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某斜拉桥结构设计及检算马渊【摘要】以某斜拉桥为工程背景,介绍该桥的设计要点,运用有限元软件BSAS,建立有限元模型,对该结构运营阶段承载能力极限状况下承载力和效应标准组合下混凝土最大正应力进行验算,结果表明:运营阶段各主梁各截面均处于受压状态,主梁各截面的内力值小于承载能力极限值,均满足规范要求,效应标准组合下荷载下斜拉桥混凝土最大正应力均小于规范允许值,该斜拉桥各构件的设计和材料参数取值合理.由于该桥截面的特殊性,其箱梁扭转畸变效应将会较大,且桥面宽大会造成箱梁剪力滞效应相应较明显,需要引起足够的重视.【期刊名称】《甘肃科技纵横》【年(卷),期】2018(047)008【总页数】5页(P48-51,96)【关键词】斜拉桥;结构设计;BSAS;检算【作者】马渊【作者单位】中国市政工程华北设计研究总院有限公司,天津 300202【正文语种】中文【中图分类】U446.11 工程概况斜拉桥又称斜张桥,是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁,是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。
其可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁。
其可使梁体内弯矩减小,降低建筑高度,减轻了结构重量,节省了材料。
斜拉桥主要由索塔、主梁、斜拉索组成［1-2］。
泉州侧桥台台尾里程为K5+56.48,南安侧桥台台尾里程为K5+453.52,桥梁全长397.04m,其中联台大桥主桥长度为300 m,主桥主跨中心里程为K5+240.0,桥型采用（82+136+82m）双塔单索面部分斜拉桥。
引桥长度泉州侧为33.55m,南安侧为63.55m。
主桥和引桥桥面宽度均为30.5m［3］。
桥梁总体布置图见图1。
图1 桥梁总体布置图（单位：cm）2 主桥设计要点2.1 主桥箱梁结构梁体为单箱三室变高度斜腹板箱型截面,主跨（136m）墩顶处梁高4.5m,跨中处梁高及边跨直线段采用2.6m,中跨及边跨梁底曲线线型采用二次抛物线。
箱梁箱顶宽28.5m,单侧悬臂长5m,主跨根部箱底宽15.428 m,跨中处梁高及边跨直线段箱底宽16.948m。
《公路斜拉桥设计规范》修订解读近日，交通运输部发布了《公路斜拉桥设计规范》(JTG 3365-01—2020，以下简称《规范》)，作为公路工程行业标准，自2020年8月1日起施行，原《公路斜拉桥设计细则》(JTG/T D65-01—2007，以下简称原《细则》)同时废止。
为便于理解本次修订的主要内容，切实做好贯彻实施工作，现将有关修订情况解读如下：一、修订背景原《细则》自2007年实施以来，在公路斜拉桥设计、施工、养护等方面发挥了重要的规范和指导作用。
近年来，我国斜拉桥建造技术迅速发展，建设了大量大跨度、特殊结构型式的斜拉桥，积累了大量设计、施工经验。
原《细则》已不能满足我国目前斜拉桥设计的需求了。
为适应斜拉桥建设技术的发展，交通运输部组织完成了《规范》的修订工作。
二、标准的定位《规范》涵盖了公路斜拉桥常用材料、作用、总体设计、构造设计、结构分析计算、设计对施工监控的要求以及养护条件设计，与上游的公路桥涵通用设计规范、钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范、钢结构桥梁设计规范等，共同形成了公路斜拉桥设计体系。
《规范》以规范和指导公路斜拉桥设计为目标，旨在体现全寿命周期设计理念。
《规范》充分考虑了与其他标准的衔接，以国内外工程实践和先进研究成果为依托，根据我国公路斜拉桥建设的现状以及实际特点，以容全面、分类指导、重点突出、简单适用为基本原则，广泛征求意见，具有清晰明确的定位，对进一步提升公路斜拉桥设计工作具有较强的指导作用。
三、《规范》的特点《规范》注重落实新发展理念和交通强国建设纲要，对标国内国际先进水平，充分吸纳我国公路斜拉桥的设计、施工和养护中的先进成果，广泛征求了设计、施工、建设、养护、管理等有关单位和专家的意见，经过反复讨论、修改后定稿。
主要修订内容包括：（一）使用科学的极限状态设计方法，满足大跨径建设需求。
借鉴和吸收国内外先进的设计方法，结构设计根据可靠性设计理论，按照相关设计规范要求，采用了以概率理论为基础、按分项系数表达的极限状态设计方法。
第二章 斜拉桥的计算第一节 结构分析计算图式斜拉桥是高次超静定结构，常规分析可采用平面杆系有限元法，即基于小位移的直接刚度矩阵法。
有限元分析首先是建立计算模型，对整体结构划分单元和结点，形成结构离散图，研究各单元的性质，并用合适的单元模型进行模拟。
对于柔性拉索，可用拉压杆单元进行模拟，同时按后面介绍的等效弹性模量方法考虑斜索的垂度影响，对于梁和塔单元，则用梁单元进行模拟。
斜拉桥与其它超静定桥梁一样，它的最终恒载受力状态与施工过程密切相关，因此结构分析必须准确模拟和修正施工过程。
图2-1是一座斜拉桥的结构分析离散图。
图2-1斜拉桥结构分析离散图第二节 斜拉索的垂度效应计算一、等效弹性模量斜拉桥的拉索一般采用柔性索，斜索在自重的作用下会产生一定的垂度，这一垂度的大小与索力有关，垂度与索力呈非线性关系。
斜索张拉时，索的伸长量包括弹性伸长以及克服垂度所带来的伸长，为方便计算，可以用等效弹性模量的方法，在弹性伸长公式中计入垂度的影响。
等效弹性模量常用Ernst 公式，推导如下：如图2-2所示，为斜索自重集度，q m f 为斜索跨中的径向挠度。
因索不承担弯矩，根据处索弯矩为零的条件，得到：m m 22111cos 88m T f q l ql α⋅==⋅2cos 8m ql f Tα= （2-1）图2-2 斜拉索的受力图式索形应该是悬链线，对于m f 很小的情形，可近似地按抛物线计算，索的长度为：lf l S m238⋅+= (2-2)223228cos 324m f q l l S l l TαΔ=−=⋅= 2323cos 12d l q l dT TαΔ=− (2-3) 用弹性模量的概念表示上述垂度的影响，则有：()3322321212cos f dT l lT E d l A Aq l L σαγ=⋅==Δ (2-4)式中：/T A σ=，q A γ=，cos L l α=⋅为斜索的水平投影长度， f E ：计算垂度效应的当量弹性模量。
公路斜拉桥设计规范（试行）Design Specifications of Highway Cable StayedBridge (on trial)主编部门：交通部重庆公路科学研究所批准部门：中华人民共和国交道部试行日期：1996年12月1日人民交通出版社1996-北京1总则1.0.1为了使公路斜拉桥设计达到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量，特制定本规范。
1.0.2本规范适用于混凝土斜拉桥、结合梁斜拉桥、钢斜拉桥的设计，为现行公路桥涵设计规范的补充。
除本规范明确规定外，应遵照现行有关公路桥涵设计规范要求执行。
1.0.3斜拉轿总体方案，应与环境协调并综合考虑经济与安全、设计与施工、材料与机具、营运与管理，以及桥位处地质、水文、气象、地震等因素确定结构体系。
1.0.4桥宽应满足交通发展的要求，并应符合《公路工程技术标准(JTJ01--88)（1995年版）的规定。
1.0.5设计主梁、索塔与拉索时，宜进行多方案比较。
1.0.6所选方案除进行静力分析外，应重视动力分析，结构体系应满足强度、刚度、稳定性要求，并有较好的抗震性能，混凝土斜拉桥宜注意收缩徐变影响2术语2.0.1混凝土斜拉桥：主梁为钢筋混凝土或预应力混凝土的斜拉桥。
2.0.2钢斜拉桥：主粱及桥面系均为钢结构的斜拉桥。
2.0.3结合梁斜拉桥：主梁为钢结构，桥面系为混凝土结构，主梁与桥面系结合在一起共同受力的斜拉桥。
2.0.4拉索：承受拉力并作为主梁主要支承的结构构件。
2.0.5索塔：用以锚固拉索，并将其索力直接传递给下部结构的受力构件。
2.0.6主梁：主要由拉索支承，直接承受荷载的结构构件。
2.0.7辅助墩：为改善主跨的受力状态，在边跨内设置的既能承受压力又能承受拉力的墩。
2.O.8训拉力：安装拉索时，给拉索施加的张拉力。
2.0.9拉索调整力：为改善主梁及索塔的截面内力状态而调整拉索的拉力。
2.0.10跨径：原则上为两支座中心线间的距离，中跨为两个索塔中心线间的距离，边跨为后锚索处的墩上支座中心线与临近的索塔中心线间的距离。
路桥隧道管理养护专业网www.rbt mm.co m中华人民共和国行业标准公路斜拉桥设计规范(试行）Design Specifications of Highway Cable StayedBridge(on trial)JTJ 027—96主编部门：交通部重庆公路科学研究所批准部门：中华人民共和国交通部试行日期：1996年12月1日l 总则1.0.1 为了使公路斜拉桥设计达到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量，特制定本规范。
1.0.2 本规范适用于混凝土斜拉桥、结合梁斜拉桥、钢斜拉桥的设计，为现行公路桥涵设计规范的补充。
除本规范明确规定外，应遵照现行有关公路桥涵设计规范要求执行。
1.0.3 斜拉桥总体方案，应与环境协调并综合考虑经济与安全、设计与施工、材料与机具、营运与管理，以及桥位处地质、水文、气象、地震等因素确定结构体系。
1.0.4 桥宽应满足交通发展的要求，并应符合《公路工程技术标准》 (JTJ 01 —88)(1995 年版 ) 的规定。
1.0.5 设计主梁、索塔与拉索时，宜进行多方案比较² ．1.0.6 所选方案除进行静力分析外，应重视动力分析，结构体系应满足强度、刚度、稳定性要求，并有较好的抗震性能，混凝土斜拉桥宜注意减小收缩徐变影响。
2 术语2.0.1 混凝土斜拉桥：主梁为钢筋混凝土或预应力混凝土的斜拉桥。
2.0.2 钢斜拉桥：主梁及桥面系均为钢结构的斜拉桥。
2.0.3 结合梁斜拉桥：主梁为钢结构，桥面系为混凝土结构，主梁与桥面系结合在一起共同受力的斜拉桥。
2.0.4 拉索：承受拉力并作为主梁主要支承的结构构件。
2.0.5 索塔：用以锚固拉索，并将其索力直接传递给下部结构的受力构件。
2.0.6 主梁：主要由拉索支承，直接承受荷载的结构构件。
2.0.7 辅助墩：为改善主跨的受力状态，在边跨内设置的既能承受压力又能承受拉力的墩。
2.0.8 初拉力：安装拉索时，给拉索施加的张拉力。
目 次目次1 总则............................................................................................................................. - 1 -2 术语和符号 ................................................................................................................ - 3 -2.1术语 . (3)2.2符号 (6)3 材料............................................................................................................................. - 8 -3.1混凝土 (8)3.2钢材 (8)3.3斜拉索 (9)4 作用........................................................................................................................... - 10 -4.1一般规定 (10)4.2各类作用 (10)4.3作用组合 (12)5 总体设计 .................................................................................................................. - 13 -5.1一般规定 (13)5.2基本结构体系与形式 (14)5.3其他结构体系与形式 (18)6 构造设计 .................................................................................................................. - 22 -6.1一般规定 (22)6.2主梁 (22)6.3索塔 (31)6.4斜拉索 (32)6.5气动稳定构造措施 (35)6.6锚固系统 (35)6.7附属工程构造 (49)7 结构分析计算 .......................................................................................................... - 51 -7.1一般规定 (51)公路斜拉桥设计规范（JTG/T 3365-01—2020）7.2成桥状态静力分析 (53)7.3施工阶段静力分析 (60)7.4静力稳定分析 (63)7.5动力分析 (66)8 设计对施工监控的要求 .......................................................................................... - 74 -8.1一般规定 (74)8.2基本要求 (75)8.3控制精度 (76)9 养护条件设计 .......................................................................................................... - 77 -9.1一般规定 (77)9.2养护及更换条件设计 (77)本规范用词用语说明 .................................................................................................. - 79 -总则1 总则1.0.1为规范和指导公路斜拉桥的设计，按照安全、耐久、适用、环保、经济和美观的原则，制定本规范。
第4章结构整体分析4.1计算原则斜拉桥的结构分析计算，根据跨度的大小采用两种不同的理论。
对于特大跨径的斜拉桥，为消除斜拉索及大变位引起的非线性因素的影响，必须采用有限变形理论；对于中小跨径的斜拉桥，采用小变形理论即可获得满意的结果。
平面杆系有限元法是计算斜拉桥内力的基础，其基础理论是小变形理论。
在计算斜拉桥的内力及变形时，一般把空间结构简化成平面结构，但应计算荷载横向分布对结构的影响，以考虑结构的空间效应。
而斜拉桥结构较柔，拉索的布置形式，主梁抗扭刚度都有影响，故在计算荷载横向分布系数时应综合考虑。
本设计在计算斜拉索和索塔的内力时，采用刚性横梁法来考虑荷载的横向分布系数。
斜拉桥的内力及变形分析主要是斜拉索和索塔，所承受的荷载如 2.3.1所述。
因主梁的内力计算涉及施工阶段、横向扭转弯矩和剪力滞效应等问题，计算比较复杂，故未进行设计。
本斜拉桥内力计算的基本原则是：（1）采用小变形理论按一般的平面杆系有限元法计算内力，不考虑非线性影响；（2）为方便施工，拉索一次张拉至设计值；（3）索塔在承台处固结，不考虑桩基础的影响；（4）根据结构的对称性，可取一半结构进行计算；（5）斜拉索的安全系数按不小于2.5考虑。
本设计采用MIDAS Civil Ver6.7.0软件进行结构分析。
4.2 基本参数4.2.1 截面特性毛截面几何特性计算是结构内力和挠度计算的前提。
毛截面计算常用的方法有节线法、分块面积法和AutoCAD的Region/Mass Properties功能等。
以下是通过AutoCAD求得的各截面变化处的截面特性，如表4-1所示：表4-1 截面几何特性- 14 -- 15 -注：混凝土结构计算弹性模量按JTG D62-2004规范取用； 其结构容重C50混凝土为25.0KN/3m , C60混凝土为26.0KN/3m 。
表4-1中，主梁的截面几何特性是毛截面特性，构件的截面性质应根据不同的计算阶段决定采用换算截面特性还是采用净截面特性；拉索的面积为单根斜拉索的面积。
斜拉桥设计计算参数分析摘要: 在斜拉桥的设计中，除对塔、梁、索的构造形式及尺寸的选取外，主要的总体设计参数有主梁的中边跨跨径比、跨高比、跨宽比、宽高比和主塔的有效跨高比以及主梁的温度变化、混凝土收缩徐变，这些参数将直接对斜拉桥的结构性能产生影响，故有必要通过统计已建斜拉桥的设计资料，对上述参数的选用给出一总体认识。
关键词:斜拉桥;设计参数;1 概述斜拉桥属高次超静定结构,所采用的施工方法和安装程序与成桥后的主梁线形、结构内力有着密切的联系。
并且在施工阶段随着斜拉桥结构体系和荷载状态的断变化,主梁线形和结构内力亦随之不断发生变化。
因此,需对斜拉桥的每一施工阶段进行详尽的分析、验算,从而求得斜拉索张拉吨位和主梁挠度、主塔位移等施工控制参数,并依此对施工的顺序做出明确的规定,并在施工中加以有效的管理和控制。
2 设计参数分析2.1 主梁的中、边跨跨径比主梁的中、边跨跨径比反映了结构体系的变形特性和锚索的抗疲劳性能：从图1、图2可见，三跨钢斜拉桥的中边跨跨径比较多地位于2．0～3．5之间，集中在2．5处；三跨混凝土斜拉桥的相应数值则为1．5～3．0，较集中于2．2处。
就一般而言，中、边跨跨径的比值大于2．0，将能控制锚索的应力幅度在一定的范围内，并提高结构体系的总体刚度。
在许多斜拉桥中，虽然中、边跨跨径的比值较小，但边跨中往往采用设置辅助墩或将主梁与引桥连接形成组合体系以提高结构刚度，适应结构的变形要求。
2.2 主梁自重分析选取某斜拉桥桥5号、9号梁段(见图3)，各自增重5 %(其它参数取理论值) ,分别计算得到在浇筑完5号、9号梁段后各控制点挠度及主梁控制截面弯矩变化情况，见图3 、图4 。
图3：主梁自重增大5 %的梁段挠度影响图4：主梁自重增大5 %的梁段弯矩影响从图3 、图4可见,梁段自重对控制点挠度的影响较大,且悬臂越大,影响越明显。
梁段自重对控制点弯矩的影响更加不容忽视, 9 号梁段自重增大5 %,导致6 号梁段的弯矩值增加至1 200 kN ·m ,达到合理成桥状态下该截面弯矩值的7 %。
