独柱塔宽幅钢箱梁斜拉桥主梁设计研究

摘要

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。