独柱塔宽幅钢箱梁斜拉桥主梁设计研究

随着铁路安全要求的越来越严格，上跨铁路的市政工程桥梁跨径正在逐渐增大。为解决跨越高速铁路及大型铁路编组站的建设难题，以一座大跨度独柱中央索转体斜拉桥为研究对象，针对主梁设计进行详细研究。跨铁路通道一般为稀缺通道资源，搭载交通功能需求多，桥面往往较宽，若采用混凝土截面，其横向应力很难有效控制，且施工质量很难保证。钢混组合梁工艺复杂且需向铁路局要天窗点，施工时间长，考虑跨越铁路尽量施工方便且对铁路影响降到最低，同时尽量降低转体重量，推荐钢箱梁作为跨铁路桥主梁结构形式。根据斜拉索布置形式及整、分幅钢箱梁类型，共对三种钢主梁横向布置进行比选。由于采用独柱形桥塔且塔高较低，钢箱梁两侧布置的斜拉索将会倾入行车道净空，同时分幅钢箱梁中央护栏区仍存在车辆或异物坠入桥下铁路的危险，推荐中央索面整幅钢箱梁结构形式。在确定斜拉桥主梁结构形式为整幅钢箱梁的基础上，进一步优化钢箱梁梁高。以斜拉桥结构受力状态和钢材用量为优化目标，初步选定三种钢箱梁梁高方案，其截面高度分别为3.0，3.3，3.5 m。从结构受力状态和工程经济性两个方面综合考虑，3.3 m梁高方案对于主梁、桥塔受力及工程材料的节约方面为最佳配置。

为研究宽幅钢箱梁受力性能，以独柱塔宽幅钢箱梁斜拉桥工程实例，开展宽幅钢箱梁设计研究。基于极限状态法，依托JTG D64—2015《公路钢结构桥梁设计规范》开展了钢箱梁静载计算和疲劳计算分析。静载分析包括加载模式、钢箱梁桥面板刚度条件等指标的确定，并基于ANSYS开展了标准钢箱梁和压重区钢箱梁的空间局部应力分析；疲劳验算通过选择合理的疲劳荷载模型和全面考虑疲劳荷载的不同加载位置。静载计算和疲劳验算结果表明：大桥钢箱梁的静载变形和应力满足JTG D64—2015要求，各构件和连接的疲劳应力幅均小于规范限值，并有适当的安全富余，疲劳性能良好。采用杆系、板壳混合有限元法建立混合有限元模型，对独柱宽幅钢箱梁斜拉桥控制性区域跨中节段、塔梁交汇区域与边跨辅助墩区域进行剪力滞效应分析，提炼参数指标，对设计起到了重要指导作用。独柱塔宽幅钢箱斜拉桥主梁具有良好的经济性和美观性，可为大跨度宽幅桥面结构提供借鉴和参考。

武汉市杨泗港快速通道是主城区“三环十三射”快速路系统的重要组成部分，其中跨铁路大桥为武昌段控制性工程，如图1所示。大桥建成后将打通铁路障碍瓶颈，加强白沙洲地区与南湖地区交通联系，对缓解武汉市中心区交通压力具有重要的意义。

图1 工程地理位置

武汉市杨泗港快速通道跨铁路大桥采用(40+88+252+88+40)m半漂浮体系双塔钢箱梁斜拉桥，采用转体法施工，转体半径124 m，转体重量1.8×105 kN。桥面按双向八车道设计，设计时速60 km/h，宽度达44 m，局部46 m。该桥已于2019年10月正式通车，为目前世界最大跨度、最宽转体斜拉桥，具有建设条件严苛、技术含量高、设计难度大、施工要求高等技术重、难点。

以杨泗港快速通道独柱塔宽幅钢箱梁斜拉桥为工程背景，进行主梁设计研究。该桥为(40+88+252+88+40)m半漂浮体系钢箱梁斜拉桥，桥塔中穿桥面，为典型的独柱塔宽幅桥面结构，桥梁采用转体法施工跨越桥下铁路。工程总体布置见图2。

图2 工程总体布置 m

该桥主梁采用正交异性板扁平流线形栓焊钢箱梁，由顶板、平底板、斜底板、锚固腹板、人行道腹板围封而成，箱梁内腔被纵横隔板分隔。主梁中心线处内轮廓高3.272 m，顶面设双向2%横坡。顶板宽44.04 m，平底板宽37.4 m，每侧斜底板宽5.6 m，在人行道宽2.72 m，钢箱梁全宽44.04 m，不含人行道全宽38.6 m。

主梁标准横断面具体布置从左至右依次为0.5 m(SS防撞墙)、1.9 m(人行道)、0.6 m(SX防撞墙)、0.5 m(路缘带)、4×3.5 m(车行道)、0.5 m(路缘带)、0.5 m(SA防撞栏)、7 m(桥塔范围)、0.5 m(SA防撞栏)、0.5 m(路缘带)、4×3.5 m(车行道)、0.5 m(路缘带)、0.6 m(SX防撞墙)、1.9 m(人行道)、0.5 m(SS防撞墙)，总计44 m，具体见图3。

图3 主梁标准横断面 cm

依据工程建设条件，桥面按双向八车道设计，两侧预留人行道，箱梁较宽。若采用混凝土截面，其横向应力很难有效控制且施工质量很难保证。钢混组合梁工艺复杂且需向铁路局要天窗点，施工时间长，考虑跨越铁路尽量施工方便且对铁路影响降到最低，同时尽量降低转体重量，推荐钢箱梁作为主梁结构形式。

设计之初，根据斜拉索布置形式及整、分幅钢箱梁类型，共对3种钢主梁横向布置进行比选，如图4～图6所示。

全桥总体静力分析采用MIDAS空间有限元程序，以设计竖曲线为基准进行结构离散，建立空间有限元模型，见图8，分析结构各阶段的内力和位移变化情况；采用ANSYS软件建立13道横隔板间共36 m钢箱梁节段的空间模型并进行空间静力分析和疲劳验算，长度范围内有3对斜拉索，采用杆轴方向拉压的三维杆单元Link 8模拟斜拉索，采用Shell 63单元模拟钢箱梁其他板件，见图9。考虑对称性，取一半钢箱梁结构建立模型。钢箱梁关键受力区段构件，如钢锚箱钢板采用Q370qD，其他主体结构(含受力性加劲构造和补强构造等)采用Q345qD。

图8 主桥有限元模型

图9 钢箱梁标准段有限元模型

4.1.1 活载模式1

活载采用4辆城-A级车辆荷载，车辆荷载重轴位于横隔板位置，用于验算钢箱梁桥面板局部应力、纵隔板局部应力、横隔板局部应力、底板局部应力，使用三体系应力叠加法验算桥面板应力水平。

4.1.2 活载模式2

活载采用4辆城-A级车辆荷载，车辆荷载重轴位于两道横隔板之间，用于验算钢箱梁桥面板局部应力、纵隔板局部应力、横隔板局部应力、底板局部应力，使用三体系应力叠加法验算桥面板应力水平。

4.1.3 分析结果

经有限元静载分析，基本荷载组合工况下钢箱梁第一体系应力如图10所示。上缘最大压应力为58.5 MPa，下缘最大压应力为137.86 MPa。

a—上缘；b—下缘。
图10 主梁第一体系上、下缘应力包络图 MPa

两种不同活载工况作用时，桥面板、底板、锚箱处横隔板及非锚箱处横隔板的强度满足JTG D64—2015要求。

正交异性板体系应力(第二、三体系：桥面板体系、盖板体系)最大值106 MPa，叠加第一体系应力后钢箱梁最大应力为243.86 MPa<270 MPa)，满足JTG D64—2015《公路钢结构桥梁设计规范》要求。

4.2.1 疲劳荷载计算模型1

采用等效的车道荷载，集中荷载为0.7Pk，均布荷载为0.3qk。Pk和qk按公路-I级车道荷载标准取值，横向车道布载系数考虑多车道的影响。

4.2.2 疲劳荷载计算模型2

采用双车模型，模型车轴载及分布规定如图11所示。

图11 疲劳荷载计算模型2 m

4.2.3 疲劳荷载计算模型3

采用单车模型，模型车轴载及分布规定如图12所示。

a—车轴载；b—轴载分布。
图12 疲劳荷载计算模型3 m

4.2.4 分析结果

钢箱梁主要构件和连接采用疲劳荷载计算模型1验算，若不满足要求，则按疲劳荷载计算模型2验算。采用疲劳荷载计算模型1，在集中荷载位于横隔板处和集中荷载位于横隔板之间两种工况下，除顶板和锚固腹板均在拉索锚固处出现应力集中外，其余位置疲劳应力幅均小于计算得出的正应力常幅疲劳极限，见图13～图15。

图13 顶板应力云 Pa

图14 底板应力云 Pa

图15 横隔板应力云 Pa

桥面系构件采用疲劳荷载计算模型3验算。考虑到8 cm桥面铺装层扩散效应，轮载面积取0.76 m×0.36 m。验算点的应力幅最大值均小于JTG D64—2015限值，满足要求。

验算局部刚度时，按照车辆重轴100 kN×1.4×1.3加载，且未考虑铺装层的扩散。

1)局部刚度。按JTG D64—2015要求，在车辆活载(含冲击系数)作用下，纵向加劲肋(U肋)腹板间的挠跨比D/L均小于1/700，即0.4 mm。

2)纵向加劲肋整体刚度。列车活载(含冲击系数)作用下，纵向加劲肋U肋的挠度均小于1/500横隔板间距，即6 mm。

3)横向整体刚度。列车活载(含冲击系数)作用下，桥面板横向弯曲曲率半径均大于20 m。

宽幅翼缘箱形截面梁由于在翼板上存在剪切滞后现象，使得其上下翼缘的正应力沿宽度方向分布不均匀，称为剪力滞效应。

宽幅钢箱梁截面自身的复杂性加上结构整体多次超静定结构导致采用解析法进行剪力滞分析非常困难。对于宽幅主梁斜拉桥的剪力滞分析，采用有限元数值分析法是较为合适的。为了得到钢箱梁板件的真实应力，本文采用板壳单元与梁单元相结合的混合有限元模型。采用有限混合单元法计算结构的受力是根据在杆系与板壳交界部位满足平截面假定的基础上进行的，其计算方法与有限元相同，只是在形成系统的求解方程组时须计入在交接部位节点的位移约束条件。

根据主梁受力特点，分别建立跨中段、塔梁交汇段以及辅助墩段3个典型主梁位置处的混合单元有限元模型，并对其进行分析，其中板壳单元横截面上所有节点与梁单元端节点之间连接通过MIDAS软件中的刚性连接实现，有限元模型如图16所示。

a—跨中区域；b—塔梁交汇区域；c—辅助墩区域。
图16 3个典型主梁位置处的混合有限元模型

根据圣维南原理，为保证研究截面处的计算精度，防止板壳单元与杆系单元交汇处产生的局部应力失真对计算结果产生影响，板壳单元长度至少应为截面高度的3～4倍。主梁高3.3 m，板壳单元长度至少须为9.9～13.2 m。经过对比分析，跨中段、塔梁交汇段、辅助墩段板壳单元模型长度分别取为27，33，24 m，满足圣维南原理要求，可保证计算结果具有足够精度。桥塔为空间梁单元，斜拉索采用带刚度修正的桁架单元。

根据结构受力特点，剪力滞分析主要对结构进行恒载、活载剪力滞效应分析，活载效应按照影响线分布情况，在最不利区域布载。以跨中区域顶板计算为例，根据活载工况下板单元计算结果与杆系梁单元计算结果对比(图17、图18)，得出跨中活载顶板剪力滞系数λ。其计算式如下：

图17 跨中顶板局部纵向应力 MPa

图18 跨中顶板梁单元纵向应力 MPa

(1)

跨中板单元顶板最大纵向应力σ_xx为15.7 MPa；杆系梁单元计算跨中顶板应力(平截面假定)为-14.1 MPa。

经分析，跨中节段恒载顶板剪力滞系数最大为1.114，底板为0.898；塔梁交汇区域恒载顶板剪力滞系数最大为1.208，底板为1.157，活载顶板剪力滞系数最大为1.504，底板为1.18，辅助墩区域恒载顶板剪力滞系数最大为1.088，底板1.18，活载顶板剪力滞系数最大为1.213，底板1.103。

以武汉市杨泗港快速通道独柱塔宽幅钢箱梁斜拉桥为工程背景，分析了主梁截面选型、梁高确定、钢箱梁静载和疲劳特性以及宽幅钢箱梁剪力滞效应系数。通过结构比选、总体静力分析、局部分析以及板壳混合有限元模型分析得出以下结论:

1)独柱宽幅中央索面斜拉桥传力途径与常规斜拉桥并无太大区别。宽幅主梁需要注意剪力滞效应，确保钢箱梁强度设计安全。

2)宽幅主梁需要注意剪力滞效应，剪力滞控制性区域分别位于跨中节段、塔梁交汇区域与边跨辅助墩区域，塔梁交汇区主梁剪力滞系数较大，设计过程需重点关注。

3)主梁采用钢箱梁可适用于大跨度斜拉桥方案，克服宽幅结构较大的横向应力、降低主梁重量，同时具有施工速度快等优点，可为同类型桥梁设计提供借鉴和参考。