濟(jì)南建邦黃河大橋主橋設(shè)計

衛(wèi)俊+王碧波

摘 要：濟(jì)南建邦黃河大橋主橋采用主跨2×300m三塔預(yù)應(yīng)力混凝土梁斜拉橋。中塔處為塔梁墩固結(jié)，邊塔塔柱通過箱梁時，箱梁形成開口截面，從而主塔與塔墩固結(jié)，形成中塔固結(jié)，邊塔半漂浮的體系；主梁采用單箱四室斜腹板截面，橋?qū)?0.5m，標(biāo)準(zhǔn)索距梁段均設(shè)有橫梁及橫向加勁肋板；中塔柱為縱向人字型結(jié)構(gòu)，邊塔柱采用獨柱式結(jié)構(gòu)；斜拉索采用鍍鋅平行鋼絲拉索；基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。大橋在橋式布置、主梁、主塔構(gòu)造設(shè)計等方面具有一定的技術(shù)突破與創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：三塔斜拉橋 橋梁設(shè)計 支承體系 箱梁構(gòu)造 主塔造型

1.工程概況

濟(jì)南建邦黃河大橋位于濟(jì)南市西北部老徐莊附近，南北分別與濟(jì)南市二環(huán)西路、國道309連接，路線全長5.271公里，其中橋梁長2.145公里。雙向六車道一級公路，行車速度80km/h。主橋采用三塔預(yù)應(yīng)力混凝土梁斜拉橋，跨度布置為（53.5+56.5+2×300+56.5+53.5）m。項目所在區(qū)域?qū)冱S河沖積平原地貌單元。橋址區(qū)第四系覆蓋層為河流沖洪積層，巖性以粘性土為主；基巖為中生代燕山期侵入巖，巖性為輝長巖，工程性能好，力學(xué)性質(zhì)均勻穩(wěn)定。

2.結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1跨度布置

三塔斜拉橋跨度布置為（53.5+ 56.5+2×300+56.5+53.5）m共6跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，整幅布置（圖1）。三塔采用不等高形式布置，中塔高于兩邊塔，主跨300m的跨度滿足其河槽基本跨度180m的要求，邊跨110m，邊中跨比0.37。邊跨設(shè)1個輔助墩，加強(qiáng)邊塔邊跨錨固剛度，提高斜拉橋結(jié)構(gòu)整體剛度，明顯改善結(jié)構(gòu)受力狀況。特別是有效降低了中塔及邊塔彎矩，減輕了塔墩基礎(chǔ)反力，從而減小基礎(chǔ)規(guī)模，降低造價。施工期間僅中塔基礎(chǔ)一個水中墩，邊跨位于河槽灘地，斜拉橋邊跨主梁可采用滿布膺架法施工，避免該區(qū)段采用懸澆施工，可有效的縮短施工工期。

2.2支承體系

本橋橋面橫向?qū)挾葹?0.5m且設(shè)有中央分車帶，適宜采用箱梁結(jié)構(gòu)、中央索面，主塔橫橋向從景觀及經(jīng)濟(jì)角度考慮采用獨柱型橋塔，一般為塔梁固結(jié)或者剛構(gòu)體系。本橋在邊塔塔柱通過箱梁時，箱梁形成開口截面，從而主塔與塔墩固結(jié)，形成中塔固結(jié)，邊塔半漂浮的體系。

斜拉橋中塔塔梁墩固結(jié)，兩邊塔設(shè)有橫向擋塊及豎向支座，分別約束主梁橫橋向線位移和豎向線位移及繞橋軸線轉(zhuǎn)動的角位移；邊塔和主梁間縱向采用阻尼約束，有效約束主梁豎向線位移和橫向角位移的作用，起到加強(qiáng)主梁抗扭能力的作用。兩輔助墩及邊墩每墩設(shè)置兩個豎向支座。

2.3主梁設(shè)計

主梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長度按索距劃分為6m。由于索面布置在中央分隔帶上，主梁橫斷面采用單箱四室斜腹板截面，梁高3.5m，頂板寬30.5m，底板寬9m，兩側(cè)懸臂長4m，頂面設(shè)2%雙向橫坡。中跨及邊跨未壓重段箱梁頂板厚0.22m，底板厚0.3m，懸臂端部厚0.18m，根部厚0.5m，斜腹板厚0.22m，邊腹板厚0.25m，中腹板厚0.4m；邊跨箱梁設(shè)有壓重混凝土段，其斜腹板加厚至0.32m，底板加厚至0.4m（圖2）。標(biāo)準(zhǔn)索距梁段均設(shè)有橫梁及橫向加勁肋板，橫梁中箱厚0.40m、邊箱厚0.35m；有壓重區(qū)段橫梁中、邊箱厚均為0.6m；所有橫向加勁肋板厚0.25m。主梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系。縱、橫向預(yù)應(yīng)力束采用ΦS15.2鋼絞線，豎向預(yù)應(yīng)力鋼束及主梁懸澆施工臨時束采用JL32預(yù)應(yīng)力粗鋼筋。

2.4斜拉索設(shè)計

對于中央索面的斜拉橋，橫橋向斜拉索索面布置主要分為單根索及雙根索兩種型式，雙根索的設(shè)計能增強(qiáng)主梁的抗扭剛度，減小單根索的索力，從而改善主梁及塔上錨固區(qū)局部受力困難等條件，減少錨固區(qū)材料用量，同時采用雙根索對于拉索的施工和日后的更換也方便得多，鑒于上述考慮，本橋選用雙根索的型式。中塔每索面共26對斜拉索，邊塔共19對斜拉索，全橋共256根斜拉索。

斜拉索采用Ф7mm鍍鋅平行鋼絲，外擠雙層PE，內(nèi)層為黑色，外層為藍(lán)色，鋼絲標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1670Mpa。斜拉索規(guī)格共11種，分別為109φ7、127φ7、139φ7、151φ7、163φ7、187φ7、199φ7、211φ7、223φ7、241φ7、253φ7。斜拉索錨具采用張拉端冷鑄墩頭錨。

2.5主塔設(shè)計

本橋采用三塔布置，中塔高，邊塔低，形成了漢字“山”字的造型組合，與橋位所處的山東省相照應(yīng)。中塔下部支點向兩側(cè)拓展，橋面以上立面為人字型，蘊(yùn)涵著人與人之間的溝通合作、齊頭并進(jìn)的深刻含義，也反映了新時代以人為本的新理念。邊塔約為中塔的2/3高，高度比接近黃金分割數(shù)，比例協(xié)調(diào)。邊塔的支撐內(nèi)收，整體造型更為剛勁。三座塔的造型手法相同，構(gòu)成系列。

中塔塔梁墩固結(jié)，塔高112.25m。橋面以下塔墩高22.45m，為實體結(jié)構(gòu)，分為兩部分，一是高6.2m、直徑16m的圓柱體，二是分開兩邊高16.25m、半徑8m、斜率為1：8.125的半圓斜柱體，橫向?qū)挾葹?m。上塔柱高86.64m，采用空心矩形斷面，橫向?qū)?m，縱向塔頂寬為8m，豎向經(jīng)圓弧過渡至主梁頂外側(cè)至外側(cè)寬20m，并在距梁頂22.54m高度處分離為兩個斜腿，形成“人”字型結(jié)構(gòu)（圖3），上塔柱索錨區(qū)基本壁厚為橫橋向0.7m，順橋向1.4m。

邊塔塔墩固結(jié)、塔梁分離，塔高85.5m。下塔柱高18.1m，橫橋向等寬9m、順橋向等寬7m，采用單箱四室截面，基本壁厚橫橋向1.0m，中間隔板2.0m，順橋向1.0m，中間隔板0.8m，在底部及頂部范圍內(nèi)壁厚逐漸加厚。上塔柱高67.4m，采用空心矩形斷面，橫向?qū)挾染鶠?m，縱向塔頂寬為7m。上塔柱索錨區(qū)基本壁厚為橫橋向0.7m，順橋向1.4m。

2.6主塔墩基礎(chǔ)設(shè)計endprint

本橋位覆蓋層基本上是以粘土和亞粘土為主，可供選擇的基礎(chǔ)形式主要有沉井和鉆孔灌注樁：沉井基礎(chǔ)剛度大，結(jié)構(gòu)安全可靠，施工需要的機(jī)械設(shè)備少，是較常用的橋梁基礎(chǔ)，但在本橋址沉井存在以下問題：根據(jù)地質(zhì)鉆孔揭示存在膠結(jié)層，沉井下沉困難；沉井下沉施工控制難度較大；沉井下沉接高，施工中要大量吸泥，施工周期長，施工期內(nèi)對環(huán)境影響較大。鉆孔灌注樁基礎(chǔ)穿透能力強(qiáng)，施工進(jìn)度快，能承受較大的垂直和水平荷載，是目前較多采用的大型基礎(chǔ)型式，因此本橋主塔墩選用樁基礎(chǔ)。

塔墩基礎(chǔ)均采用φ2.0m鉆孔灌注樁，梅花形布置，樁間距為5.2m；承臺采用整體式圓形承臺，中塔墩承臺直徑38m，厚5m，邊塔墩承臺直徑27.4m，厚4.5m。

3.施工方法

全橋工期36個月，施工進(jìn)度主要受中塔墩基礎(chǔ)及斜拉橋混凝土主梁施工進(jìn)度控制。

中塔墩基礎(chǔ)位于主河槽中，按水中施工方案，采用“棧橋+鉆孔平臺”施工樁基礎(chǔ)，承臺采用吊箱圍堰施工；邊塔、輔助墩及邊墩基礎(chǔ)在枯水期位于灘地，鉆孔樁按陸地常規(guī)法施工，承臺施工采用鋼板樁圍堰作為防護(hù)，在洪水期前完成基礎(chǔ)及塔墩施工。

斜拉橋主梁0#塊采用墩旁支架法現(xiàn)澆，施工時對0#塊采取固結(jié)措施，其它節(jié)段采用掛籃懸臂澆筑，斜拉索的掛設(shè)、張拉與主梁懸澆同步進(jìn)行；邊跨現(xiàn)澆段采取膺架現(xiàn)澆，合攏段施工采用吊架法，合攏順序為先邊跨后中跨依次對稱進(jìn)行。

4.主要特點

本橋主跨2×300m位于三塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋國內(nèi)第二、同類橋梁中亦屬世界前列。在設(shè)計過程中有其鮮明的技術(shù)特點及創(chuàng)新點。

4.1混凝土箱梁斜拉橋主塔處箱梁開口構(gòu)造

目前在預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁斜拉橋中，當(dāng)橋面較寬采用箱梁結(jié)構(gòu)，且設(shè)有中央分車帶時，主塔橫橋向較多采用獨柱型橋塔，一般為塔梁固結(jié)或者剛構(gòu)體系。

本橋在邊塔塔柱通過箱梁時，箱梁形成開口截面，從而主塔與塔墩固結(jié)，形成中塔固結(jié)，邊塔半漂浮的體系，該體系主梁溫度、收縮和徐變內(nèi)力均較小，主梁各截面的變形和內(nèi)力的變化較平緩，受力較均勻。但箱梁開口后節(jié)點受力情況復(fù)雜，應(yīng)力傳遞機(jī)理無法通過平面程序模擬，在研究過程中采用了空間有限元程序?qū)ζ鋺?yīng)力分布及傳力機(jī)理進(jìn)行分析。由分析可知，在箱梁開口區(qū)域沿縱向長邊兩側(cè)的箱室與開口處豎向板之間的實體混凝土區(qū)域縱橋向抗彎剛度較大，而主梁內(nèi)力根據(jù)所加載的結(jié)構(gòu)的剛度進(jìn)行分配，所以主梁塔根節(jié)段的內(nèi)力主要在開口區(qū)域長邊兩側(cè)的實體混凝土結(jié)構(gòu)上傳遞，而在其所夾的區(qū)域中受力較小，從而在保證混凝土箱梁受力情況的前提下，可以優(yōu)化斜拉橋總體和結(jié)構(gòu)體系設(shè)置。

4.2大跨度混凝土斜拉橋箱梁橫向加勁構(gòu)造

目前在斜拉橋混凝土箱梁中普遍采用的構(gòu)造有兩種做法，一種是在箱梁內(nèi)順橋向斜拉索錨固處設(shè)置一道與橋面板平面垂直的橫隔板；二是在兩道拉索橫隔板中間再加一道橫隔板（無拉索橫隔板）。但存在斜拉索索距布置受制約，全橋節(jié)段劃分自由度較小，箱梁節(jié)段施工工期較長，材料用料較費等缺點。

本橋在現(xiàn)有的公路斜拉橋混凝土箱梁構(gòu)造基礎(chǔ)上，通過改變常規(guī)斜拉橋混凝土箱梁橫隔板布置方式，即在兩道拉索橫隔板中間增加橫向加勁肋，減小頂?shù)装宓目v向計算跨度，從而可以減小頂?shù)装搴穸龋?jié)省材料用量；在保證頂?shù)装迨芰白冃尾蛔兊那疤嵯拢梢赃m當(dāng)增加拉索橫隔板的間距（即加大斜拉橋梁段的節(jié)段長度），滿足斜拉橋總體布置及加快工期的要求；改善頂?shù)装鍏⑴c橫向受力時的剪力滯后效應(yīng)，增強(qiáng)其抗裂性能；結(jié)構(gòu)簡單，加大了內(nèi)部空間從而有利于施工內(nèi)模的拆除，便于施工。

5.結(jié)語

濟(jì)南建邦黃河大橋主橋為主跨2×300m三塔預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋。大橋在橋式布置、主梁、主塔構(gòu)造設(shè)計等方面具有一定的技術(shù)突破與創(chuàng)新，取得了較好的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益，推動了橋梁技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。大橋已建成為一項“交通順暢、景觀優(yōu)美、結(jié)構(gòu)安全、技術(shù)創(chuàng)新、經(jīng)濟(jì)合理”的優(yōu)質(zhì)工程，對于實現(xiàn)城市跨黃河發(fā)展、有效解決城市交通聯(lián)系，促進(jìn)濟(jì)南經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

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