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。

方案二：主跨箱梁增加40m，边跨跨径不变。

主跨侧拉索的布置进行调整。

对主跨侧尾部三对拉索的索距进行了调整，斜拉索的索距由14m调整为17.5m。

调整后的拉索布置为12×14+3×17.5m。

同时对边跨施加压重，压重方式于方案一相同。

方案三：主跨箱梁增加40m，边跨跨径不变。

主跨测拉索布置进行调整，将主跨侧的拉索索距由原来的14m调整为16.5m。

边跨斜拉索布置不改变，同时对边跨施加压重，压重方式于方案一相同。

方案四：主跨箱梁增加40m，边跨跨径不变。

主跨测拉索布置进行调整，主跨的索距由原设计调整为16m，最后两对索的间距调整为3.5m。

调整后主跨索距为15×16m，边跨索距为13×7.5+2×3.5m。

同时对边跨施加压重，压重方式于方案一相同。

方案五：主跨箱梁增加40m，边跨跨径不变。

主跨测拉索布置进行调整，主跨的索距由原设计调整为16m，最后两对索的间距调整为3.5m。

调整后主跨索距为15×16m，边跨索距为13×7.5+2×3.5m，并将尾部两对拉索采用地锚。

同时对边跨施加压重，压重方式于方案一相同。

3结构受力性能分析3.1结构位移分析由于斜拉桥在恒载作用下一般可通过设置预拱度进行消除，在《公路斜拉桥设计细则》中也没有对恒载下结构的变形没有明确规定。

因此在本次研究中主要关注在汽车荷载作用下结构的变形。

图6汽车荷载作用下模型一主梁变形图（单位：mm）在汽车荷载作用下模型一主跨主梁竖向位移如图6所示，其他各模型在汽车荷载作用下中跨主梁位移值如表1所示。

经计算可知各方案在汽车荷载作用下主梁的竖向位移均大于570mm，塔顶水平位移均大于155mm（见表2）。

这是由边跨的拉索无法较好的限制塔柱的水平位移，使得结构变形较大，通过不同拉索布置方案的调整能够对主梁的变形有一定的改善，但由于结构体系总体刚度较小，只调整拉索的布置无法有效的降低结构主梁竖向位移。

在汽车荷载作用下主梁的变形较大，不利于主梁桥面铺装的耐久性，同时对结构各构件的疲劳性能也有较大的影响。

表6汽车荷载作用下主梁中跨变形（mm）方案一方案二方案三方案四方案五578 587 641 609 579表7汽车荷载作用下主塔水平变形（mm）方案一方案二方案三方案四方案五196 198 186 171 1553.2主梁应力分析随着主跨跨径的增加，主跨侧的荷载明显增加，而边跨侧的荷载不变，因此主塔在荷载作用下会向中跨侧产生较大的水平位移，如3.1节所述。

桥塔的变为会引起边跨侧拉索索力的被动增加，使得边跨混凝土主梁出现上拱现象，在混凝土上缘产生拉应力效应。

在各方案比选中，通过调索消除边跨混凝土的拉应力，这也是本次分析中的调索原则。

中跨钢梁在跨中和边支点附近处于上缘受压，下缘受拉的压弯状态。

由于拉索对主梁提供的支撑较弱使得主梁变形较大，主梁承担荷载的比例较原方案增加很多，因此主梁应力较大。

图7荷载标准值组合下主梁下缘应力图（单位：MPa）图7不同方案钢梁应力图（单位：MPa）不同方案下主跨钢箱梁下缘拉应力和上缘应力图如图7所示。

钢梁的应力可以通过调整拉索的布置方式进行改善。

当无索区与有索区之比大于0.212时，无索区由于缺少拉索的支撑效应，应力过大，最大拉应力可达282MPa。

通过前三种方案的比较可知缩短无索区的长度可以有效的改善钢梁的受力性能。

通过后三种方案的比较可知，提高边跨刚度，限制桥塔的水平位移也可以改善钢梁的受力状态。

这是因为减小桥塔的水平位移可以改变主梁和拉索的荷载分配关系，当结构的变位越小则主梁承担的荷载就越小。

经过计算分析可知后三种方案均可满足主梁的受力要求。

3.3主塔应力分析随着跨径的增加主塔所承受的荷载也有所增大。

由于主跨单侧跨径增大，而且边跨刚度较小，使得桥塔承受的弯矩增加较大，呈压弯受力状态。

主跨侧的压应力远大于边跨侧压应力；在荷载短期效应组合下各方案的桥塔截面均可满足抗裂性要求。

通过不同方案的计算分析发现，随着拉索布置的调整和边跨尾索刚度的增加，这种弯曲效应有所减弱。

后两种方案桥塔的受力更合理。

各方案在荷载标准值组合下桥塔的最大压应力如表2所示。

表2荷载标准值组合下桥塔最大压应力（MPa）方案一方案二方案三方案四方案五18.6 17.9 17.7 14.9 14.83.4拉索索力分析各模型调索的原则是使得边跨混凝土梁的受力满足要求的条件下降低中跨钢梁的应力。

跨径的增加会增大主跨的索力，当边跨的控制张拉索力不调整时，在荷载作用下桥塔会产生很大的水平位移，使得边跨索力被动增加。