矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

韓 鋒

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，山西 太原 030032）

1988年法國工程師Jacques Mathivat提出了矮塔斜拉橋橋型，并隨后在橋梁界得到推廣。歷經(jīng)多年，矮塔斜拉橋在橋梁跨度、橋?qū)捈敖Y(jié)構(gòu)形式、主梁材料等均朝著多元化發(fā)展。該橋型特點較明顯，塔矮、梁剛、索集中，屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，其力學(xué)行為取決于梁、塔、索的剛度[1]。當橋梁跨越“U”型溝谷，溝內(nèi)不允許設(shè)置橋墩，結(jié)合地形地質(zhì)等條件，橋梁形式可優(yōu)先選擇“T”型結(jié)構(gòu)。本文以太和矮塔斜拉橋為例，對該類橋型設(shè)計要點進行簡要介紹[2]。

1 工程概況

1.1 依托工程簡介

堯山森林公園位于山西省臨汾市浮山縣城東隅，是浮山縣人民政府在堯廟遺址基礎(chǔ)上整合周邊旅游資源開發(fā)的一處大型景區(qū)。項目路線起點為承天門，途經(jīng)承天門廣場、太和橋、石階步道至環(huán)形游步道出入口廣場，路線全長333.271 m。太和橋位于景區(qū)西側(cè)，經(jīng)承天門廣場與浮山縣城堯山路構(gòu)成景區(qū)出入口，橋梁長171.6 m。橋梁采用單塔柱兩跨矮塔斜拉橋形式，僅在墩頂負彎矩區(qū)段設(shè)置變截面，其余截面均采用等梁高形式。

圖1 項目地理位置圖

1.2 技術(shù)標準

a）設(shè)計荷載 人群3.5 kN/m2；

b）標準寬度 橋面凈-4 m；

c）地震設(shè)防烈度 Ⅷ度，基本地震動峰值加速度0.2g，特征周期0.35 s；

d）設(shè)計風速 27.7 m/s。

1.3 建設(shè)條件

人行橋為跨越一大型黃土沖溝而設(shè)。沖溝深度約50 m，寬度約150 m，兩側(cè)溝壁陡峭，溝底較平坦，總體呈“U”形峽谷狀。橋址屬于黃土沖溝地貌，地層地質(zhì)以Q2粉質(zhì)黏土為主。橋址位于臨汾地區(qū)，新構(gòu)造運動強烈，歷史上曾多次發(fā)生大地震，未來也是地震危險區(qū)。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015），橋址地震基本烈度為Ⅷ度，地震動峰值加速度0.2g。

2 橋型選擇

本著服務(wù)于森林公園，執(zhí)行“安全、適用、經(jīng)濟、美觀”的基本設(shè)計原則，并注重橋梁與環(huán)境的協(xié)調(diào)、與堯帝文化主題的協(xié)調(diào)，橋梁造型宜古樸、大方。根據(jù)建設(shè)條件和所處環(huán)境背景，設(shè)計思路有以下幾點：

a）橋址地質(zhì)條件較差，尤其沖溝兩岸存在較厚的濕陷性黃土層，不適宜修建拱橋等單孔跨越?jīng)_溝、對兩岸地質(zhì)條件要求較高的橋型。

b）橋梁跨越的沖溝深達50 m，架設(shè)難度大，橋梁方案需結(jié)合施工方案綜合考慮，減少施工投入。

c）橋址西側(cè)承天門已建成，其距離橋址較近，考慮橋型方案、施工方案需對其避讓。

d）盡量不采用鋼結(jié)構(gòu)等現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)物，避免破壞景區(qū)復(fù)古風格。

e）橋面以上建筑，如索塔，不宜高過承天門，否則破壞周圍整體環(huán)境的協(xié)調(diào)性。

基于上述思路，對柔性懸索橋、預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)橋、預(yù)應(yīng)力混凝土獨塔斜拉橋等方案進行研究論證后，綜合結(jié)構(gòu)安全、景觀造型、施工難度、工程造價、后期維護等因素，推薦采用預(yù)應(yīng)力混凝土獨塔部分（矮塔）斜拉橋，主跨為2×85 m。

圖2 推薦方案橋跨布置（單位：cm）

該方案采用兩孔跨越?jīng)_溝，主要施工工點位于溝底，上部主梁采用對稱懸臂現(xiàn)澆施工。利用斜拉橋索塔和拉索造型是本方案特色，索塔仿若古代牌樓，拉索猶如古琴弦，索塔高度盡量降低，以使牌樓造型高、寬比例協(xié)調(diào)，同時不超過仿古城樓高度，消除高索塔帶來的突兀感。工程造價估算831.99萬元。

推薦的預(yù)應(yīng)力混凝土獨塔部分（矮塔）斜拉橋橋型以主梁為主要受力構(gòu)件，少量拉索起到輔助作用，施工、養(yǎng)護難度較普通斜拉橋簡單、方便；該橋型利用拉索仿古琴弦，用索塔仿古牌樓，把結(jié)構(gòu)受力和造型風格相統(tǒng)一，具有較強的景觀效果；采用對稱懸臂澆筑施工，適應(yīng)深谷地形條件，施工工藝成熟、工點集中；該橋型獨墩兩跨，主要持力基礎(chǔ)位于溝底，基礎(chǔ)承載力、穩(wěn)定性優(yōu)于在溝底、溝壁設(shè)基礎(chǔ)的單跨或三跨及以上的橋梁方案。

圖3 推薦方案效果圖

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 主梁

主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，單箱單室截面，全寬5.7 m。主梁標準梁高3.5 m，中間支點局部變高至6 m，變高段長23 m（一側(cè)），梁高按1.8次拋物線變化。主梁采用斜腹板，同時底板等寬度設(shè)計，因此主梁變高段腹板上段等厚度，下段變厚度。該構(gòu)造設(shè)計具有以下優(yōu)點[3]：

a）在主梁立面增加一條平直腰線，使主梁具有纖細的視覺引導(dǎo)效果，提升主梁美感。

b）增加腹板面外穩(wěn)定性，使腹板厚度不受穩(wěn)定性控制設(shè)計，提升結(jié)構(gòu)效率。

c）主梁構(gòu)造綜合了直腹板箱梁和斜腹板箱梁的特征，可施工性較強。

3.2 主塔

索塔采用門形框架式結(jié)構(gòu)，塔肢為實心矩形截面，橫橋向尺寸為1 m，縱橋向尺寸由底部3.5 m按3次拋物線漸變至頂部5 m。索塔總高度17 m，塔柱兩肢間距4 m，通過橫梁連接，單肢橫橋向?qū)?.2 m。

圖4 主梁典型斷面（單位：cm）

圖5 主塔構(gòu)造（單位：cm）

3.3 斜拉索

斜拉索采用250型-19環(huán)氧噴涂鋼絞線對稱布置于腹板內(nèi)側(cè)。塔上錨固方式采用貫通錨，索鞍采用分絲管結(jié)構(gòu)。梁上索間距12 m，塔上索間距2.5 m，全橋共計5對拉索。

3.4 主墩與基礎(chǔ)

橋墩總高38 m，采用單箱單室箱型截面。截面橫橋向尺寸6 m，沿墩高不變；縱橋向尺寸在上部28 m范圍內(nèi)為4 m，在下部10 m范圍內(nèi)由4 m線性變化為5 m。等截面段壁厚0.5 m，變截面段壁厚尺寸按照內(nèi)輪廓不變的原則變化。橋墩承臺采用正八邊形，厚度4 m。橋墩基礎(chǔ)采用12根D150鉆孔灌注群樁基礎(chǔ)，樁長58 m。

4 主橋結(jié)構(gòu)計算

本橋采用墩頂設(shè)置隔震支座的墩梁分離體系，全橋共20根斜拉索。根據(jù)結(jié)構(gòu)布置和結(jié)構(gòu)尺寸，取全橋結(jié)構(gòu)進行分析。結(jié)構(gòu)總體靜力計算分析采用空間計算軟件midas進行分析，主梁共劃分116節(jié)點，101單元。

圖6 結(jié)構(gòu)計算圖示

4.1 結(jié)構(gòu)體系分析

按主梁與墩的約束關(guān)系，本橋結(jié)構(gòu)體系可選擇墩梁固結(jié)或墩梁分離（設(shè)支座）。主橋為獨墩對稱結(jié)構(gòu)，靜力荷載作用下上述兩種結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)性能相近，但抗震性能具有較大差異。墩梁固結(jié)時，結(jié)構(gòu)剛度大，上部結(jié)構(gòu)慣性力大且全部傳遞給橋墩；墩梁間設(shè)抗震型固定支座時，結(jié)構(gòu)剛度略有降低，但上部結(jié)構(gòu)慣性力仍全部傳遞給橋墩，兩種約束方式均使橋墩地震力巨大，使下部結(jié)構(gòu)工程規(guī)模急劇增加。

為減低工程規(guī)模，本橋采用減隔震設(shè)計，主要設(shè)計思路是通過墩頂設(shè)隔震支座，減少上部結(jié)構(gòu)慣性力輸入橋墩；通過橋臺設(shè)黏滯阻尼器，限制墩頂隔震引發(fā)的梁端縱向大位移，同時消耗地震能量。小震作用下，墩頂隔震支座為固定支座；大震作用下，墩頂隔震支座限位裝置破壞，變?yōu)殡p向活動支座[4]。

表1 不同結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)動力特性對比

表2 不同結(jié)構(gòu)體系地震反應(yīng)對比

綜上分析，由于獨墩完全由地震力控制設(shè)計，為取得最大的結(jié)構(gòu)效率，降低工程規(guī)模，本橋結(jié)構(gòu)體系采用墩頂設(shè)隔震支座的墩梁分離體系。

4.2 減隔震系統(tǒng)

本橋在墩頂設(shè)隔震固定型盆式支座，設(shè)計目標為小震情況下保持固定，大震情況下變?yōu)殡p向活動支座。

表3 隔震支座主要技術(shù)指標

表4 不同阻尼器參數(shù)地震反應(yīng)

本橋兩端橋臺與主梁之間設(shè)縱向黏滯阻尼器共4套。黏滯阻尼器在緩慢加載的靜載作用下，如溫度變化、混凝土梁收縮徐變，可自由變形；在地震荷載作用下，黏滯阻尼器產(chǎn)生阻尼力，阻尼力的大小與阻尼器兩端相對速度相關(guān)，符合關(guān)系式：F=CVa，C為阻尼系數(shù)，a為速度指數(shù)。

通過不同阻尼器參數(shù)的地震反應(yīng)分析可知，由于墩頂已設(shè)隔震支座，阻尼器對控制橋墩內(nèi)力作用較小，但對控制上部結(jié)構(gòu)位移有較大作用。阻尼系數(shù)越大，速度指數(shù)越高，位移越小，但阻尼力也相應(yīng)變大，而這部分阻尼力將傳遞給橋臺，對橋臺受力不利。本橋選取C=200 kN·s/m，a=1的線性阻尼器，阻尼力較小，成本較低，且線性阻尼器制造難度低，可靠性好[5]。

4.3 上部結(jié)構(gòu)靜力計算

上部主梁采用A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計，計算結(jié)果如表5。

表5 上部結(jié)構(gòu)主要計算成果表 MPa

拉索應(yīng)力按《公路斜拉橋設(shè)計細則》（JTG/T D65-01—2007）4.3.3條進行驗算，拉索容許應(yīng)力采用0.6fpk，拉索容許拉力2 947 kN，設(shè)計最大拉力2 526 kN，滿足規(guī)范要求。即將出版的《公路斜拉橋設(shè)計規(guī)范》（JTG-T3365-01—2020）中對斜拉索采用容許應(yīng)力法計算進行了修訂，要求拉索進行承載力計算。在恒活載比例為0.9/0.1～0.7/0.3時，換算后安全系數(shù)約為2.48～2.56，與原細則的安全水平基本相當。且矮塔斜拉橋以梁受力為主，拉索貢獻相對較小，應(yīng)力幅也小。

4.4 下部結(jié)構(gòu)抗震計算

本橋下部結(jié)構(gòu)由抗震控制設(shè)計。根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細則》（JTG/T B02-01—2008），本橋按C類橋梁進行抗震設(shè)計。由于采用了減隔震設(shè)計，將規(guī)范基于延性設(shè)計，E2地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)可發(fā)生損傷的抗震設(shè)防目標提高至E2作用下橋梁結(jié)構(gòu)基本不損傷。

抗震計算分析采用midas civil軟件進行非線性動力時程分析，建立模擬黏滯阻尼器、隔震盆式支座、抗震盆式支座非線性模型，采用與規(guī)范反應(yīng)譜兼容的3條人工地震波輸入（分別縱、橫橋向），并利用m法考慮樁土相互作用，土彈簧采用6自由度彈簧模擬。

表6 下部結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計主要計算成果表

5 結(jié)論

a）結(jié)合實際地形條件，采用預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋跨越U形溝谷，主要施工工點位于溝底，有效降低工程施工風險；利用索塔和斜拉索增添景區(qū)造型美；橋梁受力性能好，結(jié)構(gòu)剛度大。隨著工程建設(shè)需求的多元化發(fā)展，受地形、跨度、凈空等因素制約，該橋型具有較大競爭優(yōu)勢。

b）相比傳統(tǒng)連續(xù)剛構(gòu)橋型及矮塔斜拉橋，充分發(fā)揮斜拉索的作用，可將混凝土矮塔斜拉橋等梁高直線段適當加長，梁高變化僅在墩頂負彎矩附近，對改善結(jié)構(gòu)受力及配筋有利，同時同套模板重復(fù)，方便懸臂節(jié)段施工[6]。

c）對于受地震力控制設(shè)計的同類橋型而言，為取得最大的結(jié)構(gòu)效率，降低工程規(guī)模，結(jié)構(gòu)體系采用墩頂設(shè)隔震支座的墩梁分離體系是不錯的選擇。

d）由于墩頂設(shè)隔震支座的存在，阻尼器對控制橋墩內(nèi)力作用較小，對控制上部結(jié)構(gòu)位移有較大作用。阻尼系數(shù)越大，速度指數(shù)越高，位移越小，但阻尼力也相應(yīng)變大。選擇阻尼力較小的阻尼器成本較低，線性阻尼器制造難度低，可靠性較好。