曹妃甸通港互通立交無背索斜拉橋設計

葉國勇,潘細宏

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司,陜西西安 710064)

曹妃甸通港互通立交無背索斜拉橋設計

葉國勇,潘細宏

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司,陜西西安 710064)

唐曹高速公路通港互通立交為一座獨塔單索面無背索斜拉橋,橋梁全長120 m,跨徑組合(47+73)m,全寬34 m,主梁、塔、墩均采用全混凝土結構。針對該橋特點,其設計在結構處理方面與以往無背索斜拉橋均不同,首次采用塔梁分離,梁墩固結結構形式,并且主梁結構采用分幅式箱梁,受力簡單,施工方便,避免了整體式寬橋的一些弊病。介紹該橋結構處理及受力特點,并介紹其結構計算。

互通立交;無背索斜拉橋;塔梁分離;墩梁固結

0 引言

無背索斜拉是對常規斜拉橋造型的突破,無背索后傾的塔身形狀表現出對相對纖細的橋面強大穩固支撐的力量感,十分醒目,能給人深刻的印象,因此自1992年西班牙塞維利亞建成世界上第一座無背索斜拉橋Alamillo橋以來,其發展勢頭不斷擴大， 并在后續短短的十幾年里， 世界各國相繼建成無背索斜拉橋20余座,其中中國已建成的有長沙洪山大橋、合肥銅陵路橋、哈爾濱太陽橋，常州市常金大橋，長春市輕軌工程伊通河橋等。

與常規斜拉橋不同,無背索斜拉橋橋塔僅有單側索,橋塔的受力表現為在斜拉索索力及自身重力作用下的懸臂梁。為確保主塔處于良好的受力狀態,無背索斜拉橋的塔身一般都設計成傾斜的,依靠塔身的自重力矩來平衡斜拉索的傾覆力矩,因此組成了梁塔結構的平衡體系。

曹妃甸通港互通無背索斜拉橋是一座單塔雙索面預應力混凝土斜拉橋,設計采用塔梁分離,墩梁固結,主塔位于兩分離式箱梁中間,主塔及主梁均采用預應力混凝土結構,此種設計在國內尚屬首次。本文簡要介紹其構造處理及受力特點,為今后此類橋梁設計提供一定借鑒與參考。

1 工程背景

唐曹高速公路與濕地旅游公路交叉設置通港互通,該互通為唐海縣及首鋼住宅區出行車輛上下高速公路提供服務,并通往渤海國際會展中心。橋型方案經過綜合景觀及使用綜合考慮,選定為無背索豎琴式斜拉橋方案,主橋跨徑組合為(47+73)m,塔梁相交處樁號為K61+438.000。主塔采用群樁組合式基礎，橋臺采用肋式臺，采用鉆孔灌注樁基礎,設計采用1.3倍公路I級,全寬0.5 m (護欄)+15.0 m(車行道)+0.5 m(護欄)+2.0 m(分隔帶)+ 0.5 m(護欄)+15.0 m(車行道)+0.5 m(護欄)=34 m。

2 橋型及構造

2.1 橋型

由于全混凝土結構相對于全鋼結構、鋼混凝土疊合梁結構具有造價低、剛度大、后期養護少等優點,本次設計采用全混凝土結構即主橋結構形式采用斜塔扇式單塔雙索面無背索預應力混凝土斜拉橋。

以往類似橋梁國內外均采用整體式設計,塔梁固結,但鑒于該橋橋面寬度較大,若采用以往的整體式設計,施工難度較大,尤其是0號塊墩塔梁固結處約束較多,受力復雜,因此此次設計時將主梁采用左右幅分離設計,在有索區由拉索處橫梁將左右幅主梁連成整體,主梁0號塊現澆段采用變截面T構形式,其它現澆段采用等截面形式,這樣設計可以克服寬體橋施工困難以及主梁橋面板裂縫問題,使受力更加明確,也避免了采用整體橋面導致中央分隔帶箱梁梁體的浪費,節約了工程成本。圖1為橋型總體布置。

2.2 受力體系

塔與梁采用分離式,梁墩采用固結體系，橋臺處設盆式橡膠支座,見圖2。

主梁所受的荷載由自身(體內預應力)及索力共同承擔,通過合理的配束及合適的索力可使主梁滿足全壓狀態工作。

圖1 橋型總體布置(單位:cm)

無背索斜拉橋主塔通過自身一定的傾斜來抵消斜拉索帶來的不平均彎矩,再配合索塔內預應力的作用,可致使主塔處于全壓狀態。

主墩受到主梁所產生的不平衡彎矩及索力的水平分力,由于主梁產生的彎矩和索力所產生的水平力對主墩產生的彎矩方向相反,合理的索力可以使主墩受力合理均勻。

此方案采用的分離式相對于以往的整體式同類橋梁,斜拉索會對每側箱梁產生橫向彎矩,但由于箱梁寬度較大,橫向剛度大,經過分析其影響甚微,基本不會影響結構的安全。

2.3 主梁構造及施工注意事項

主梁采用箱型分離式斷面，箱體混凝土分段澆筑；支點梁高4 m，跨中梁高度2.2 m，翼緣懸臂3 m；主梁在15 m范圍內按直線由4變到2.2,底板厚由65 cm變到25 cm,箱梁頂板厚度均為25 cm;等高梁段底板厚度為25 cm,翼緣板厚度為18 cm;在等截面處邊跨邊腹板厚度為65 cm、中跨處邊腹板厚度為50 cm,在變截面處變為65 cm;中腹板厚度為35 cm;0號塊邊腹板變為80 cm,中腹板變為60 cm。箱梁挑臂長度為3.0 m,底板寬度為10 m。在箱梁中央分隔帶2 m寬位置設置雙排斜拉索,拉索在橫梁間距100 cm,斜拉索錨固處設有標準橫梁,拉索錨固區橫梁寬80 cm,梁內拉索處橫梁厚度為35 cm,間距為5 m。塔梁固接處橫梁厚100 cm,端橫梁厚度為150 cm。主梁按全預應力混凝土構件設計;滿堂支架現澆施工法。

圖2 索塔主梁固結形式(單位:cm)

2.4 主塔構造及施工注意事項

主塔呈斜A形，自橋面至塔頂高38.2 m，塔頂設裝飾區并設避雷針。主塔設置在綠化帶中央,主塔與主梁之間由拉索建立聯系,主塔采用變截面預應力混凝土結構。在橋面以上,主塔橫橋向寬度260 cm不變,橋面以下加寬到500 cm。上部橫斷面尺寸為2.6 m×3 m,下部橫斷面尺寸為2.6 m× 6.8 m,根部橫斷面尺寸為5 m×8.89 m,塔中心與地面傾斜角度為75°,主塔豎向預應力采用24根15—19鋼絞線。為施工方便,主塔內配有鋼骨架，索塔上部施工采用在地面上主塔承臺位置以及部分地面搭設支架,地面上主塔必須進行預壓,支架與主塔接觸面必須良好,保證限制主塔在施工時由于恒載產生內力及變形,索塔不設預拱度。圖3為索塔一般構造。

由于塔柱向外傾斜,在施工中要防止塔根部內側因受拉而開裂,同時要克服模板和混凝土在重力作用下的傾覆力矩,還要防傾斜,減少水平力的影響,因而采取在無背索面設置主動支撐,克服塔柱施工過程中因自重和施工荷載而引起的應力和位移。

圖3 索塔一般構造(單位:cm)

2.5 斜拉索及施工注意事項

斜拉索采用Φ7平行鋼絲,斜拉索外包PE防護,索面為扇型布置,在梁上從距橋頭9.3 m處開始,每隔5 m設置一根,塔上索距1.5 m,共設7根。斜拉索采用鍍鋅平行鋼絲拉索體系，每根斜拉索設減震器，下端3 m外包不銹鋼管,塔頂放置不銹鋼球,在鋼球上設置避雷針,在上塔柱頂部放置3根不銹鋼管琴把(最好為黑色)。索塔似一把豎琴,造型美觀,能與景區周圍環境相協調。

3 結構計算

由于該橋設計采用雙幅分離式設計,受力明確,尤其是0號塊,邊界條件清晰,因此采用整理桿系分析即可滿足設計要求。

本次設計計算分析采用Midas civil進行模擬, 116個梁單元(模擬主梁及墩塔),14個桁架單元(模擬拉索)。圖4為計算模型。

圖4 計算模型

3.1 混凝土構件應力計算

該橋混凝土主體結構均按照全預應力構件考慮,設計時考慮在施工及各種不利組合下均不產生拉應力,且有一定的安全儲備。

在成橋狀態下(正為壓應力,負為拉應力):主塔最小正應力0.5 MPa,最大正應力11.3 MPa;主梁最小正應力2.7 MPa,最大正應力11.1 MPa;主墩最小正應力2.8 MPa,最大正應力3.1 MPa。在最不利短期荷載效應組合下(正為壓應力,負為拉應力):主塔最小正應力0.4 MPa,最大正應力11.5 MPa;主梁最小正應力1.0 MPa,最大正應力11.2 MPa;主墩最小正應力2.1 MPa,最大正應力3.2 MPa。所有混凝土構件均為出現拉應力滿足全預應力構件要求。

3.2 主梁剛度計算

主梁在活載下最大變形12.8 mm,僅為主跨的1/5 703，結構剛度較大,行車舒適性好。圖5為主梁變形圖。

圖5 主梁變形圖

3.3 斜拉索應力計算

在最不利荷載下斜拉索最大拉應力為328 MPa,為最短內側索,因此索的安全系數為5,安全系數較高。

4 結語

盡管該橋跨徑不大,但橋寬34 m,如采用整體式設計,不僅受力復雜,施工難度大,線形也不好控制,橋面板裂縫難以有效克服。基于以上原因,該橋采用塔梁分離、左右分幅結構設計,克服了以往設計這類橋均采用整體式結構所帶來的一系列的缺點,受力簡單,施工容易,主梁可以左右幅分開施工,且造型優美,不失為寬體斜拉橋設計的一種好方法。

該橋整個施工過程順利,目前已建成通車,且運行狀態良好。

U448.27

B

1009-7716(2015)03-0057-04

2014-12-01

葉國勇(1984-),男,安徽懷寧人,工程師,從事橋梁設計工作。