拱形鋼塔混合梁斜拉橋總體設(shè)計與計算分析

李 龍，梁長海

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司 合肥市 230088； 2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運輸行業(yè)研發(fā)中心 合肥市 230088)

1 工程概況

滁來全快速通道全椒段工程[1]，項目起點西起現(xiàn)狀椒陵大道，東至滁馬高速，全長約5.06km。襄河大橋作為本項目的控制性工程，根據(jù)通航等級為VI級航道，該橋梁跨徑總體布置為3.5m+3×30m+(102+55)m+3×40m+3×30m+3.5m，全長464.0m，主橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面：2.5m(拉索區(qū))+ 3.0m(人行道)+4.0m(非機動車道)+11m(機動車道)+1.0m(中間帶)+11m(機動車道)+4.0m(非機動車道)+3.0m(人行道)+2.5m(拉索區(qū))=42.0m。主橋跨徑布置為102m+55m拱形鋼塔混合梁斜拉橋。主橋采用塔梁墩固結(jié)體系，主梁主跨采用扁平鋼箱梁，邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱型梁，上塔柱及中塔柱采用鋼拱塔，下塔柱采用混凝土結(jié)構(gòu)，下部采用承臺及群樁基礎(chǔ)；引橋根據(jù)布跨需要，分別采用30m、40m現(xiàn)澆梁結(jié)構(gòu)。橋梁總圖布置圖如圖1所示。

圖1 橋梁總體布置圖(單位：cm)

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)道路等級：城市主干道。

(2)設(shè)計荷載：城—A級。

(3)設(shè)計車速：60km/h。

(4)車道布置：雙向六車道。

(5)通航等級：Ⅵ級航道。

(6)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：地震烈度VI度，地震加速度0.05g。

3 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 主梁結(jié)構(gòu)

主梁體系采用混合梁結(jié)構(gòu)，其中預(yù)應(yīng)力混凝土梁長度為61.35m，鋼梁總長95.65m，鋼混結(jié)合段理論分界線位于主梁主跨側(cè)距索塔9.6m處，鋼混結(jié)合段長5.5m，主梁頂面設(shè)置雙向2%的橋面橫坡，主梁頂面寬42m。橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖2所示。

(1)混凝土梁

混凝土梁采用箱型斷面，單箱六室。主梁中心處梁高3.0m，箱梁邊緣至梁底高2.58m，主梁頂面設(shè)置雙向2%的橋面橫坡，主梁頂面寬42m，底面寬31.2m，箱梁頂板厚0.28m，底板厚0.3m，斜腹板厚0.30m，直腹板厚0.5m?；炷亮荷侠鏖g距4.5m，箱梁在拉索錨固處、過渡墩處、鋼混結(jié)合段處及塔梁固結(jié)處設(shè)置橫梁，拉索錨固區(qū)橫梁厚0.30m，過渡墩處橫梁厚2m，鋼混結(jié)合段處橫梁厚1.5m及橋塔橫梁厚5m。橫梁處頂板、腹板及底板均設(shè)置倒角。

圖2 橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位：m)

(2)鋼梁

鋼箱梁橫斷面采用箱型截面，截面外輪廓尺寸與混凝土箱梁相同。橫隔板間距為3m。橋梁中心線處，主梁梁高3.0m，橋面頂板做成與橋面橫坡相一致的2%坡度，鋼箱梁頂板全寬42.0m，拉索錨固區(qū)寬度為2.5m，外設(shè)風(fēng)嘴。鋼箱梁的頂板兼做橋面承重結(jié)構(gòu)，按正交異性板設(shè)計，板厚采用16mm，頂板的加勁縱肋采用8mm鋼板壓制成的U肋，U肋頂寬300mm，高280mm，底寬170mm，閉口肋的間距為600mm。底板采用14mm，底板加勁肋采用6mm鋼板壓制成的U肋，閉口肋底寬400mm，高260mm，頂寬250mm，閉口肋的間距為800mm。箱梁頂板設(shè)小縱梁兩道，呈倒T形，梁高800mm，鋼板厚度16mm。橫梁采用整板式的橫隔板，每3m設(shè)置一道，分普通橫梁、錨索橫梁、支座處橫梁及鋼混結(jié)合段橫梁四種，錨索橫梁厚12mm，鋼混結(jié)合段橫梁厚20mm，支座處橫梁厚20mm，普通橫梁厚為10mm。

(3)鋼混結(jié)合段

該橋鋼-混結(jié)合段長5.5m，鋼-混結(jié)合段采用部分連接承壓板方式，端部設(shè)置鋼格室承壓板，其中承壓板厚度為25mm，混凝土箱梁預(yù)應(yīng)力穿過承壓板直接錨固于承壓板上。承壓板背面與混凝土連接采用圓頭焊釘以及開孔鋼板連接件進行連接[2-4]，保證了鋼-混結(jié)合段力的可靠擴散和傳遞。

3.2 橋塔及基礎(chǔ)

主塔采用順橋向斜置的拱形塔，拱塔軸線在順橋向與鉛垂面的夾角為10°。上塔柱采用鋼箱結(jié)構(gòu)，下塔柱采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。下塔柱至鋼混結(jié)合段頂面高(自承臺頂面算起)19.0m，上塔柱高52.5m，整個拱塔垂直高度為71.5m。在拱塔軸線的平面內(nèi)，拱塔的內(nèi)外邊緣為橢圓形。上塔柱采用全鋼結(jié)構(gòu)，箱形斷面，順橋向鋼板壁厚30mm，橫橋向鋼板壁厚36mm，橫隔板壁厚16mm(拉索區(qū)橫隔板厚30mm)，加勁肋采用豎肋，壁厚由24mm變化至16mm，上塔柱順橋向?qū)挾扔?m直線漸變至7.4m，橫橋向由3.2m按橢圓曲線過渡至3.995m； 下塔柱采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，塔柱截面均為矩形，下端截面尺寸為6.0m×8.63m。下塔柱與塔柱鋼混結(jié)合段之間采用承壓板+預(yù)應(yīng)力方式連接，承壓板厚50mm，預(yù)應(yīng)力鋼束采用抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1860MPa，公稱直徑d=15.2mm的低松弛高強度鋼絞線，豎向預(yù)應(yīng)力通過承壓墊板和加勁肋傳遞到鋼塔壁上。主塔采用承臺接群樁基礎(chǔ)，承臺橫橋向采用啞鈴型結(jié)構(gòu)，承臺長×寬=13.5m×18.5m，高4.5m，承臺下設(shè)置24根直徑2.0m鉆孔灌注樁，樁基按端承樁設(shè)計；承臺采用C40混凝土，封底混凝土采用水下C25混凝土，鉆孔樁采用C30水下混凝土。

3.3 斜拉索及錨固系統(tǒng)

斜拉索采用空間雙索面扇形布置，兩索面布置在人行道的外側(cè)，拉索在鋼箱梁上間距為9.0m，混凝土側(cè)間距采用4.5m，塔上間距為2.5m。拉索型號為15.2-37及15.2-55。斜拉索采用無粘結(jié)鋼絞線成品索，錨具為夾片錨。拉索在鋼塔上均采用錨箱進行錨固；在鋼梁上均采用錨拉板進行錨固；混凝土梁上采用齒塊進行錨固。

3.4 過渡墩及基礎(chǔ)

過渡墩采用分離式橋墩，墩頂設(shè)“L”型蓋梁，順橋向?qū)?.8m；過渡墩下為承臺接群樁基礎(chǔ)，承臺長×寬=11.8m×6.6m，承臺下為6根1.6m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，按端承樁設(shè)計。

4 橋梁總體施工方案

綜合考慮橋梁規(guī)模、現(xiàn)場地形地貌及水文條件，本橋采用少支架法[5-6]進行施工。首先打設(shè)鋼護筒及鋼板樁圍堰進行主塔基礎(chǔ)、過渡墩基礎(chǔ)施工，待基礎(chǔ)施工完成后進行下塔柱及過渡墩施工，同時進行鋼箱梁、鋼塔加工；其次搭設(shè)鋼管貝雷組合支架進行鋼箱梁現(xiàn)場安裝，同時現(xiàn)場澆筑小邊跨混凝土梁段，利用橋面進行支架搭設(shè)安裝鋼塔；最后張拉斜拉索，調(diào)整索力直至合理狀態(tài)，最后進行橋面系及附屬設(shè)施施工，成橋。

5 結(jié)構(gòu)計算

5.1 計算荷載及模型

本橋總體計算采用有限元軟件MIDAS/Civil進行計算，局部計算采用ANSYS進行計算。總體計算荷載包括恒載、機動車及非機動車活載、人群荷載、整體升降溫、溫度梯度荷載、風(fēng)荷載、基礎(chǔ)變位、收縮徐變，相關(guān)荷載取值標(biāo)準(zhǔn)均按規(guī)范進行設(shè)置，計算結(jié)果按最不利效應(yīng)進行組合。總體計算鋼梁、混凝土梁、鋼塔、基礎(chǔ)等均采用梁單元進行模擬，斜拉索采用桁架單元進行模擬；局部計算混凝土采用實體單元進行模擬，鋼梁采用板單元進行模擬。計算模型如圖3、圖4所示。

圖3 總體計算模型

圖4 局部計算模型

5.2 靜力計算結(jié)果

(1)總體靜力計算結(jié)果表明，正常使用極限狀態(tài)短期組合下，混凝土主梁全截面受壓，其中上緣最大壓應(yīng)力為13.48MPa、最小壓應(yīng)力為1.47MPa；下緣最大壓應(yīng)力為13.89MPa、最小壓應(yīng)力為4.80MPa。正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合下，鋼主梁上緣最大應(yīng)力為-64.76MPa、下緣最大應(yīng)力為52.98MPa，均小于鋼箱梁容許應(yīng)力設(shè)計值。正常使用極限狀態(tài)短期組合下，混凝土橋塔基本處于全壓狀態(tài)壓應(yīng)力為-0.31～-14.18MPa。正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合下，鋼塔應(yīng)力為19.77～-67.86 MPa。均小于鋼箱梁容許應(yīng)力設(shè)計值?；钶d作用下，混凝土主梁最大位移差為15mm，鋼主梁最大位移差為72mm，均能滿足規(guī)范要求。

(2)局部計算表明：鋼混結(jié)合段橫梁頂板橫向均處于受壓狀態(tài)，最小壓應(yīng)力儲備為0.8MPa，底板應(yīng)力在順橋向呈現(xiàn)出由混凝土段至鋼結(jié)構(gòu)部分逐漸增大的趨勢，靠近鋼結(jié)構(gòu)部分區(qū)域存在一定的拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力達(dá)1.13MPa<1.83MPa，滿足規(guī)范要求。鋼混結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)部分最大應(yīng)力為333MPa，位于對稱約束部分，除此之外應(yīng)力水平相對不高。頂板及U肋部分應(yīng)力水平約在100MPa左右，頂板及U肋加勁部分應(yīng)力水平約在90～100MPa左右，T型加勁部分應(yīng)力水平約在50MPa左右，格構(gòu)及其加勁部分應(yīng)力水平相對較低，均在50MPa以下。

5.3 動力特性穩(wěn)定性計算結(jié)果

該橋前5階動力特性分析結(jié)果及考慮活載作用運營狀態(tài)下彈性穩(wěn)定系數(shù)見表1，由表1可知，主橋第一階自振頻率為0.965，振型為主塔一階扭轉(zhuǎn)，且該橋前三階陣型均為主橋的空間扭轉(zhuǎn)、縱彎、橫彎，這與本橋采用鋼制寬型拱塔結(jié)構(gòu)吻合，結(jié)構(gòu)抗震性能需求明顯，需進行專項的抗震設(shè)計計算。主橋的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)為12.5，大于規(guī)范規(guī)定數(shù)值4，滿足要求。

表1 前5階動力特性及穩(wěn)定系數(shù)

5.4 抗震計算結(jié)果

本橋抗震計算考慮相鄰引橋聯(lián)合作用及樁-土效應(yīng)[7-8]，采用SAP2000有限元軟件建立主橋抗震分析精細(xì)化模型，經(jīng)計算：該橋在E1地震荷載作用下，過渡墩及主塔基礎(chǔ)均處于彈性階段；E2地震荷載作用下，過渡墩及主塔關(guān)鍵截面抗彎性能均滿足預(yù)期性能目標(biāo)要求；同時在E1及E2地震荷載作用下，支座剪力及過渡墩處支座水平位移均能滿足預(yù)期性能目標(biāo)要求。

6 結(jié)束語

襄河大橋主橋采用(102+55)m的拱形鋼塔混合梁斜拉橋，索塔采用拱形結(jié)構(gòu)，造型新穎、簡潔、美觀，鋼塔鋼混結(jié)合段、流線型鋼箱梁結(jié)合段的雙結(jié)合段設(shè)計使得該橋具有一定的創(chuàng)新性。詳細(xì)介紹了該橋主梁、主塔、基礎(chǔ)、斜拉索、錨固系統(tǒng)及施工方案，通過相關(guān)結(jié)構(gòu)整體計算、局部計算、抗震計算表明，該橋結(jié)構(gòu)受力合理，構(gòu)造明確。該橋構(gòu)思巧妙、構(gòu)造新穎獨特，設(shè)計處理方式可以為同類相關(guān)橋梁提供設(shè)計參考。