横联下弦杆除在钢混结合段附近采用箱形截面外，余均采用焊接H形截面，横联腹杆采用焊接工字形截面。

横梁上弦杆截面内宽为560mm，内高为900～1170mm，翼缘及腹板板厚度均为20mm。箱形截面横梁下弦杆截面内宽为560mm，内高为650mm，翼缘及腹板板厚度均为20mm;H形截面横梁下弦杆翼缘宽度为460mm，板厚为24mm，腹板高度为552mm，板厚为16mm。工字形截面横联腹杆高度均为600mm，翼缘板厚均为16mm，腹板板厚均为12mm，竖腹杆翼缘宽度为360mm，斜腹杆翼缘宽度为400mm。

下平联采用双交叉形，杆件采用焊接H形截面，翼缘宽为360mm，板厚16mm，腹板高为268 mm，板厚12mm;钢混结合段附近截面尺寸加强，翼缘宽为540mm，腹板高为650 mm，板厚均为20mm。

正交异性钢桥面板由桥面板、U肋、次横梁及倒T形纵梁组成，考虑结构受力需要，桥面板除在距桥塔152m范围内加厚为20mm外，余均为16mm。桥面板与横联桁架横梁上弦杆顶面平齐。正交异性钢桥面板参与钢桁梁结构总体受力。正交异性钢桥面板构件均为焊接结构。

1.4 边跨混凝土梁设计

边跨混凝土主梁采用等截面预应力混凝土边箱梁结构，标准梁宽27.7m，钢混结合段前4m变至与主桁同宽的28.0m，双向2%横坡，边箱外腹板边缘高7.924m，边箱底宽7.4m，顶板厚0.3m，底板厚0.3m，靠近路边缘侧腹板厚0.7m，靠近路中心线侧腹板厚0.6m。

混凝土主梁在两外侧边腹板处设置斜拉索锚固孔，锚固孔直径为2m，内外各加厚0.25m局部加强，沿孔壁设置一道厚40mm的钢套筒调平。

为加强混凝土主梁横向联结，沿桥纵向每8m设置一道混凝土横梁，厚0.4m。混凝土主梁按全预应力混凝土设计，采用三向预应力，纵、横向预应力材料采用高强钢绞线，竖向预应力采用直径32mm的精轧螺纹钢筋。

1.5 钢混结合段设计

边跨混凝土主梁与中跨钢桁梁的钢混接头设有60mm钢承压板。钢混结合段全长为14000mm，由钢桁梁部分、钢箱部分及内伸至混凝土横梁的上下翼缘板组成，其中钢桁梁段上下弦杆截面内高为1520mm，内宽为840mm，腹板设置一道板式加劲肋，外伸宽度为200mm，翼缘及腹板板厚均为40mm，加劲肋板厚为28mm;钢箱梁段由钢桁梁段通过增加实体腹板和底板演变而来，钢箱梁实体腹板和底板板厚均为28mm，腹板上设置板式加劲肋，外伸宽度为200mm，底板上设置倒T形加劲肋，板厚均为28mm;内伸至混凝土横梁的钢板长度为4000mm，板厚由40mm和28mm组合而成。为保证钢混接头的有效性和结合面处于均匀的受压状态，沿箱梁四周及腹板布置了纵向预应力钢绞线，预应力钢绞线在钢箱梁一侧锚固在钢承压板上，在承压板及钢箱梁顶底板设置有剪力钉。通过渐变顶板的U型加劲肋、底板的倒T型加劲肋及腹板的刚度实现混凝土梁与钢梁间的过渡。

为保证钢混结合段砼浇筑的密实性，在延伸至混凝土横梁的顶板均匀地设置了混凝土浇筑孔和排气孔，施工单位可结合具体砼浇筑工艺优化浇筑孔、排气孔的布置。

1.6 主塔及基础设计

主塔采用H形桥塔。3号桥塔高243.2m，上塔柱高86.1m，箱型截面，顺桥向宽8.0m，壁厚1.0m，横桥向宽5.0m，壁厚1.2m;中塔柱高97.1m，箱型截面，顺桥向宽8.0～10.0m，壁厚1.2m，横桥向宽5.0～6.0m，壁厚1.2m;下塔柱高58.0m，箱型截面，顺桥向宽10.0～11.52m，壁厚1.5m，横桥向宽6.0～9.223m，壁厚1.5m。4号桥塔高258.2m，上塔柱高86.1m，箱型截面，顺桥向宽8.0m，壁厚1.0m，横桥向宽5.0m，壁厚1.2m;中塔柱高97.1m，箱型截面，顺桥向宽8.0～10.0m，壁厚1.2m，横桥向宽5.0～6.0m，壁厚1.2m;下塔柱高73.0m，箱型截面，顺桥向宽10.0～11.914m，壁厚1.5m，横桥向宽6.0～10.071m，壁厚1.5m。

塔柱底部与承台间以塔座过渡，塔座对应塔柱中心线位置厚2.0m。塔座下为整体式承台，承台厚8.0m，顺桥向宽25.5m，横桥向宽38.5m。承台下接群桩基础，两塔下均设有24根直径3.0m的混凝土灌注桩，基桩按端承桩设计，桩长3号主塔为40m,4号主塔为48m。

1.7 斜拉索锚固系统

斜拉索塔端采用钢锚梁的锚固方式，每套钢锚梁锚固1对斜拉索。单根塔柱有24套钢锚梁，每个索塔48套，全桥共96套。

钢锚梁主要由上下盖板、腹板(拉板)、锚垫板、承压板及横向连接件组成。其中锚垫板和支承板是主要承压构件，顶板、腹板是顺桥向主要承拉构件，横向连接件是横桥向承拉构件。钢牛腿是钢锚梁的支撑结构，由上承板、托架板、塔壁预埋钢板、剪力钉和与劲性骨架相连的连接钢板组成。

斜拉索在中跨钢桁梁采用锚管式的锚固方式，在混凝土主梁采用箱梁腹板开洞的锚固方式。

1.8 辅助墩设计

辅助墩采用薄壁空心墩，墩高10.0～68.0m，半幅桥墩身为箱型等截面，顺桥向宽5.0m，横桥向宽7.4m，壁厚0.8m;下接4.0m厚承台，承台顺桥向宽9.3m，横桥向宽9.3m;基础为4根直径2.5m的混凝土灌注桩，双幅共8根，均按端承桩设计。

2 结构模型

对于桥梁设计来说，选择与建立最合适的模型，以及选择最合适的分析类型，其本身就是一门技术性和艺术性结合的工。

主桥采用钢桁梁-混凝土混合梁斜拉桥方案，其中主梁中跨采用钢桁梁，边跨采用混凝土梁。桥梁跨径布置为:72+72+76(边跨)+800(主跨)+76+72+72m(边跨)，桥梁全长1240m。全桥共分为2411个节点、4503个单元，其中梁单元3711个，桁架单元192个，板单元600个。结构有限元模型如图2所示。

图2 结构有限元模型示意 *载下**原图

3 结构总体计算结果

3.1 桥塔计算结果

经计算分析表明，在承载能力极限状态下，作用效应的组合设计最大值均小于构件承载力设计值，桥塔的抗弯、抗剪、抗扭承载力均满足规范要求。

在正常使用极限状态下，桥塔顶缘最大压应力为16.9MPa，发生在下塔柱与下横梁交界处，无拉应力，全截面处于受压状态;底缘最大压应力为15.4MPa，发生在下塔柱与下横梁交界处，无拉应力，全截面处于受压状态。桥塔顶底缘压应力均满足规范要求。

3.2 刚度计算结果

主梁在汽车活载作用下竖向位移如下图所示。

图3 汽车活载作用下主梁竖向位移(单位:cm) *载下**原图

汽车荷载作用下主梁竖向最大挠度为84.37cm，挠跨比为1/948<1/400，主梁刚度满足规范要求。

3.3 钢桁梁计算结果

钢桁梁主桁上下弦杆在运营阶段最不利组合作用下的应力如下图所示。

在运营阶段最不利组合作用下，钢桁梁上弦杆最大组合应力为-153.5MPa;下弦杆最大组合应力为169.4MPa;钢桁梁腹杆最大组合应力为-137.4MPa;钢桁梁横联上下缘除斜腹杆顶端与横联上弦杆交界处存在较大的应力集中外，上缘最大组合应力为96.8MPa，最小组合应力为-137.8MPa;下缘最大组合应力为143.8MPa，最小组合应力为-107.9MPa;钢桁梁下平联最大组合应力为95.3MPa，最小组合应力为-69.5MPa;以上应力均小于容许应力，满足规范要求。

图4 钢桁梁主桁上弦杆应力包络图(单位:MPa) *载下**原图

图5 钢桁梁主桁下弦杆应力包络图(单位:MPa) *载下**原图

3.4 正交异性桥面板计算结果

钢桁梁正交异形桥面板在运营阶段最不利组合作用下的应力分布如图6所示。

图6 正交异性桥面板应力分布图(单位:MPa) *载下**原图

由上图可知，在运营阶段最不利组合作用下，钢桁梁桥面板除钢混结合段处存在较大的应力集中外，其余等效应力在145MPa以下。

3.5 边跨混凝土主梁计算结果

按规范JTG 3362-2018第4.1.7条规定验算结构的正常使用极限状态，混凝土主梁组合应力。在正常使用极限状态下，边跨混凝土梁最大压应力为12.0MPa，最小压应力为1.04MPa，未出现拉应力。

4 结构稳定计算结果

对斜拉桥，整体稳定的计算尤为重要。选取施工阶段最不利的最大双悬臂阶段进行屈曲稳定计算。考虑自重、挂篮和风荷载作为屈曲荷载。

最大双悬臂施工阶段前三阶屈曲模态及稳定系数如下表所示。

表1 结构稳定系数及屈曲模态一览表 *载下**原图

5 结语

本桥由于地形限制，采用钢桁梁-混合梁斜拉桥方案，边中跨比只有0.275，边中跨比小是该桥受力体系的重要特点。采用大型有限元软件对结构进行总体计算，计算结果表明各个构件的刚度、强度、稳定性均满足规范要求。通过对该桥的设计、静动力计算的介绍，为同类项目的设计和计算提供借鉴和参考。

参考文献

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[2] 肖汝诚，等．桥梁结构体系．北京:人民交通出版社，2013.

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[6] JTG 3362-2018，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范．

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