關(guān)于市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)的探討

羅永樂(lè)

（廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究院 廣東廣州 510060）

關(guān)于市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)的探討

羅永樂(lè)

（廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究院 廣東廣州 510060）

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程不斷地加快，城市的橋梁也在不斷地增加，大量橋梁總體上可以滿足功能要求，但同時(shí)也存在著很多缺陷，這給社會(huì)輿論、人民生活、城市交通帶來(lái)了不好的影響。本文結(jié)合工程實(shí)例對(duì)市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)進(jìn)行探究，以供同行參考。

市政橋梁；橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1 工程概況

該工程大橋橋位處的地震加速度為0.2g，Ⅲ類場(chǎng)地；場(chǎng)地樁基主要持力層為細(xì)、中砂。橋梁標(biāo)準(zhǔn)段全寬41m，根據(jù)規(guī)劃及現(xiàn)況河道斷面形態(tài)，并結(jié)合橋址周邊景觀環(huán)境定位的需求，該橋設(shè)計(jì)為塔高75m的獨(dú)塔有背索雙索面斜拉橋，跨徑布置為100m+ 50m。結(jié)構(gòu)為墩、塔、梁固結(jié)體系，受力明確、構(gòu)造簡(jiǎn)單。為滿足景觀及受力要求，主塔向邊跨側(cè)傾斜約78°。主梁設(shè)計(jì)為鋼-混凝土組合梁縱向受力體系，有利于平衡主、邊跨跨徑相差較大對(duì)整體結(jié)構(gòu)受力帶來(lái)的不利影響。主跨側(cè)設(shè)置8對(duì)拉索，梁上拉索間距為9.0m，邊跨側(cè)設(shè)置2對(duì)背索，均錨固于端橫梁處。

2 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

本橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在充分尊重并實(shí)現(xiàn)景觀創(chuàng)意的同時(shí)，進(jìn)行了多方案、多種結(jié)構(gòu)形式的論證及比選，實(shí)現(xiàn)了力與美的和諧統(tǒng)一。大橋設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要進(jìn)行了結(jié)構(gòu)體系、主塔傾角、主梁形式、飛燕拱肋布置等項(xiàng)目的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)及計(jì)算驗(yàn)證，如圖1所示。

圖1 橋梁整體布置（單位:cm）

2.1 結(jié)構(gòu)體系的選擇

斜拉橋上部構(gòu)造的各種荷載通過(guò)支承體系直接傳遞到下部結(jié)構(gòu)，支承體系的布置對(duì)斜拉橋的結(jié)構(gòu)性能影響很大，必須在全橋總體布置及構(gòu)造設(shè)計(jì)之前予以充分考慮。對(duì)于斜拉橋的基本體系按力學(xué)性能劃分有漂浮體系、支承體系（半漂浮體系）、塔梁固結(jié)體系以及剛構(gòu)體系四種，這四種支承體系的優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)體系比較

通過(guò)上述比較，鑒于本項(xiàng)目對(duì)橋梁景觀有特殊要求，綜合考慮多方面因素，確定本橋采用整體剛度較好的并能克服本橋型兩側(cè)索力不平衡問(wèn)題的墩、塔、梁固結(jié)體系——?jiǎng)倶?gòu)體系。

2.2 主塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主塔為該橋梁結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件，全橋結(jié)構(gòu)恒載及活載通過(guò)斜拉索傳遞給主塔，然后經(jīng)由主塔傳遞至下部基礎(chǔ)。本橋主塔線形及斷面形式的確定原則如下：

（1）主塔的整體線形及斷面尺寸應(yīng)與景觀設(shè)計(jì)提供的效果圖相近。

（2）本橋主、邊跨跨徑差距較大，在折線形的橋塔折點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)彎矩峰值。在主梁形式確定后，為保證主跨主梁的受力情況，主跨側(cè)拉索索力基本確定，塔柱受力雖然可以通過(guò)調(diào)整邊跨側(cè)拉索索力進(jìn)行調(diào)整，但考慮本橋背索設(shè)計(jì)為梁端錨固，背索索力可調(diào)幅度有限，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證在塔柱折點(diǎn)處截面具有一定的抵抗強(qiáng)度。

（3）上塔柱截面設(shè)計(jì)除滿足結(jié)構(gòu)受力的要求外，同時(shí)應(yīng)滿足斜拉索錨固的構(gòu)造要求。

綜合上述因素，確定主塔采用矩形薄壁空心截面，下塔柱根部截面尺寸為8m×4m，線性漸變至主塔匯合處，尺寸為3.5m× 3.0m，壁厚1.0m，上塔柱尺寸由3.5m×6.0m漸變至塔頂7.5m× 6.0m，壁厚1.2m，主塔線型及斷面示意如圖2所示。

圖2 主塔線型及斷面示意圖

主塔的線形直接影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分配及大小，選擇合理的線形，使結(jié)構(gòu)在恒載作用下拉索索力在塔柱與主梁相交處產(chǎn)生的彎矩與主塔傾斜在這一點(diǎn)產(chǎn)生的彎矩相等，這時(shí)主塔只承受軸力，而無(wú)彎矩及剪力作用，應(yīng)力均勻，能充分利用材料強(qiáng)度。由此可得本橋主塔的合理傾角β≈80°，而本橋景觀設(shè)計(jì)塔柱線形為主塔與主梁之間存在約77°的斜交角?？紤]到在活載作用下，塔柱受力方向與恒載作用下的方向相反，且塔柱截面較大，自身有較大承載能力，因此主塔傾角仍采用β≈77°。當(dāng)斜拉索錨固于箱梁梁體時(shí)，主梁局部構(gòu)造復(fù)雜且需要較大的箱梁梁高，當(dāng)錨固于主梁梁體之外時(shí)，梁體局部構(gòu)造復(fù)雜且換索時(shí)需搭設(shè)臨時(shí)支架，本次設(shè)計(jì)，考慮到景觀及結(jié)構(gòu)要求，將斜拉索錨固于上塔柱，為滿足上塔柱受力要求在錨固區(qū)內(nèi)設(shè)置環(huán)向預(yù)應(yīng)力加強(qiáng)構(gòu)造。

2.3 主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本橋主跨跨徑100m，邊跨主梁跨徑50m，主、邊跨主梁跨徑差距較大，為保證主梁及塔梁固結(jié)處的受力平衡，主跨側(cè)拉索索力大于邊跨側(cè)拉索索力，而折線型的索塔，在塔柱上、下折點(diǎn)處產(chǎn)生彎矩峰值，由于主、邊跨索力差別較大，塔柱折點(diǎn)處的彎矩峰值也相應(yīng)增加，由于背索設(shè)計(jì)為梁端錨固形式，為避免塔梁結(jié)合處彎矩過(guò)大及邊跨支點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)反力，背索索力不宜過(guò)大，塔柱受力示意如圖3所示。綜合考慮，要求主跨主梁的自重較小，邊跨主梁的自重應(yīng)較大，這樣方能滿足橋塔折點(diǎn)處受力要求及保證邊跨支點(diǎn)不會(huì)出現(xiàn)負(fù)反力，主跨主梁材料不同時(shí)主塔內(nèi)力的比較，如表2所示。

圖3 塔柱受力示意圖

表2 主跨主梁材料不同時(shí)主塔內(nèi)力的比較

由于橋型為獨(dú)塔雙索面斜拉橋，結(jié)構(gòu)受力對(duì)主梁的抗扭剛度要求較低，因此主跨主梁擬采用單箱雙室箱形斷面，以最大限度地減小主梁自重，邊跨主梁擬采用單箱多室斷面，以其較大的自重與主跨主梁相適應(yīng)。受橋梁跨徑布置（主、邊跨差距大）以索塔形式（折線形索塔）的制約，主跨主梁的自重應(yīng)小，邊跨主梁的自重應(yīng)較大，如此方能滿足橋塔折點(diǎn)處受力要求及保證邊跨支點(diǎn)不會(huì)出現(xiàn)負(fù)反力，因此等高段主跨主梁（長(zhǎng)79m）采用Q345qD鋼材預(yù)制箱梁，其余主梁采用C50現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土梁。

由于主跨鋼梁采用雙邊箱形式，為保證主梁剛度過(guò)渡平順，結(jié)構(gòu)傳力順暢，與之相接混凝土主梁一般仍采用雙主梁形式，其具體布置見(jiàn)圖4。但混凝土主梁設(shè)計(jì)需構(gòu)造簡(jiǎn)單和受力相對(duì)合理，考慮自重較大，采用整體箱梁較為合理，其具體布置見(jiàn)圖5。

圖4 雙邊箱混凝土主梁構(gòu)造圖

圖5 整體混凝土箱梁結(jié)構(gòu)圖

邊跨側(cè)主梁設(shè)計(jì)為單箱八室預(yù)應(yīng)力箱梁，C50混凝土，梁高2.50m，在塔根部區(qū)域加厚為4m，箱梁底寬33.5m，頂寬41.0m。頂板厚25～40cm，底板厚22～60cm，腹板厚度50～75cm，腹板內(nèi)設(shè)置縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋。主跨側(cè)主梁采用單箱雙室鋼箱梁，Q345qD鋼材，梁高2.5m，兩片箱梁通過(guò)橫梁和橋面板連接形成整體。鋼箱梁頂板鋼板厚14mm，下設(shè)U型加勁肋，底板厚16mm，腹板厚12mm，鋼混結(jié)合段及拉索錨固區(qū)鋼板均采用28mm加強(qiáng)。全橋鋼主梁共長(zhǎng)79.0m。

2.4 鋼混凝土結(jié)合段設(shè)計(jì)

結(jié)合段設(shè)計(jì)是混合梁的關(guān)鍵部位，要求設(shè)計(jì)對(duì)各種荷載產(chǎn)生的軸力、彎矩、扭矩和剪力的傳遞順暢可靠，在荷載作用下具有一定的承載安全儲(chǔ)備，剛度過(guò)渡良好，耐久性好，抗疲勞性能好，力求減小應(yīng)力集中。

本橋設(shè)計(jì)結(jié)合段為混凝土截面，其腹板與底板外包鋼板與鋼箱梁一致，形成外包鋼箱梁，為了結(jié)合段與兩端過(guò)渡均勻，在結(jié)合段端部設(shè)置了過(guò)渡段，為保證結(jié)構(gòu)過(guò)渡連續(xù)，混凝土段的縱向鋼筋伸人結(jié)合段，結(jié)合段頂板的上層縱向鋼筋與橫向鋼筋焊接。結(jié)合段內(nèi)鋼梁腹板、端橫隔板混凝土側(cè)、縱向隔板布置剪力釘，縱向隔板側(cè)設(shè)置PBL剪力鍵，底板縱向加勁肋上開(kāi)孔，鋼筋通過(guò)形成PBL剪力鍵，鋼箱梁過(guò)渡段按通高設(shè)置隔板，本方案剪應(yīng)力主要由PBL剪力鍵來(lái)傳遞，PBL剪力鍵在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有了很多工程實(shí)例。

2.5 飛燕拱肋設(shè)計(jì)

對(duì)于常規(guī)橋梁，當(dāng)邊跨重量不足時(shí)，一般采用箱內(nèi)添加配重的形式解決，但由于本橋?qū)挾冗_(dá)41m，拉索錨固間距達(dá)28.1m，采用箱內(nèi)配重時(shí)，端橫梁受力巨大，2.5m高截面無(wú)法滿足受力要求。該大橋景觀設(shè)計(jì)為曲頸高歌的天鵝，設(shè)置飛燕拱肋后不但使天鵝的形象更加豐滿，其重量也滿足了結(jié)構(gòu)配重要求，且有效改善了端橫梁結(jié)構(gòu)受力，降低了端橫梁的截面高度。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，該大橋在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)努力將橋梁結(jié)構(gòu)與建筑藝術(shù)相結(jié)合，通過(guò)本工程的設(shè)計(jì)，獲得了以下幾點(diǎn)：對(duì)于橋面較寬、梁體無(wú)索區(qū)較長(zhǎng)的獨(dú)柱折線斜塔斜拉橋，剛構(gòu)體系是較好的選擇。本工程根據(jù)主塔受力特點(diǎn)，主梁分別采用雙邊箱鋼主梁及混凝土整體箱梁，使得結(jié)構(gòu)受力合理，工程經(jīng)濟(jì)性好。創(chuàng)新型的鋼混結(jié)合段設(shè)計(jì)滿足了結(jié)構(gòu)剛度過(guò)渡及結(jié)構(gòu)有效的傳力要求。邊跨設(shè)置飛燕拱肋，豐富了大橋景觀造型，也對(duì)大橋整體結(jié)構(gòu)受力具有較大貢獻(xiàn)，是橋梁結(jié)構(gòu)與橋梁美學(xué)結(jié)合的有效嘗試。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，本橋結(jié)構(gòu)體系是安全可行的，體現(xiàn)了新穎優(yōu)美的橋梁藝術(shù)理念，拓展了斜拉橋結(jié)構(gòu)及建筑型式。

[1]楊俊寧，俞娟.淺議市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].珠江水運(yùn)，2014（12）：11～12.

[2]王運(yùn)良.關(guān)于市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)的探討[J].科技傳播，2014（02）：17～18.

[3]彭旭升.某市政橋梁結(jié)構(gòu)裂縫普查及結(jié)構(gòu)加固增強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用探討[J].中華民居，2014（04）：21～23.

U442.5

：A

：1673-0038（2015）05-0139-03

2015-1-15

羅永樂(lè)（1986-），男，碩士，主要從事橋梁設(shè)計(jì)方面的工作。