淮北相王支座體系無背索斜拉橋設(shè)計

王 斌 程應(yīng)剛

（中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司 武漢 430050）

淮北相王大橋項目位于淮北市開發(fā)區(qū)新區(qū)東北部，為相王大道跨越新濉河關(guān)鍵性控制工程。項目全長951.66m，主橋采用50m＋110m＋60m＋45m無背索斜拉橋。該橋于2011年11月開工建設(shè)，2013年10月建成通車。

1 技術(shù)標準

相王大橋作為開發(fā)區(qū)新區(qū)東北部主要過河交通通道，綜合所在區(qū)域路網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃、項目的地位和作用，以及兩岸既有路網(wǎng)情況，確定本項目主要技術(shù)指標為：城市道路主干路I級；設(shè)計行車速度60km／h；公路I級活載；VII度抗震設(shè)防烈度。

2 主要建橋條件

2.1 工程地質(zhì)

（1）覆蓋層。根據(jù)詳勘地質(zhì)報告，場區(qū)覆蓋層簡單，厚24～33m，由第四系全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)沖洪積相地層組成。其中：①大層的①1填筑土、①2種植土為新近堆積土；②大層的粉質(zhì)黏土可塑狀、粉土及粉細砂；③大層的黏性土可塑狀、粉土及粉細砂中密狀；④大層黏性土硬塑狀。

（2）基巖。基巖為寒武系灰?guī)r及燕山期侵入巖閃長玢巖、輝綠巖，巖面高程7.33～1.50m。全強風化基巖承載力較高，壓縮性中等；中～微風化基巖承載力高，巖質(zhì)硬～堅硬，工程性能極好。灰?guī)r巖溶主要發(fā)育在巖體表部及受侵入巖影響嚴重的部位，表現(xiàn)為小型溶洞和較大的溶蝕溝槽，溶洞內(nèi)均有黏性土及殘留巖塊充填，勘察時未發(fā)現(xiàn)大型平洞。

2.2 水文

根據(jù)《淮北市城市總體規(guī)劃（2006－2020）》確定淮北市城市防洪標準為100年一遇。肖濉新河規(guī)劃防洪標準為100年一遇，除澇標準為5年一遇。主塔墩（5號墩）一般沖刷后高程26.24m，局部沖刷高程23.88m。

3 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 橋跨布置

相王大橋主橋全長265m，為4跨無背索斜拉橋，其中主跨110m，左側(cè)邊跨為50m，右側(cè)邊跨為60m＋45m。主橋橋跨布置見圖1。

圖1 主橋橋跨布置圖 （單位：m）

3.2 主梁橫斷面布置

橋面上設(shè)雙向8車道公路和兩側(cè)人非混行道，斜拉索錨固區(qū)設(shè)在車道和人非混行道之間，橋面總寬度為45m（見圖2），具體分布為：0.25m欄桿＋3m人非混行道 ＋0.25m欄桿＋3m斜拉索錨固區(qū)＋0.5m防撞護欄＋0.5m 路緣帶＋（3×3.75 m＋3.5m）機動車道＋0.5m雙黃線＋（3.5m＋3×3.75m）機動車道＋0.5m路緣帶＋0.5m防撞護欄＋3m斜拉索錨固區(qū)＋0.25m欄桿＋3m人非混行道＋0.25m欄桿＝45m。

圖2 橋梁橫斷面布置圖 （單位：cm）

3.3 主梁

本橋斜拉橋主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，單箱6室結(jié)構(gòu)。主梁頂寬從標準的39m變化為有索區(qū)的43m，再到主塔處的45m3種，頂面設(shè)置雙向2%橫坡，底面保持水平。梁高最大為5.0m，最小為3.0m，梁高按圓曲線進行變化。全橋頂板厚0.26m，腹板厚0.5m，有索區(qū)外腹板厚1.25m。主跨底板厚從0.24m變化到0.5m，邊跨底板厚從0.3m 變化到0.5m，45m 邊跨底板厚0.3m。主跨箱梁兩側(cè)外腹板底部開槽作為斜拉索錨固區(qū)，斜拉索中心線橫橋向間距35m。主梁在斜拉索錨固處設(shè)有橫梁，間距8m，厚度為40cm。4，5，6號中墩墩頂橫梁厚度為200cm，3，7號邊墩墩頂橫梁厚度為140cm。主梁標準橫斷面圖見圖3。

圖3 主梁標準斷面布置圖 （單位：cm）

主梁采用縱、橫雙向預(yù)應(yīng)力體系。主梁縱向預(yù)應(yīng)力鋼束全部采用 Φj15.24鋼絞線，fpk＝1 860MPa，Ey＝195GPa，群錨錨具，錨下張拉控制應(yīng)力為σk＝1 395MPa，錨外張拉應(yīng)力不超過0.8 fpk。采用塑料波紋管成孔。主梁斜拉索錨固處橫梁及墩頂橫梁均設(shè)置有橫向預(yù)應(yīng)力，也采用φj15.24鋼絞線，fpk＝1 860MPa，Ey＝195 GPa，群錨錨具，錨下張拉控制應(yīng)力為σk＝1 395 MPa，錨外張拉應(yīng)力不超過0.8 fpk。采用塑料波紋管成孔。

3.4 主塔

主塔為獨柱式鋼筋混凝土斜塔，傾斜30°，橫向有2座主塔，相距35m。橋面以上塔高61.5 m。塔柱截面采用矩形空心截面。塔柱外形采用等截面布置，橫橋向?qū)?m，壁厚0.8m；縱橋向長6m，壁厚2m。

3.5 斜拉索

為斜拉索的安裝方便、快捷，本橋斜拉索采用高強鍍鋅平行鋼絲成品索，鋼絲極限抗拉強度為1 770MPa，呈豎琴型索面布置。全橋斜拉索共設(shè)8對，由1種規(guī)格組成，為PES109φ7；單根斜拉索最短為44.8m，最長為130.4m；單根斜拉索最輕為1.60t，最重為4.66t。斜拉索錨具采用冷鑄錨進行錨固，減振設(shè)備采用阻尼橡膠減振圈，斜拉索表面還采用了雙螺紋凸線抗風雨減振措施。

3.6 主橋下部結(jié)構(gòu)

主橋上部結(jié)構(gòu)采用單箱整幅預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，由于箱梁橫向較寬，橫向均設(shè)置4個支座，以滿足箱梁橫向受力要求。根據(jù)這一特點，主橋下部橋墩橫向采用4個獨柱式橋墩。由于橋址區(qū)溶洞比較發(fā)育，覆蓋土層的摩阻力不足以提供樁基的豎向承載力要求，采用端支承的嵌巖樁；樁長的確定根據(jù)以下2個原則：①滿足樁基嵌入基巖的深度至少為1倍樁徑，這不僅可以降低工程造價，而且不至于削弱溶洞頂板的承載能力；②樁底以下保證至少4倍樁徑厚度的無溶洞發(fā)育的連續(xù)完整巖體［1］。主塔墩結(jié)構(gòu)圖見圖4。

圖4 主塔橋墩結(jié)構(gòu)圖 （單位：cm）

5號墩（主塔墩）外側(cè)單個橋墩基礎(chǔ)采用4根直徑220cm鉆孔樁，內(nèi)側(cè)單個墩基礎(chǔ)采用4根直徑180cm鉆孔樁，承臺平面尺寸為860cm×860 cm，承臺厚均為350cm，樁長均為38m；墩柱平面尺寸為400cm×400cm。

4號墩（輔助墩）外側(cè)單個橋墩基礎(chǔ)采用4根直徑150cm鉆孔樁，內(nèi)側(cè)單個基礎(chǔ)采用4根直徑180cm鉆孔樁，樁長53m；承臺平面尺寸為660 cm×660cm，承臺厚度300cm；墩柱平面尺寸為300cm×300cm。

6號墩（輔助墩）單個墩基礎(chǔ)采用4根直徑120cm鉆孔樁，樁長35m；承臺平面尺寸為520 cm×520cm，承臺厚度200cm；墩柱平面尺寸為220cm×220cm。

3號墩（邊墩）單個墩基礎(chǔ)采用4根直徑120 cm鉆孔樁，樁長39m；承臺平面尺寸為520cm×520cm，承臺厚度200cm；墩柱平面尺寸為橫向170cm，縱向300cm，在墩頂正橋側(cè)設(shè)60cm高的臺階。

7號墩（邊墩）單個墩基礎(chǔ)采用4根直徑120 cm鉆孔樁，樁長33m；承臺平面尺寸為520cm×520cm，承臺厚度200cm；墩柱平面尺寸為橫向170cm，縱向320cm，在墩頂正橋側(cè)設(shè)60cm高的臺階。

4 主橋科技創(chuàng)新

4.1 國內(nèi)外首次采用支座體系寬幅多箱室混凝土主梁無背索斜拉橋

本橋應(yīng)業(yè)主景觀要求確定采用無背索斜拉橋方案［2］，為此查閱了國內(nèi)外已建較大跨無背索斜拉橋的相關(guān)資料，統(tǒng)計見表1。

表1 國內(nèi)外主跨100m以上的無背索斜拉橋統(tǒng)計表

由表1可見，以上橋梁主梁形式為鋼箱梁或鋼混結(jié)合梁，斜塔形式主要為混凝土填心的鋼塔，也有少量采用混凝土塔。本橋根據(jù)實際建橋條件，從經(jīng)濟、景觀、施工難度等多方面對主梁選型進行比選，因混凝土主梁造價經(jīng)濟，雖然原來沒有在無背索斜拉橋中采用過，加之本橋很寬，需采用寬幅多箱室結(jié)構(gòu)，其受力特性有待探究，最終還是決定采用混凝土主梁。

因為本橋很寬，在橫橋向需設(shè)置2個斜塔柱，布置于橋面8車道的外側(cè)，主塔外側(cè)再布置非機動車道和人行道。國內(nèi)已建成的無背索斜拉橋大都為橫橋向設(shè)置單個斜塔柱，斜塔柱和主梁及主梁下塔柱采用全固結(jié)體系。但本橋因為橫橋向有2個塔柱且橫向距離較大，加之主梁下塔柱較矮，主塔基礎(chǔ)為支撐于巖石的柱樁基礎(chǔ)，若采用全固結(jié)體系，根據(jù)橫向受力計算可知，由于橫向溫度及混凝土收縮徐變產(chǎn)生作用力較大，而不能滿足受力要求。因此本橋決定采用支座體系的無背索斜拉橋，斜塔與主梁固結(jié)，主梁與主塔墩通過支座連接，很好地解決了該橋的各種受力問題。

4.2 國內(nèi)首次采用主動施頂?shù)臒o背索斜拉橋斜塔施工新法

根據(jù)相王大橋主塔爬模走行施工方案，主塔第3節(jié)開始采用爬模澆筑施工［3］，單套爬模自重按32t計（已經(jīng)考慮施工臨時荷載），當主塔第4節(jié)混凝土澆筑后，爬模走行至第5節(jié)時根部外側(cè)拉應(yīng)力為1.10MPa，考慮施工期間安全儲備，拉應(yīng)力已接近設(shè)計拉應(yīng)力限值。

若主塔施工過程不進行任何主動控制措施，在第1根斜拉索（對單塔）M1張拉前，主塔將施工至第5節(jié)，考慮掛索方便，爬模將走行至澆筑第6節(jié)狀態(tài)，主塔根部外側(cè)拉應(yīng)力為1.84MPa，顯然不滿足施工安全需要。

為此，主塔在施工至第3節(jié)時應(yīng)對主塔進行主動控制（頂撐），即第4節(jié)主塔混凝土澆筑前，在第3節(jié)底部布設(shè)豎向支撐，并施加2 000kN頂推力（單塔）；第5節(jié)主塔混凝土澆筑前，在第3節(jié)頂部布設(shè)豎向支撐，并施加2 000kN頂推力（單塔）。

因此，本橋設(shè)計在國內(nèi)首次采用主動施頂?shù)拇胧﹣砼浜吓滥７ㄊ┕o背索斜拉橋的斜塔，取得了很好的效果。

5 結(jié)語

淮北相王大橋是我院首次將無背索斜拉橋運用于工程實踐，其科技含量高，可為今后修建類似橋梁起到很好的借鑒作用。同時該橋造價經(jīng)濟，取得了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。

本橋于2013年10月建成通車，其造型優(yōu)美，是淮北市的一個標志性建筑。

［1］萬志勇.巖溶地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)計［J］.公路，2005（8）：121－123.

［2］施新欣，阮 欣，石雪飛.無背索斜拉橋體系特點及關(guān)鍵問題初步分析［M］.長沙：中國土木工程學會全國橋梁學術(shù)會議論文集，2004：86－89.

［3］彭旺虎，邵旭東，李立峰，等.無背索斜拉橋的概念、設(shè)計與施工［J］.土木工程學報，2007（5）：101－104.