某非對(duì)稱獨(dú)塔斜拉橋總體設(shè)計(jì)

何成煥,肖 杰，楊立坡

(1.東莞濱海灣新區(qū)管理委員會(huì)，廣東 東莞 523000；2.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510635；3.天津市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300341)

非對(duì)稱獨(dú)塔斜拉橋的跨徑不對(duì)稱性，更好地適應(yīng)了城市中小寬度的河道布置，利用主跨作為通航孔，邊跨則可以根據(jù)橋址建設(shè)條件在0.5L～L范圍內(nèi)選擇，既縮減了主橋建設(shè)規(guī)模，工程更加經(jīng)濟(jì)合理，同時(shí)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)可以在造型上更加新穎獨(dú)特，因此越來(lái)越成為城市景觀橋的重要橋型。非對(duì)稱橋梁在變形及受力規(guī)律也與常規(guī)橋梁有所差異，本文將以某非對(duì)稱獨(dú)塔斜拉橋?yàn)檠芯勘尘?，著重?duì)橋梁的總體、結(jié)構(gòu)體系以及各主要構(gòu)件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，得到該類型橋梁的主要受力特點(diǎn)，可為類似斜拉橋設(shè)計(jì)提供參考和驗(yàn)證。

1 工程概況

徒駭河大橋(如圖1所示)位于聊城經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)北部，為現(xiàn)狀中華路北延工程跨徒駭河的關(guān)鍵性節(jié)點(diǎn)工程。

橋梁與徒駭河斜交角度約為40°，河道斜長(zhǎng)約為280 m，主橋采用獨(dú)塔斜拉橋，跨徑布置為151.1 m+91.1 m(如圖2，圖3所示)；中華路跨越濱河大道位置，濱河大道下挖，設(shè)置三孔箱體，箱梁全寬為22.2 m。主橋與箱體之間為異形結(jié)構(gòu)，采用無(wú)梁板橋。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1)道路等級(jí)及設(shè)計(jì)速度：城市主干路，設(shè)計(jì)速度60 km/h。

2)橋梁設(shè)計(jì)使用年限：100 a。

3)荷載標(biāo)準(zhǔn)：城-A級(jí)；人群：3.5 kN/m2。

4)橋梁寬度：標(biāo)準(zhǔn)段全寬46 m：2.25 m(人行道)+3.5 m(非機(jī)動(dòng)車道)+1.5 m(拉索錨固區(qū))+0.5 m(護(hù)欄)+15 m(行車道)+0.5 m(中央護(hù)欄)+15 m(行車道)+0.5 m(護(hù)欄)+1.5 m(拉索錨固區(qū))+3.5 m(非機(jī)動(dòng)車道)+2.25 m(人行道)(如圖4所示)。

5)地震基本烈度7度，地震動(dòng)峰值加速度：0.15g。

6)橋下通航凈空：中型游艇，徒駭河通航凈空為40 m×4.5 m。

3 總體設(shè)計(jì)

3.1 總體布置

橋梁跨徑布置為151.1 m+91.1 m，邊中跨比為 0.6。由于較小的邊中跨比布置，主梁采用混合梁方案，即主跨采用鋼梁，減輕自重，增大跨越能力，邊跨采用混凝土箱梁進(jìn)行配重，鋼混凝土混合段設(shè)置在主跨距離橋塔6.9 m位置。

在距離邊過(guò)渡墩39.6 m，即0.435L位置設(shè)置輔助墩，以增加邊跨的剛度，同時(shí)有效改善其受力。

拉索按照扇形布置，其中邊跨尾端拉索加密。鋼梁跨拉索間距為8 m?；炷量缋鏖g距為5 m和4 m。鋼梁跨邊墩無(wú)索區(qū)長(zhǎng)度為11.6 m，占跨比為0.08。

邊跨過(guò)渡墩距離地面高程較低，導(dǎo)致該處無(wú)法做高低蓋梁連接主橋主梁與引橋現(xiàn)澆板梁。采用梁端設(shè)置牛腿解決上述問(wèn)題。現(xiàn)澆板梁提供635 t重量，亦可對(duì)過(guò)渡墩起到壓重作用。

根據(jù)抗震計(jì)算[1-3]，過(guò)渡墩處設(shè)480型伸縮縫，其中橋跨中心線距離主橋梁端及引橋梁端分別為22 cm和4 cm，如圖5所示。

主塔處箱梁寬34.5 m，非機(jī)動(dòng)車道和人行道設(shè)置在主塔懸臂的平臺(tái)上，與主梁結(jié)構(gòu)分離，見圖6。

考慮主塔橋面距離承臺(tái)頂較小，該處不采用橫梁方案，通過(guò)設(shè)置牛腿來(lái)支承主梁。支座間距為31.3 m。

主塔為鋼箱截面形式，左、右塔高分別為103 m和118 m。左右兩塔塔座接獨(dú)立的承臺(tái)群樁基礎(chǔ)。

3.2 結(jié)構(gòu)支承體系

對(duì)橋梁支承體系進(jìn)行了以下3種方案的對(duì)比(如表1所示)。

1)塔墩梁固結(jié)體系。2)半漂浮體系(僅設(shè)豎向支承，縱向未約束)。3)半漂浮體系(固定支座，設(shè)豎向及縱向約束)。

表1 不同結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)響應(yīng)

計(jì)算表明，在正常運(yùn)營(yíng)階段，半漂浮體系(固定支座)下，塔底彎矩、梁端及塔頂縱向位移均表現(xiàn)最優(yōu)。塔墩梁固結(jié)體系下則索塔塔底內(nèi)力最大。

地震作用下，在不考慮減隔震支座參與作用下，索塔內(nèi)力：半漂浮體系(固定支座)體系>>半漂浮體系(縱活動(dòng))體系；梁端和塔頂位移：半漂浮體系(固定支座)體系<<半漂浮體系(縱活動(dòng))體系，計(jì)算結(jié)果見表1。

最終，結(jié)合運(yùn)營(yíng)階段受力和地震影響，擬采用的結(jié)構(gòu)體系為：正常使用情況下，塔梁采用縱向約束(即固定支座)，不僅可以有效控制梁端及塔頂?shù)奈灰?，而且主塔受力也較合理；在地震作用下，通過(guò)設(shè)置合理的減震支座體系(阻尼發(fā)生作用)，有效降低塔底彎矩及水平力。

3.3 結(jié)構(gòu)減隔震方案

限于篇幅，僅討論縱向合理的抗震方案。對(duì)于中等跨徑的獨(dú)塔斜拉橋，常用的減震方案有黏滯阻尼器和鋼阻尼兩種[4-5]，對(duì)上述兩種減隔震方案下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析：

1)縱向固定支座+縱向鋼阻尼(橋塔處設(shè)置)。

計(jì)算比較分析了支座屈服力為2 000 kN～8 000 kN等不同參數(shù)以及縱向活動(dòng)和縱向固定支座下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，圖7為支座阻尼不同屈服剛度下塔底彎矩結(jié)果。

計(jì)算表明，由于低塔效應(yīng)(即橋面與承臺(tái)的距離較塔頂與承臺(tái)距離比較小)隨著縱向鋼阻尼剛度增加，其塔底彎矩呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，在屈服力為5 500 kN時(shí)，塔底彎矩最小。進(jìn)一步對(duì)屈服強(qiáng)度為4 500 kN，5 000 kN和5 500 kN下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、梁端位移(控制在20 cm以內(nèi))以及阻尼剛度(支座成本)，選取屈服強(qiáng)度為5 000 kN為鋼阻尼設(shè)計(jì)參數(shù)。

2)縱向固定支座+黏滯阻尼(橋塔處設(shè)置)。

以梁端位移控制在20 cm及以內(nèi)作為設(shè)計(jì)參數(shù)，阻尼系數(shù)c=3 000時(shí)，梁端縱向位移為20.1 cm，基本滿足要求。

圖8為粘滯阻尼不同阻尼系數(shù)下塔底彎矩值。計(jì)算表明，黏滯阻尼的速度指數(shù)變化對(duì)塔底彎矩影響不大。速度指數(shù)增加，塔底剪力有所減少，位移略有增加，選取α=0.3時(shí)，對(duì)阻尼系數(shù)參數(shù)進(jìn)行比較分析。計(jì)算表明，隨著阻尼系數(shù)增加，塔底彎矩呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，與鋼阻尼減隔震裝置趨勢(shì)一致。當(dāng)阻尼系數(shù)c=2 000時(shí)，綜合塔底彎矩最小，但梁端位移也會(huì)超過(guò)20 cm。最終，綜合塔底彎矩、梁端和塔頂縱向位移等因素，黏滯阻尼器選擇參數(shù)c=3 000，α=0.3。

3)方案比較。

鋼阻尼方案和黏滯阻尼方案的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 鋼阻尼方案與黏滯阻尼方案計(jì)算結(jié)果

兩種減隔震方案的塔底彎矩及水平力差別不大，但鋼阻尼器方案在控制塔頂及梁端位移效果更優(yōu)[6]。

黏滯阻尼器是速度相關(guān)，剪斷瞬間速度為零，阻尼器無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)地震力的有效控制；而阻尼力取決于位移，固定支座剪斷瞬間位移為零，剪斷力可平穩(wěn)過(guò)渡到阻尼器。

綜上所述，最終確定橋梁減震支座體系為固定支座和橋塔處設(shè)鋼阻尼器方案為推薦方案。

4)小結(jié)。

運(yùn)營(yíng)階段，橋梁結(jié)構(gòu)的約束體系類似于連續(xù)梁橋支座體系，確保結(jié)構(gòu)體系為幾何靜定，結(jié)構(gòu)安全可靠?？拐鹱枘崞鞑粎⑴c受力。

E1地震時(shí)，支座限位耗能螺栓被剪斷，非線性鋼阻尼部分參與工作，位于彈性變形或處于較低的塑性變形工作階段。地震后，僅需對(duì)耗能部件進(jìn)行維護(hù)和更換即可，必要時(shí)，需要對(duì)支座進(jìn)行較小位移的復(fù)位。上述原則基于E1地震水平力若由支座承擔(dān)，則下部基礎(chǔ)規(guī)模將增加約806 m3，約下部基礎(chǔ)總體規(guī)模的10%，同時(shí)邊跨連接墩依然出現(xiàn)負(fù)反力。

E2地震時(shí)，鋼阻尼發(fā)生較大的塑性變形，但地震力小于阻尼設(shè)計(jì)力，阻尼不發(fā)生斷裂。

3.4 索塔

1)索塔線型分析。

索塔為鋼塔，橫橋向兩塔柱在橋面以上以圓曲線形式朝中間并攏，在塔頂附近設(shè)橫梁。索塔在橋面以下不設(shè)橫梁，采用牛腿形式支撐橋面系。

計(jì)算表明，通過(guò)調(diào)整鋼塔曲線半徑，使得橋塔上半段曲線與拉索合力力臂最小，從而減少拉索產(chǎn)生橋塔外側(cè)受拉彎矩，同時(shí)外側(cè)彎矩減小，也必然使得橫梁水平力減小，最終塔中和塔底應(yīng)力均有效減小。

不同圓曲線索塔方案見圖9，索塔方案計(jì)算結(jié)果見表3。在綜合橋塔景觀及受力因素，最終選取橋塔曲線半徑R=350 m。

表3 不同圓曲線索塔

索塔為鋼結(jié)構(gòu)，其中左塔高105.121 m，右塔高120.121 m。索塔標(biāo)準(zhǔn)段截面外輪廓尺寸為3 000 mm×3 000 mm，采用單箱單室截面形式；從承臺(tái)底至21.21 m范圍內(nèi)，橋塔外輪廓采用變截面形式，由上至下采用3 000 mm×3 000 mm(縱向×橫向)變化至8 000 mm×3 000 mm(縱向×橫向)，塔座設(shè)鋼-混結(jié)合段。

3.5 主梁

由于邊主跨跨徑比較小，本項(xiàng)目采用鋼混組合梁方案，主跨采用鋼梁-UHPC薄層輕型組合梁結(jié)構(gòu)，以減輕自重，增大跨越能力；邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁增加邊跨剛度，并起到重量平衡作用。

主梁采用單箱四室大挑臂斷面形式，鋼梁與混凝土梁的腹板對(duì)齊布置。鋼梁梁高3 m(結(jié)構(gòu)中線處)，頂板設(shè)置5 cm厚UHPC薄層，組成鋼梁-UHPC薄層輕型組合梁結(jié)構(gòu)；混凝土梁梁高3 m，頂板厚30 cm，底板厚25 cm，邊腹板需要錨固拉索，厚180 cm；中腹板厚60 cm。箱梁橫向懸臂長(zhǎng) 575 cm。箱內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)橫隔板間距為5 m和4 m，與斜拉索錨固點(diǎn)對(duì)應(yīng)。橫隔板在跨中處厚40 cm，在拉索錨固點(diǎn)處厚60 cm。

鋼混結(jié)合段設(shè)置在主跨距離橋塔中線6.9 m位置，鋼混結(jié)合段長(zhǎng)度為2 m，接頭傳力體系采用填充混凝土后承壓板式。在鋼梁過(guò)渡段中，頂板、底板U肋設(shè)置倒T型加勁板進(jìn)行過(guò)渡。為使鋼梁與混凝土梁緊密結(jié)合，采用縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線進(jìn)行預(yù)壓連接。

3.6 拉索

拉索采用直徑7 mm的低松弛高強(qiáng)度平行鍍鋅鋼絲，鋼絲標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 670 MPa。全橋共34對(duì)拉索，扇形布置。全橋拉索根據(jù)受力不同，共采用六種不同規(guī)格拉索，其中最大規(guī)格拉索型號(hào)為PES(C)7-163，最小規(guī)格拉索型號(hào)為PES(C)7-109。拉索與主塔及主梁均采用鋼錨箱錨固形式，張拉端設(shè)置在主梁處。

3.7 下部結(jié)構(gòu)

索塔基礎(chǔ)采用16根直徑1.8 m 鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)80 m，矩形布置，橫橋向樁間距5 m，縱橋向樁間距4.5 m。

輔助墩墩柱采用矩形片墩，墩柱尺寸為4.5(橫向)m×2.8(縱向) m，基礎(chǔ)采用4 根直徑1.8 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)48 m，矩形布置，橫橋向樁間距5 m，縱橋向樁間距4.5 m。

邊、主跨過(guò)渡墩柱采用矩形片墩，墩柱尺寸為4.5(橫向) m×2.8(縱向) m，基礎(chǔ)采用4根直徑1.8 m 鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，矩形布置，橫橋向樁間距5.5 m，縱橋向樁間距4.5 m。邊、主跨過(guò)渡墩樁長(zhǎng)分別為48 m 和55 m。

3.8 施工方案

施工方案采用河中搭設(shè)施工臨時(shí)支架施工主梁和主塔，再對(duì)稱張拉拉索的方案。主梁的施工順序是先澆筑部分混凝土梁段及鋼混結(jié)合段附近鋼梁，再澆筑剩余節(jié)段混凝土梁段，最后拼裝鋼梁節(jié)段形成整體。

4 結(jié)語(yǔ)

1)現(xiàn)代城市建設(shè)中，非對(duì)稱獨(dú)塔斜拉橋因?yàn)槠漭^好的經(jīng)濟(jì)性以及塔柱可塑造景觀造型，使得成為標(biāo)志性城市景觀橋梁采用較多的橋型。2)對(duì)于非機(jī)動(dòng)車和人行道較寬的城市斜拉橋，采用大挑臂的箱梁結(jié)構(gòu)可以有較好的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)對(duì)橋面較寬的橋梁，拉索橫向錨固在箱梁外側(cè)腹板處，有效減小了拉索橫向錨固點(diǎn)距離，提高了橋梁橫向剛度。3)對(duì)于中等跨徑、地震烈度7度區(qū)的獨(dú)塔斜拉橋，半漂浮體系具有較好的運(yùn)營(yíng)階段受力性能，同時(shí)可通過(guò)合理設(shè)置減隔震支座來(lái)降低地震效應(yīng)，宜優(yōu)先選用。4)本項(xiàng)目正常使用情況下，塔梁采用縱向約束(即固定支座)，不僅可以有效控制梁端及塔頂?shù)奈灰?，而且主塔受力也較合理；在地震作用下，固定支座銷子剪斷，鋼阻尼器發(fā)揮其減震消能作用，有效降低了地震對(duì)下部結(jié)構(gòu)的作用。運(yùn)營(yíng)階段支座縱向約束，亦能減小鋼阻尼在運(yùn)營(yíng)階段反復(fù)作用可能產(chǎn)生的疲勞破壞風(fēng)險(xiǎn)。5)本橋已于2021年6月28日正式通車，目前運(yùn)營(yíng)狀態(tài)良好。