大跨徑混合梁獨(dú)塔斜拉橋設(shè)計

施文杰，梁長海，顏心園

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

1 工程背景

本項目路線全長1.12 km，全線采用一級公路標(biāo)準(zhǔn)，路基寬度26.5 m，雙向4車道，設(shè)計時速60 km/h，荷載等級為公路-Ⅰ級。橋梁橫跨岷江，橋位處通航等級為Ⅲ級航道，計算通航尺度為243.11×18 m。設(shè)計最高通航水位：318.52 m(20年一遇)；天然情況下設(shè)計最低通航水位為304.94 m。

2 總體設(shè)計

全橋跨徑布置為：2.2 m(橋臺)+2×(4×30)m+5×30 m+(61+119+275) m+3×30 m+3.5 m(橋臺)，全長940.7 m。其中主橋為(61+119+275) m混合梁獨(dú)塔斜拉橋，墩塔梁固結(jié)體系，主橋邊中跨比為0.655，如圖1所示。

圖1 橋跨布置示意圖(單位：cm)

主橋單向縱坡為2.5%。橋面采用雙向2%的橫坡。主橋橫斷面布置為：1.5m(拉索區(qū))+2.25 m(人行道)+2.75 m(硬路肩)+2×3.5 m(行車道)+0.5 m(路緣帶)+1.5 m(中央分隔帶)+0.5 m(路緣帶)+2×3.5 m(行車道)+2.75 m(硬路肩)+2.25 m(人行道)+1.5 m(拉索區(qū))=29.5 m。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 主橋箱梁結(jié)構(gòu)

主梁采用混凝土與鋼箱梁混合梁方案，鋼混結(jié)合處位置考慮主梁與主塔的固結(jié)及主梁恒載的平衡，設(shè)置在主跨距離塔中18 m處[1]。

3.1.1 混凝土主梁

邊跨主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土PK斷面箱梁，結(jié)構(gòu)中心線處梁高為3.0 m，如圖2所示。主梁頂板寬29.5 m，主梁外側(cè)處頂板上緣距梁底2.72 m，箱室頂板厚28 cm，主梁斷面橫向開口段頂板厚30 cm。主梁橫梁間距8 m，厚0.5 m，為帶下馬蹄矩形斷面。過渡墩處端橫梁厚1.8 m，輔助墩墩頂橫梁厚為2 m矩形斷面。混凝土主梁與主塔采用固結(jié)的型式，主梁在主塔處橫梁采用兩片厚2 m的橫梁，橫梁間距為6.4 m。

圖2 混凝土粱段標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位：cm)

3.1.2 鋼箱梁

PK斷面鋼箱主梁由橋面頂板、底板、內(nèi)腹板、外腹板、橫隔板、風(fēng)嘴、錨固構(gòu)造等組成，如圖3所示。鋼箱梁中心線處高3.0 m，全寬29.5 m(不含風(fēng)嘴)。PK鋼箱梁橫隔板由邊箱內(nèi)隔板和連接兩邊箱的鋼橫梁組成。箱內(nèi)橫隔板及箱外橫梁腹板均采用整體式，由上、下兩塊板熔透對接。標(biāo)準(zhǔn)梁段長13.5 m，內(nèi)設(shè)4道實腹式橫隔板，間距3.375 m；拉索區(qū)邊箱內(nèi)隔板厚16 mm，對應(yīng)鋼橫梁腹板厚16 mm、下翼緣板厚25 mm，寬800 mm；無索區(qū)邊箱內(nèi)隔板厚12 mm，對應(yīng)鋼橫梁腹板厚12 mm，其中上連接板厚14 mm，下翼緣板厚20 mm，寬600 mm。

圖3 鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖(單位：cm)

3.1.3 鋼混結(jié)合段

鋼混結(jié)合段長5 m，其中2 m為混凝土區(qū)域，3 m為鋼箱梁階梯承壓過渡區(qū)域。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25 mm，由承壓板及鋼格室混凝土直接傳力。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(jìn)行連接，保證了鋼-混結(jié)合段力的可靠擴(kuò)散和傳遞。

3.2 橋塔

索塔分為上塔柱、中塔柱、下塔柱3個部分，塔高174.1 m。上塔柱截面形狀為變異的六邊形斷面，橫橋向?qū)?.4 m，順橋向?qū)?.4 m，縱橫向壁厚均為1.0 m；中塔柱為變異的倒梯形斷面，其中外側(cè)切角面與上塔柱切角面完全一致，橫橋向?qū)?.0 m，順橋向?qū)?.4 m，壁厚由1.0m漸變增厚至1.2 m；下塔柱向內(nèi)收斂并形成整體斷面，橫橋向?qū)?8.0～25.0 m，順橋向?qū)?.4 m，壁厚2.5 m，下塔柱設(shè)置放射狀切角，根部切角尺寸為1.6 m×6 m。

橋塔下橫梁采用箱型截面，高10.0 m，寬8.4 m，腹板厚2.0 m，頂板厚0.55 m，底板厚2.0 m。該橫梁為拉彎構(gòu)件，按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計，采用Φs15-21規(guī)格的鋼束。

主塔采用矩形整體式承臺配群樁基礎(chǔ)，承臺厚6 m。承臺下設(shè)28根直徑2.5 m的鉆孔灌注樁，按嵌巖樁設(shè)計，如圖4所示。

圖4 主塔立面圖(單位：cm)

3.3 斜拉索

全橋設(shè)38對斜拉索，設(shè)計安全系數(shù)為2.5。為保證斜拉索具有足夠的安全性、耐久性，本橋選用高強(qiáng)度低松弛鋼絞線拉索體系，單根鋼絞線直徑15.24 mm，拉索型號分為15.2-31、15.2-37及15.2-43三種。

3.4 塔上錨固系統(tǒng)

塔上錨固分為鋼錨梁錨固和齒塊錨固。本橋7～19號拉索在主塔上采用鋼錨梁進(jìn)行錨固，塔柱內(nèi)設(shè)有鋼錨梁13套，每套鋼錨梁錨固2對斜拉索。鋼牛腿是鋼錨梁的支撐結(jié)構(gòu)，由上承板、牛腿腹板、塔壁預(yù)埋鋼板(含剪力釘以及與其連接的剛性預(yù)埋板)組成。

齒塊結(jié)合環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固方式是索塔間傳統(tǒng)的錨固方式，本橋1～6號拉索在主塔上采用混凝土齒塊進(jìn)行錨固。本錨固方式中斜拉索直接錨固在空心塔壁上，為保證塔柱的承載能力和抗裂安全性，在錨固區(qū)設(shè)置環(huán)向平面預(yù)應(yīng)力以平衡塔壁上的拉應(yīng)力。索塔錨固區(qū)環(huán)向預(yù)應(yīng)力按井字形布置，預(yù)應(yīng)力采用φ16-2無黏接預(yù)應(yīng)力鋼棒。

3.5 輔助墩及過渡墩

小樁號過渡墩采用雙柱矩形實心墩，墩高17.5 m。單個墩柱順橋向厚3.0 m，橫橋向?qū)? m。墩柱中心距為15 m，墩頂設(shè)置寬1.2 m，高3.5 m的蓋梁。

大樁號過渡墩采用雙柱矩形空心墩，墩高45.3 m。單個墩柱順橋向厚4.0 m，橫橋向?qū)? m，墩底實心段高26 m，墩頂實心段厚4 m，順橋向及橫橋向壁厚0.8 m。

輔助墩采用雙柱矩形實心墩，墩高21 m。單個墩柱順橋向厚3.0 m，橫橋向?qū)? m。墩柱中心距為15 m，墩頂設(shè)置3 m高3.5 m的系梁。

輔助墩及過渡墩承臺均為順橋向10.0 m、橫橋向26.5 m的矩形承臺，高3.0 m。承臺下為10根直徑2.0m的鉆孔灌注樁，按摩擦樁設(shè)計。

4 結(jié)構(gòu)計算[2]

整體計算采用空間有限元計算軟件midas，計算模型整體坐標(biāo)系統(tǒng)以順橋向為X軸、橫橋向為Y軸、豎向為Z軸。將實際結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限單元離散，全橋共劃分363個單元，總節(jié)點(diǎn)數(shù)558個，其中橋塔、主梁采用梁單元模擬，斜拉索采用索單元模擬。梁與索塔采用固結(jié)連接，有限元模型中采用剛性連接模擬；墩底采用固結(jié)約束。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)的規(guī)定，成橋階段分析主要考慮永久作用、車道荷載、溫度作用、風(fēng)荷載等作用下荷載組合效應(yīng)。

通過對主橋施工過程及成橋運(yùn)營狀態(tài)模擬分析，主要計算結(jié)果如下：

(1) 混凝土主梁采用全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計，持久狀況正常使用狀態(tài)最不利荷載組合下，混凝土梁最大壓應(yīng)力為14 MPa，無拉應(yīng)力，滿足設(shè)計規(guī)范要求[3]；鋼箱梁主梁上、下緣最大應(yīng)力分別為-119 MPa、44 MPa，滿足規(guī)范要求。活載作用下鋼主梁跨中撓度為329 mm，約為中跨跨度的1/836(規(guī)范要求活載撓度為1/400)，豎向剛度滿足規(guī)范要求[4]。

(2) 斜拉索最大拉應(yīng)力738 MPa，斜拉索安全系數(shù)均大于2.5，斜拉索汽車活載作用下最大應(yīng)力幅174 MPa<200 MPa[3,5]。

(3) 橋塔截面在正常使用極限狀態(tài)下受壓；橋塔截面最大壓應(yīng)力為16.9 MPa，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)束語

混合梁斜拉橋充分發(fā)揮鋼與混凝土材料各自的優(yōu)勢，近年來在國內(nèi)發(fā)展很快，積累了豐富的設(shè)計與建造經(jīng)驗。本文系統(tǒng)介紹了獨(dú)塔混合梁斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系與構(gòu)造尺寸、總體計算分析，為大跨度獨(dú)塔混合梁斜拉橋設(shè)計積累了經(jīng)驗，可為同類型橋梁的設(shè)計提供參考。