聯(lián)塔分幅混凝土獨(dú)塔斜拉橋設(shè)計(jì)

李邦映， 胡小康

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司；公路交通節(jié)能與環(huán)保技術(shù)及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，公路的交通量不斷上漲，車道數(shù)逐漸增加，道路功能也不斷完善，特別是城市周邊或市政橋梁，考慮非機(jī)動(dòng)車道和人行道后，橋面寬度能夠達(dá)到40～50 m，超寬橋梁不斷涌現(xiàn)。如采用常見(jiàn)的整幅式橋梁，則會(huì)帶來(lái)空間效應(yīng)突出、內(nèi)力狀態(tài)復(fù)雜、裂縫難以控制等問(wèn)題，因此一般采用平行設(shè)置、完全獨(dú)立的雙幅橋梁。對(duì)于斜拉橋來(lái)說(shuō)，采用聯(lián)塔分幅方案比較少見(jiàn)[1-4]。

該文以G237 蒙城繞城段一級(jí)公路改建工程渦河特大橋?yàn)槔?，詳述該橋橋型方案和?gòu)造的確定，供類似工程參考。

1 工程概況

G237 蒙城繞城段一級(jí)公路改建工程利用蒙城縣規(guī)劃東外環(huán)線位，城鎮(zhèn)交通將十分繁忙，同時(shí)也是蒙城縣重要的對(duì)外交通通道，將吸引大量的過(guò)境交通。

渦河特大橋位于該項(xiàng)目與渦河的交匯點(diǎn)，如圖1所示。渦河現(xiàn)為Ⅳ級(jí)航道，航道繁忙，周邊總體地勢(shì)平坦，自然環(huán)境良好，現(xiàn)狀以農(nóng)田和工業(yè)用地為主。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪和鉆孔揭露情況，橋位區(qū)地層主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉土及粉砂，未揭露到基巖。

圖1 橋位平面圖

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)道路等級(jí)：一級(jí)公路兼具城市道路功能。

(2)設(shè)計(jì)車速：60 km/h。

(3)汽車荷載：公路-I級(jí)[5];人群荷載：2.5 kN/m2。

(4)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年。

(5)通航等級(jí)：天然和渠化河道Ⅳ級(jí)，通航凈高不小于8 m，最高通航水位26.13 m，最低通航水位16.34 m。

(6)橋面寬度：2×23.75 m。

3 總體設(shè)計(jì)

3.1 橋跨布置與橋型方案選擇

該橋跨越Ⅳ級(jí)航道，通航凈寬不小于90 m，由于受道路線位限制，橋位處于航道彎曲段，航道半徑為330 m，路線法線與航道交角為17°，考慮彎道和橫向流速加寬、橋墩防撞設(shè)施和紊流影響以及橋墩礙航寬度后，通航孔跨徑不小于163.5 m，主跨跨徑取整采用165 m是滿足通航安全要求的。

由于該橋位于城市外環(huán)，跨越渦河濱水風(fēng)光帶，景觀要求較高，通過(guò)對(duì)適用的部分斜拉橋、系桿拱橋、自錨式懸索橋、雙塔三跨斜拉橋和獨(dú)塔不對(duì)稱斜拉橋進(jìn)行方案比選，并結(jié)合地方意見(jiàn)，最終選擇景觀效果突出而又造價(jià)經(jīng)濟(jì)、養(yǎng)護(hù)較易的混凝土獨(dú)塔不對(duì)稱斜拉橋。

由于邊跨位于基本無(wú)水的河道漫灘，施工方便，為滿足混凝土斜拉橋平衡受力需求和經(jīng)濟(jì)性要求，結(jié)合跨堤引橋跨徑布置，邊跨采用123 m的較小跨徑，邊中跨比為0.745，為了提高整體剛度，在邊跨設(shè)置了一座輔助墩。

綜上所述，斜拉橋跨徑組合為(165+83+40)m，采用混凝土獨(dú)塔不對(duì)稱方案，如圖2所示。為平衡邊中跨水平力，采用塔梁固結(jié)體系。

圖2 橋型布置圖(單位：m)

3.2 主梁

標(biāo)準(zhǔn)橋面寬度為2×23.75 m，考慮兩側(cè)拉索錨固區(qū)寬度后橋梁寬度超過(guò)50 m，如采用整幅式斷面，因梁高受橫向控制，將導(dǎo)致主梁混凝土方量大幅增加，基礎(chǔ)、塔、梁、斜拉索工程量增加，施工困難、施工措施費(fèi)用提高，從而導(dǎo)致工程造價(jià)顯著提高；主梁空間效應(yīng)明顯[1]，不利于拉索軸力全截面擴(kuò)散，也會(huì)引起局部應(yīng)力集中，不利于結(jié)構(gòu)受力；橫向受力復(fù)雜，收縮、徐變引起的混凝土裂縫難以控制[3]，因此，主梁推薦采用分幅式斷面，如圖3所示。

圖3 主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位：cm)

單幅主梁全寬26.35 m，主梁中心處梁高2.6 m，橋面2%橫坡通過(guò)主梁整體旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)；標(biāo)準(zhǔn)段采用剛度較大、預(yù)應(yīng)力容易布設(shè)的雙邊箱梁斷面，主梁頂板厚0.3 m，底板厚0.35 m，斜腹板厚0.3 m，直腹板厚0.4 m；邊跨現(xiàn)澆段由于配重需要采用單箱四室斷面，底板厚度0.6 cm。主梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)8 m，每8 m設(shè)置一道橫梁，橫梁箱室內(nèi)厚0.5 m，箱室外厚0.4 m，橫梁底部采用馬蹄型斷面；邊跨現(xiàn)澆段橫梁間距為6 m和3.4 m，橫梁厚0.5 m。主梁采用C55混凝土。

3.3 主塔

對(duì)應(yīng)主梁分幅，如果主塔左、右幅完全獨(dú)立設(shè)置，將會(huì)導(dǎo)致工程量增大、占地增多、造價(jià)提升等問(wèn)題，景觀效果也較差，由于處于航道彎曲段，礙航寬度會(huì)進(jìn)一步加大，影響通航安全性，因此，主塔推薦采用聯(lián)體方案。

主塔采用簡(jiǎn)潔古樸的三柱式聯(lián)體寶鼎形塔,如圖4所示。塔柱豎直，塔柱總高98.824 m，中塔肢下塔柱高21.324 m，上塔柱高77.5 m；邊塔肢下塔柱高20.824 m，上塔柱高78 m，塔柱采用矩形截面。順橋向，上塔柱寬6.5 m，中塔肢壁厚1 m，邊塔肢壁厚0.7m；下塔柱寬由6.5 m直線變化至塔底8 m，為降低對(duì)水流的影響，倒角由半徑0.3 m變化為2 m，中塔肢壁厚1.2 m，邊塔肢壁厚0.9 m，塔底設(shè)置3 m厚實(shí)心段。橫橋向，中塔肢上塔柱寬6 m，邊塔肢上塔柱寬5 m，壁厚均為1.2 m；中塔肢下塔柱寬由6 m直線變化至塔底8 m，邊塔肢下塔柱寬由5 m直線變化至塔底7 m，壁厚均為1.3 m。塔肢之間設(shè)置上橫梁和下橫梁，橫梁采用單箱單室斷面，塔頂設(shè)置4.6 m高塔冠。

圖4 主塔立面圖(單位：cm)

每根塔肢下均設(shè)置矩形承臺(tái)，承臺(tái)高6 m，中塔肢承臺(tái)橫、順橋向?qū)捑鶠?2.95 m，邊塔肢承臺(tái)橫、順橋向?qū)挿謩e為16.7 m和22.95 m，承臺(tái)之間通過(guò)系梁連接形成整體，全橋共設(shè)置42根直徑2.5 m的鉆孔灌注樁。

塔柱采用C50混凝土，承臺(tái)采用C35混凝土，樁基采用C30水下混凝土。

3.4 斜拉索

相比于平行鋼絲斜拉索，鋼絞線斜拉索具有運(yùn)輸和安裝方便、造價(jià)較低、耐久性較好、后期能夠單根換索、養(yǎng)護(hù)難度較低等優(yōu)點(diǎn)[6]，因此針對(duì)該橋推薦采用鋼絞線斜拉索。

斜拉索采用四索面扇形布置，單幅主梁斜拉索邊、中跨側(cè)各19對(duì)，全橋共76對(duì)，拉索型號(hào)有34、37、43、55、61、73六種，梁上標(biāo)準(zhǔn)間距為8 m，塔上標(biāo)準(zhǔn)間距為2 m，均采用齒塊方式錨固。斜拉索采用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860 MPa、公稱直徑15.2 mm的單絲涂覆環(huán)氧涂層鋼絞線。斜拉索表面采用抗風(fēng)雨振措施，拉索外護(hù)套采用雙螺旋線型HDPE圓管外護(hù)套。根據(jù)斜拉索自振頻率，M3～M19、S3～S19拉索在主梁處設(shè)置減振阻尼。

3.5 輔助墩、過(guò)渡墩

輔助墩和過(guò)渡墩均采用雙柱式橋墩，墩身為矩形截面，橫橋向墩柱頂寬2.7 m、墩柱凈距7.3 m，墩柱底寬2.2 m、墩柱凈距5.6 m，通過(guò)墩頂6.15 m高度范圍進(jìn)行變化；順橋向輔助墩墩柱寬3 m，過(guò)渡墩由于支座安裝需要，墩柱頂寬4 m、底寬3 m，通過(guò)墩頂4 m高度范圍進(jìn)行變化。為降低對(duì)水流的影響，墩身設(shè)置半徑0.6 m的圓弧倒角。距墩頂0.5 m設(shè)置一道系梁。墩底設(shè)置啞鈴型承臺(tái)，下設(shè)4根直徑2 m的鉆孔灌注樁。

墩身采用C40混凝土，承臺(tái)采用C30混凝土，樁基采用C30水下混凝土。

4 結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

4.1 總體分析模型

由于結(jié)構(gòu)受力不對(duì)稱，斜拉橋總體分析需要建立空間模型，如圖5所示。主梁和主塔采用梁?jiǎn)卧?，斜拉索采用桁架單元，斜拉索通過(guò)剛性連接與塔、梁進(jìn)行固定。該橋采用先塔后梁、主梁掛籃懸澆的常規(guī)施工方案，計(jì)算模擬了整個(gè)施工流程，根據(jù)施工過(guò)程施加對(duì)應(yīng)邊界條件，并按照m法考慮樁-土作用[7]。

圖5 總體計(jì)算模型

除了恒載、汽車和人群荷載以及收縮徐變外，模型中還考慮了以下主要作用[1,8]：

(1)均勻溫度：合龍溫度取20℃，體系升溫14℃，體系降溫-23℃；

(2)主梁豎向梯度溫度：主梁上、下緣溫差采用非線性梯度溫度14℃、5.5℃、0℃，反溫差取正溫差的-0.5；

(3)斜拉索與塔、梁間溫差：±10℃；

(4)主塔梯度溫度：考慮塔柱正溫差5℃，負(fù)溫差-5℃影響；

(5)基礎(chǔ)變位：輔助墩、過(guò)渡墩基礎(chǔ)沉降0.005 m，主塔基礎(chǔ)沉降0.015 m。

(6)風(fēng)荷載：按照《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T D60-01-2004)進(jìn)行取值。

4.2 主要分析結(jié)果

(1)主梁。正常使用極限狀態(tài)頻遇組合下，主梁上、下緣正截面壓應(yīng)力最小值均為1.3 MPa，主梁正截面抗裂滿足全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件要求；使用階段主梁上、下緣正截面壓應(yīng)力最大值分別為15.4 MPa和16.5 MPa，混凝土正截面壓應(yīng)力均不超過(guò)C55混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的0.5倍即17.7 MPa[9]。

主梁在車道荷載(不計(jì)沖擊力)作用下的最大豎向撓度為0.073 m，小于主跨的1/500即0.33 m[8]，主梁剛度是足夠的。

由于采用分幅結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)非對(duì)稱帶來(lái)的恒載不平衡造成主梁橫橋向最大水平位移僅為2.9 mm，對(duì)主梁的受力影響可以忽略不計(jì)；汽車荷載下主梁橫橋向最大水平位移達(dá)到12.8 mm，但由于汽車荷載下的主梁應(yīng)力水平比較低，對(duì)主梁受力影響很小。因此，結(jié)構(gòu)分幅對(duì)主梁受力影響比較小。

(2)主塔。內(nèi)側(cè)斜拉索錨固在中塔肢，外側(cè)斜拉索分別錨固在兩側(cè)邊塔肢上，中塔肢受力要顯著大于邊塔肢，但基于美觀考慮，邊、中塔肢外觀尺寸上比較接近，通過(guò)壁厚調(diào)整，邊、中塔肢應(yīng)力水平控制在同一水平上，但仍具有一定差異；在活載作用下邊、中塔肢順橋向位移基本保持一致，兩者相差僅為0.2 mm。因此，聯(lián)塔分幅對(duì)主塔受力影響較大，應(yīng)通過(guò)塔柱構(gòu)造優(yōu)化予以改善。

(3)斜拉索。運(yùn)營(yíng)階段外側(cè)斜拉索最大拉應(yīng)力為732 MPa，內(nèi)側(cè)斜拉索最大拉應(yīng)力為721 MPa，安全系數(shù)均超過(guò)2.5[8]。恒載不平衡造成內(nèi)、外側(cè)斜拉索索力差值達(dá)到14 MPa，距離索塔越遠(yuǎn)，索力差值越小，斜拉索選型、下料及導(dǎo)管設(shè)計(jì)與預(yù)埋時(shí)應(yīng)注意。

(4)整體穩(wěn)定性。第一類穩(wěn)定安全系數(shù)為25.7，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性滿足要求[8]。

5 結(jié)束語(yǔ)

渦河特大橋由于超寬的橋面而采用聯(lián)塔分幅結(jié)構(gòu)，主梁采用分幅式雙邊箱梁，主塔采用簡(jiǎn)潔古樸的三柱式聯(lián)體寶鼎形塔，與常規(guī)斜拉橋相比，具有以下特點(diǎn)：

(1)受力合理，造價(jià)更優(yōu)。相比整幅結(jié)構(gòu)，聯(lián)塔分幅結(jié)構(gòu)主梁梁高降低，斜拉索避免采用更大型號(hào)，空間效應(yīng)顯著改善，利于結(jié)構(gòu)受力；相比平行分離結(jié)構(gòu)，本結(jié)構(gòu)避免多設(shè)置一根塔肢，既降低了工程造價(jià)，又有利于節(jié)約用地。

(2)對(duì)結(jié)構(gòu)分析和構(gòu)造設(shè)計(jì)要求更高。聯(lián)塔分幅結(jié)構(gòu)帶來(lái)的結(jié)構(gòu)和荷載不對(duì)稱，對(duì)主梁影響可以忽略，但對(duì)主塔和斜拉索影響較大，主塔構(gòu)造獨(dú)特，空間效應(yīng)明顯，需要建立空間模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，并加強(qiáng)構(gòu)造設(shè)計(jì)。