大同市平城街西延雙向非對稱獨塔斜拉橋設(shè)計

吳用賢

[同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司，上海市 200092]

1 設(shè)計概要

大同平城街西延跨鐵路橋梁位于山西省大同市古城北側(cè)平城街西延線上，線位跨越既有鐵路編組站及多股重要鐵路線。平城街為城市主干路，道路紅線寬50 m，呈東西走向，主線高架西起武州西一路，往東依次跨越武州路、規(guī)劃路、鐵路編組站（寬約340 m）、西環(huán)路、云中路地道，止于魏都大道以西約150 m，全長約1 716 m。根據(jù)大同市快速路路網(wǎng)規(guī)劃，遠(yuǎn)期西環(huán)路為城市快速路，考慮遠(yuǎn)期與西環(huán)快速路連接，在西環(huán)路西側(cè)設(shè)置兩條匝道同平城街主線相聯(lián)，近期匝道接入現(xiàn)狀西環(huán)路地面，遠(yuǎn)期通過局部改造，并入西環(huán)高架快速路主線，實現(xiàn)平城街與西環(huán)快速路互通互聯(lián)?？玷F路部分主橋采用主跨163 m的特大橋。其效果如圖1 所示。

圖1 大同市平城街西延立交橋梁效果圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

主線主橋為本項目跨鐵路編組站特大橋，為塔墩梁固結(jié)體系的混合梁斜拉橋[1]，跨徑布置為（41+50+163）m。為盡量減少對鐵路的干擾，主塔基礎(chǔ)布置于西側(cè)鐵路圍墻外，承臺與鐵軌坡腳垂直距離約8 m。采用中央索面布置斜拉索，雙索并列，橫向間距1.0 m，全橋共設(shè)24 對拉索，邊跨混凝土側(cè)間距6 m，中跨鋼箱梁側(cè)間距為12 m，塔上間距為1.5 m。主橋總體立面布置如圖2 所示。

圖2 主橋整體布置圖（單位：m）

2.2 鋼索塔

索塔立面為倒Y 形結(jié)構(gòu)，橫斷面為一字形，塔全高88.9 m，總體布置如圖3 所示。自塔底至塔頂依次為：2.8 m 嵌入承臺塔柱、11.07 m 鋼-混結(jié)合段和75.03 m 鋼塔柱。塔柱斷面采用箱型，橋面以下部分橫橋向?qū)?.7 m，單肢順橋向?qū)?.46 m，橋面以上部分橫橋向?qū)?.75 m。除塔冠外，順橋向由兩根單肢寬4.46 m 合并為一根，寬6.6 m。為節(jié)省鋼材用量、減少板厚、控制焊接變形，鋼索塔采用Q420qE 材質(zhì)，控制板件在50 mm 以下。鋼-混凝土結(jié)合位置優(yōu)選在承臺頂面。鋼-混凝土結(jié)合段（T0 段）是鋼索塔柱上的結(jié)構(gòu)內(nèi)力傳遞到下部結(jié)構(gòu)承臺的關(guān)鍵受力構(gòu)造，設(shè)計采用PBL 及剪力釘作為傳遞荷載構(gòu)件。索塔斷面圖如圖4 所示。

圖3 塔柱總體布置圖（單位：m）

圖4 塔柱斷面圖（單位：m）

主梁與鋼索塔采用剛性固結(jié)，塔梁結(jié)合部位需要傳遞主梁縱向力、橫向力和主塔豎向力。主梁中間兩道直腹板和橫隔板分別與主塔兩個方向壁板對齊。其中，鋼索塔順橋向壁板穿過主梁頂?shù)装?，與主梁直腹板形成整板；橫橋向壁板分別焊接于頂?shù)装迳希髁簝?nèi)側(cè)設(shè)置等厚隔板對齊，并在與主塔內(nèi)橫隔板、橫肋對應(yīng)位置設(shè)置橫隔板，確保結(jié)構(gòu)傳力直接、流暢。

2.3 主梁

受道路線型布置影響，道路中心線在主跨側(cè)近58.4 m 長度范圍采用圓曲線半徑R=700 m 的曲線。邊跨及部分主跨斷面為26.5 m 寬的標(biāo)準(zhǔn)橫斷面。根據(jù)立交布置需要，主跨側(cè)過渡墩處鋼箱梁寬40.0 m，斷面漸變段長度為60 m。其中，道路中心線左右兩側(cè)斷面為非對稱漸變，由13.25 m 寬分別漸變?yōu)?7.25 m、22.75 m。主梁平面布置如圖5 所示。

圖5 主橋平面布置（單位：cm）

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁采用單箱五室斜腹板截面，混凝土強度等級為C50，道路中心線處梁高3 m。結(jié)合邊跨側(cè)斜拉索的布置，設(shè)置6 m 一道橫隔板，為提高混凝土箱梁整體抗裂性能，設(shè)計采用了縱橫豎三向預(yù)應(yīng)力體系，混凝土箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖6 所示?？紤]到主梁鋼混凝土之間內(nèi)力傳遞，標(biāo)準(zhǔn)段鋼箱梁同樣設(shè)置五道腹板，并與混凝土箱梁腹板對齊。為適應(yīng)鋼箱梁橋面變寬，保證懸臂長度外觀不變及中間拉索錨固區(qū)腹板連續(xù)性外，箱室腹板在道路中心線左側(cè)由1 道過渡為2 道，道路中心線右側(cè)由1 道逐漸過渡為3 道，控制箱室寬度不超過5m，提高頂?shù)装逵行Ы孛婷娣e，減少剪力滯影響。鋼箱梁材質(zhì)為Q345qE，標(biāo)準(zhǔn)鋼梁斷面如圖7 所示。

圖6 混凝土段橫斷面布置（單位：cm）

圖7 鋼梁段橫斷面布置（單位：cm）

鋼-混結(jié)合面設(shè)置在邊跨距塔柱中心線為13 m處，采用承壓傳力的結(jié)構(gòu)形式，承壓隔板厚100 mm，節(jié)段長2 m。為使剛度變化較均勻，在鋼箱梁U 形加勁肋近2.0 m 橫梁處變?yōu)榘謇呒觿牛虚g段在U 肋上加變高倒T 形板肋過渡，板式加肋在結(jié)合面處過渡為倒T 形。預(yù)應(yīng)力鋼束采用單端張拉的形式，固定端位于鋼箱梁側(cè)。

本橋鋼橋面采用的鋪裝體系為30 mm 澆筑式瀝青混凝土（下面層）+40 mmSMA（上面層）。澆筑式瀝青混凝土密實性好，在我國北方嚴(yán)寒地區(qū)，與鋼結(jié)構(gòu)橋面具有很好的適應(yīng)性[2]。上面層采用SMA 主要優(yōu)點體現(xiàn)在較好的耐磨性及抗滑性、經(jīng)濟性和施工便利性。

3 施工方案

主橋采用轉(zhuǎn)體法施工，下部基礎(chǔ)及轉(zhuǎn)動系統(tǒng)施工完成后，搭設(shè)塔吊進(jìn)行塔柱節(jié)段吊裝施工，同步進(jìn)行主梁支架塔設(shè)。支架沿著既有鐵路線搭設(shè)，在支架上一次拼裝鋼箱梁176 m 到位及澆筑邊跨78 m 長。待混凝土箱梁強度達(dá)到設(shè)計強度的90%，張拉預(yù)應(yīng)力。通過計算進(jìn)行合理配重，并第一次張拉預(yù)應(yīng)力脫架。拆除塔吊及部分支架，進(jìn)行稱重及配重，試轉(zhuǎn)。試轉(zhuǎn)成功后，一次轉(zhuǎn)體72°到位。主梁就位后，進(jìn)行封鉸及支座安裝，調(diào)整索力，并逐步卸除配重，完成體系轉(zhuǎn)換。施工剩余附屬，最后調(diào)整索力，主橋完成施工。轉(zhuǎn)體施工關(guān)鍵流程如圖8 所示。

圖8 轉(zhuǎn)體施工關(guān)鍵流程示意圖

由于主跨存在橫向不對稱變寬，施工監(jiān)控過程中除了要重視縱橋向稱重配重外，還應(yīng)特別對橫向配重進(jìn)行分析[3]。轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的稱重試驗包括測試不平衡力矩、偏心距、摩阻力和摩阻系數(shù)。稱重試驗結(jié)束后，應(yīng)與理論計算值進(jìn)行比較，使轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)縱橫向均平衡以確保轉(zhuǎn)體施工的順利進(jìn)行。由于該橋沒有設(shè)置合龍段，為了使兩側(cè)主梁同時上墩，施工過程主梁線形控制是關(guān)鍵。施工模擬設(shè)計按先張拉斜拉索至第一次設(shè)計索力的50%后再上100%配重，再調(diào)整索力至設(shè)計值的100%。轉(zhuǎn)體就位后，進(jìn)行第二次索力調(diào)整，同時卸除配重，先卸除50%的配重，再調(diào)整50%的索力，再卸除全部配重，索力調(diào)整至第二次設(shè)計值。經(jīng)過模擬計算，施工階段斜拉索的安全系數(shù)最小為2.2，滿足大于2 的要求。

4 結(jié)構(gòu)計算

4.1 主要技術(shù)參數(shù)

4.1.1 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級：城市主干路。

（2）設(shè)計車速：50 km/h。

（3）設(shè)計荷載：城-A 級。

（4）設(shè)計基準(zhǔn)期：100 a。

（5）結(jié)構(gòu)安全等級：一級。

（6）地震基本烈度：8 度。設(shè)計基本地震加速度值為0.2g。根據(jù)本橋的工程場地地震安全性評價，場地規(guī)準(zhǔn)化動力放大系數(shù)為2.5。E1 地震下地表水平峰加速度達(dá)到0.22g，特征周期0.55 s；E2 地震下地表水平峰加速度達(dá)到0.43g，特征周期0.80 s。

4.1.2 主要設(shè)計荷載

（1）恒載。一期恒載按實際輸入的截面面積，其中混凝土容重26 kN/m3。主梁主塔橫隔板、中橫梁、端橫梁、錨箱等采用荷載形式計入，二期恒載以荷載形式計入。

（2）活載。汽車荷載按城-A 級并提高30%。

（3）溫度荷載。鋼結(jié)構(gòu)整體升溫44.6℃，整體降溫-45.1℃。混凝土結(jié)構(gòu)整體升溫35.1℃，整體降溫-31.7℃。梯度溫度按規(guī)范考慮。

（4）基礎(chǔ)沉降。主墩基礎(chǔ)按沉降2.5 cm 考慮，邊墩及輔助墩基礎(chǔ)按沉降1.0 cm 考慮。

4.2 總體靜力分析

主橋總體靜力計算采用BSAP 程序進(jìn)行，并運用慧加軟件進(jìn)行了校核，模型采用梁單元與桁架單元混合建模，將全橋離散為有限元模型。對主梁、橋塔采用梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬。計算模型如圖9 所示。

圖9 計算模型圖示

據(jù)現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范要求，考慮自重、活載、溫度荷載（整體及局部）、風(fēng)荷載及沉降等作用，對預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁、鋼箱梁及鋼索塔按承載能力極限組合及正常使用極限組合分別驗算，主要計算結(jié)果見表1。從中可以看出，兩種計算程序基本吻合，且均滿足規(guī)范要求。

表1 主要計算結(jié)果

4.3 最寬處橫梁有限元分析

針對KP15 墩區(qū)域主梁橫向非對稱較大的變寬，研究橫向受力性能，利用Midas Civil 建立空間三維局部模型進(jìn)行有限元分析,模型范圍為支點位置起梁長62.85 m。端部按照實際位置加支座約束，梁中采用固結(jié)的方式，拉索處約束豎向位移，將結(jié)構(gòu)體系簡化為格子梁體系，縱向腹板及橫向隔板分別等效為縱梁和橫梁，上下頂板采用板單元建模。根據(jù)圣維南原理，取中間部分（紅色區(qū)域21 m）為研究對象，計算模型及車輛布載如圖10 所示。

圖10 計算模型及車輛布載

頂?shù)装錗iss 應(yīng)力如圖11 所示，可以看出頂?shù)装寰嬖谝欢ǖ膽?yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，且頂板更為嚴(yán)重，但總體應(yīng)力均小于120 MPa。各主要構(gòu)件計算結(jié)果見表2。

圖11 Miss 應(yīng)力圖（單位：MPa）

表2 主要計算結(jié)果 單位：MPa

4.4 抗震分析

《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》針對基本烈度8 度及以上地區(qū)修建的斜拉橋優(yōu)先考慮漂浮體系，綜合考慮本橋采用轉(zhuǎn)體施工方案及縱橫向雙向非對稱不平衡，為降低施工對鐵路影響的風(fēng)險，設(shè)計選擇抗震體系較為不利的塔梁墩固結(jié)體系。主橋的抗震計算分析是保證結(jié)構(gòu)安全的重要組成部分，采用Midas Civil 建立主橋的空間動力分析模型。其中，輔助墩和邊墩均采用摩擦擺減隔震支座，各墩處一側(cè)設(shè)置雙向活動支座，另一側(cè)設(shè)置縱向活動支座。西側(cè)邊墩采用JZLYQZ-7 MN，隔震周期2.8 s；輔助墩采用JZLYQZ-12.5 MN，隔震周期2.8 s；東側(cè)邊墩采用JZQZ-5 MN，隔震周期2.5 s。為了準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)及抗震性能，應(yīng)考慮與之相鄰引橋的影響，建立斜拉橋東西各一聯(lián)的連續(xù)梁橋作為主橋的邊界條件。分析模型如圖12 所示。

圖12 抗震分析模型

非線性時程分析E2 地震作用下主要構(gòu)件響應(yīng)及其安全系數(shù)見表3。

表3 E2 地震作用下主要計算結(jié)果

從表3 中可以看出，鋼梁、鋼塔具有一定安全儲備。主塔墩底（KP14）在縱向+豎向組合下儲備較小，但均不小于1，滿足抗震性能要求。

5 結(jié)語

本文介紹了一座主跨163 m 跨鐵路雙向非對稱獨塔斜拉橋的設(shè)計與施工。針對橋址處地震烈度高、主梁雙向不對稱大幅變寬等特點，詳細(xì)介紹了主橋總體設(shè)計、主塔及主梁的結(jié)構(gòu)構(gòu)造及轉(zhuǎn)體施工方案，并對主橋總體靜力計算、變寬處局部三維分析及抗震分析。經(jīng)計算表明，該橋結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，施工方案安全可靠，可為同類橋梁的設(shè)計與施工提供參考和借鑒。