（1湖南省莲株高速公路建设开发有限公司 株洲 荷塘 421300）
（2江苏科技大学 江苏 镇江 212003）
【摘 要】近年来，一种新型桥梁结构-矮塔斜拉桥发展迅速，应用广泛，其在材料特性、结构形式等各方面的发展都日趋完善。如何确定矮塔斜拉桥的合理成桥索力，是矮塔斜拉桥必要解决的关键问题之一。本文以新洋港特大桥为工程背景，研究了合理成桥索力的确定方法，并且使用有限元软件ANSYS建立斜拉桥的模型，可用零阶方法对新洋港特大桥的成桥索力进行优化。计算结果表明：采用零阶方法对矮塔斜拉桥进行合理成桥索力的确定是可行的。
【关键词】矮塔斜拉桥；索力优化；零阶方法
【中图分类号】TU448.27 【文献标识码】A 【文章编号】1002-8544（2017）18-0055-03
1.引言
斜拉桥是一种组合体系，它是塔、主梁和斜拉索等共同受力的一种桥梁，这种桥面体系以主梁受压（索面较密）或受弯（索面较稀）、支撑体系以索塔受压和斜拉索受拉为主的桥梁[1-3]。主梁一般采用预应力混凝土，这样能充分利用混凝土受压的力学性能，又能合理增加主梁抗裂性能。因此，预应力混凝土斜拉桥在技术上较为合理、经济上较为合算，相较于传统结构桥梁有很大的优越性[4-8]。斜拉索对于斜拉桥是一个非常重要的受力构件，评估斜拉桥成桥状态及工作状态的重要判断准则是斜拉索索力[9]。
在十七世纪的欧洲就出现了斜拉桥，其中，有记载最早的斜拉桥是威尼斯工程师Verantius于1617年建造了一座有数根斜拉铁链的桥[10，11]。而第一座矮塔斜拉桥是在法国诞生的，20世纪年80年代末由Jacgues Mathivat首次提出矮塔斜拉桥的结构形式[12]。之后第一次真正意义上的矮塔斜拉桥出现在了日本，1994年，日本建成的小田原港（Odawara Blueway）桥[5]。之后，日本的矮塔斜拉桥得到了进一步的发展，紧接着又建成了屋代南矮塔斜拉桥、土狩大桥、北铁路矮塔斜拉桥、冢原矮塔斜拉桥、和唐户新桥等多座矮塔斜拉桥[13]。1995年，山崎淳、三縣敬二对矮塔斜拉桥做了大量深入分析，使用双结构参数来表示和评定矮塔斜拉桥的结构特性[14，15]。
我国到20世纪末21世纪初才开始修筑这种类型的桥梁，可是矮塔斜拉桥的建造在我国快速运用。在2000年建成的芜湖长江大桥是我国第一座矮塔斜拉桥[6]。于2001年完工通车的漳州战备大桥是我国首座公路矮塔斜拉桥，在世界上名列前茅[16]。荷麻溪特大桥为预应力混凝土矮塔斜拉桥，跨径为125+230+125米，它的建成标志着我国矮塔斜拉桥建造、设计标准跻身到了世界前列[8]。2011年，波形钢腹板在洛三高速许沟特大桥和新密溱水路大桥的建造中得到了运用，这种钢腹板的应用丰富了桥梁的结构类型[17，18]。
本文以盐城市范公路新洋港大桥为依托，对矮塔斜拉桥的索力优化方法和效果了加以分析，并证实采用零阶优化方法能够有效的对矮塔斜拉桥的索力优化进行分析。
2.工程概况
2.1 总体布置
新洋港特大桥建造于盐城市范公路两侧，是江苏省内跨度最大的矮塔斜拉桥。其主桥的跨径是120+216+120米，为一座双塔四索面矮塔斜拉桥，效果图见2.1。主桥采用左右幅分离布置的形式，结构形式采用的是塔墩固结、塔梁分离的三跨连续体系。单幅桥的桥面宽度为24.250米，塔高为63.500米，为三柱式桥塔。
2.2 主梁的构造
主梁的半幅桥采取的是单箱三室的小悬臂斜腹板截面；在中支点6米范围内，主梁箱梁的顶板宽度为22.05米，其它区域内箱梁的顶板宽度均为24.25米。箱梁底板在墩顶位置的宽度为14.03米，逐渐变化为跨中位置的18.42米，主梁腹板的斜率则不变。为了增加支座的横向距离，使结构的抗扭性能得到增强，将中支点处的横隔板宽度加宽至19.55米。端支点处和跨中位置的主梁的高度为3.5米，中支点处的主梁高度为8.0米，剩余的主梁梁高都是按照1.8次抛物线的规律变化的。箱梁合拢段底板的厚度为0.32米，0#块端部的底板厚度为1.0米，其余主梁的底板厚度按照1.8次抛物线的规律进行变化。
图2.1 新洋港特大桥全景图
新洋港大桥的主梁采用是强度等级为C55的混凝土，采用的是HRB335和HPB235的钢筋；纵向及横向预应力钢束采用=1860MPa钢绞线，竖向预应力钢束采用=785MPa精轧螺纹粗钢筋。斜拉索则采用的是=1860MPa的钢绞线。
2.3 主塔构造
沿着纵桥向有2个主塔，每个主塔是由1根中塔柱、2根边塔柱、上横梁组成的框架结构。主塔高度为63.5米，其中上塔柱高57米，下塔柱高6.5米。下塔柱为实心截面，上塔柱的下面24米范围内为空心截面，上面33米范围内为实心截面。边塔柱截面为五边形，顺桥向为5米，横桥向为3.5米，中塔柱的截面为矩形，顺桥向为5米，横桥向为3.5米。塔身的四周均设置了圆倒角，圆倒角的半径为5厘米，且塔柱在顺桥一侧均设置了装饰槽，预留了鞍座，以使斜拉索能够通过，每根斜拉索都有一个对应的鞍座，两边的边塔柱预留一排鞍座，而中塔柱则需预留两排鞍座。
2.4 斜拉索布置
新洋港整桥共有64根斜拉索，其中每一根皆由61根7φ5钢绞线组成。桥面斜拉索两份索面均为扇形截面，拉索在主梁上的间距8m、在塔上的间距2.5m，斜拉索通过预埋在索塔上的鞍座穿过塔柱，然后在主梁上进行张拉。新洋港特大桥全桥布置如图2.2所示。
图2.2 结构布置图
3.计算模型
3.1 材料参数
新洋港特大桥的主要材料如表3.1所示。
图3.1 空间有限元模型
3.3 单元类型的选择
由于新洋港桥主梁、索塔、桥墩的长厚比均较高，因此可以用beam单元来模拟；而且，主梁、索塔等均为变截面，所以选用BEAM188来进行模拟的。
而斜拉索是受拉构件，不能够承受压力，则采用LINK8单元来进行模拟。
斜拉索与主梁、索塔之间的连接是采用的BEAM44单元来模拟的，因为要求它们之间的连接要有很大的刚度，所以BEAM44单元较为合适。
3.4 边界条件
新洋港特大桥的索塔和桥墩的连接方式为刚性连接，塔底部的节点是完全固结的，所以需要约束塔底部节点的6个自由度；在对称面采用对称约束。
4.优化结果
对斜拉索索力进行的优化，本文采用零阶优化方法。应用零阶优化方法时，首先将斜拉索拉力作为设计变量，然后将主梁位移及应力为约束条件；将主梁的弯曲应变能作为目标函数。关于此方法的详细介绍与操作步骤见相关文献[12， 17，19]，本文不再赘述。
4.1 索力比较
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从表4.1可知：优化后的索力相比初始索力更均匀，变化幅度小，拉索索力基本按照短索索力小，长索索力大的规律变化的。
4.2 主梁内力比较
4.2.1 主梁弯矩比较
优化前后，主梁的内力及线形会发生一定的变化，具体变化如下图4.1所示。优化前，主梁的最大负弯矩出现在主塔附近，值为错误！未找到引用源。最大正弯矩出现在中跨跨中位置，值为错误！未找到引用源；而优化后的主梁的最大负弯矩在边跨跨中位置，值为错误！未找到引用源，最大正弯矩出现在中跨跨中位置，值为，主塔处的负弯矩及跨中正弯矩相对于优化前的值均减小了，并且主塔两侧的弯矩进行了重分布。整体来看，优化后弯矩的值分布得比较均匀，而且正负交替。
图4.3 优化前（左）、优化后（右）主梁轴力图(kN)
5.结论
本文以新洋港特大桥为工程实例，运用有限元软件ANSYS建立相应的计算模型，釆用弯曲能量为优化目标、零阶优化方法来对双塔四索面矮塔斜拉桥进行成桥的索力优化计算，经过验证，应用效果较好，对类似结构的设计和施工都有良好的参考价值和借鉴意义。
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论文作者:邓麟勇,刘平
论文发表刊物:《建筑知识》2017年18期
论文发表时间:2017/9/18
标签：斜拉桥论文; 弯矩论文; 桥梁论文; 大桥论文; 方法论文; 拉索论文; 截面论文; 《建筑知识》2017年18期论文;