寬體矮塔斜拉橋設計與計算

賈 棟，王建光，黃 蜂

（濟南市市政工程設計研究院（集團）有限責任公司，山東　濟南 250101）

寬體矮塔斜拉橋設計與計算

賈 棟，王建光，黃 蜂

（濟南市市政工程設計研究院（集團）有限責任公司，山東濟南 250101）

矮塔斜拉橋以其優美的造型及良好的經濟指標，在我國城市橋梁建設中存在廣闊的發展空間。以泰安徂徠山汶河景區泮河大橋為背景，講述了寬體矮塔斜拉橋設計及計算的經驗，有關經驗可供相關專業人員參考。

矮塔斜拉橋；寬體橋梁；箱梁設計；索塔設計；斜拉索設計

1　矮塔斜拉橋的概念及特點

矮塔斜拉橋，也稱部分斜拉橋，是介于預應力箱梁橋與斜拉橋之間的橋梁形式。設計理念由預應力箱梁結構發展而來，相當于設置體外束的預應力箱梁橋，由于預應力束偏心量的增大，可以有效減小箱梁截面高度和結構自重；矮塔斜拉橋斜拉索豎向荷載分配率較低，應力變化幅度小，根據對已建矮塔斜拉橋的調查，斜拉索豎向荷載分配率約為30%，應力變化幅度約為50 M Pa，容許應力標準可采用0.6 fpa，與斜拉橋斜拉索容許應力0.4 fpa相比，矮塔斜拉橋斜拉索的應用效率較高。

2　國內外發展現狀

世界上最早的矮塔斜拉橋是日本于1994年建成的小田原港橋，隨后矮塔斜拉橋在日本、韓國及歐洲均取得了穩步發展。

2001年建成的漳州戰備大橋被認為是我國第一座矮塔斜拉橋，隨后矮塔斜拉橋在我國發展較快，截止2015年，已建和在建的矮塔斜拉橋達到上百座，但多數為公路橋梁。近幾年，隨著對城市橋梁標志性和景觀性要求不斷提高，各種橋型在城市橋梁中均得到了應用、發展。但城市橋梁多數跨徑不大，對于跨徑200 m以下的橋梁，斜拉橋方案經濟性較差；矮塔斜拉橋以其優美的造型及良好的經濟指標，在我國城市橋梁建設中存在廣闊的發展空間。

3　項目背景

本文以泰安徂徠山汶河景區泮河大橋為背景。橋梁經多方案比選，選定矮塔斜拉橋方案，跨徑布置40 m+65 m+65 m+40 m；橋寬44.5 m，中間22.5 m為機非混行車道，兩側各2.5 m設施帶，8.1 m人行道，0.4 m欄桿基座，橋面寬度大，為寬體矮塔斜拉橋；斜拉索布置采用六塔四索面形式，見圖1、圖2。

圖1　橋梁立面圖（單位：m）

圖2　橋梁橫斷面圖（單位：m）

4　結構設計

橋梁采用塔梁固結，梁墩分離，梁底設置支座的結構形式；泮河非洪水期，流量不大，存在引流條件，施工方案采用滿堂支架施工。

4.1箱梁設計

箱梁頂寬44.5 m，采用雙箱四室結構形式，梁高2 m；單箱底寬15.5 m，兩箱凈距9.5 m，箱梁外側懸臂寬2 m；邊腹板厚45 cm，中腹板厚80 cm。

中橫梁寬3 m；端橫梁寬1.75 m；對應斜拉索錨固位置設置多道橫隔梁，厚0.5 m，間距5～5.5 m。

主梁中跨跨中設置合攏段，合攏段長7m。

4.2索塔設計

全橋共設置6根索塔，其中中塔2根，高18 m，順橋向寬3 m，橫橋向寬1.5 m；邊塔4根，塔高12.25 m，順橋向寬2.5 m，橫橋向寬1.5 m。

4.3斜拉索設計

（1）塔端布置：每根索塔布置8根斜拉索，雙索面布置。斜拉索塔端穿過分絲管式索鞍，通過抗滑錨固裝置固定，中塔豎向錨固間距為2 m，邊塔豎向錨固間距為1 m。

（2）梁端布置：斜拉索梁端為張拉端，錨固于橫隔板與中腹板相交位置，縱向間距為5 m。

5　結構計算

5.1計算過程

為節約時間，減小工作量，通常在調索、配束階段建立單梁模型進行分析。調索、配束完成后，建立空間模型進行復核。單梁模型分析過程如下：

（1）初始平衡狀態（成橋階段）確定

已建矮塔斜拉橋斜拉索豎向荷載分配率約為30%，通常以此為原則，確定斜拉索成橋索力及選定拉索類型，建立成橋模型，見圖3。

圖3　成橋計算模型

（2）成橋作用效應組合分析

成橋狀態，考慮各種可變作用，完成主梁配束及驗算斜拉索最大使用索力、應力幅。斜拉索最大使用索力不應超過0.6 fpa，應力變化幅度建議不大于50 M Pa。

泮河大橋斜拉索計算結果見表1。

（3）全橋正裝分析

依據施工工序，建立全橋正裝分析模型。以擬定的成橋索力為目標，采用《M i das Ci vi l2012》未知荷載系數工具求解斜拉索初始張拉索力。泮河大橋采用此方法求解結果做正裝分析后，成橋索力及主梁內力與擬定成橋目標狀態一致。

5.2箱梁計算

箱梁縱向計算、橫梁計算與預應力連續箱梁計算方法相同，不再敘述。本文主要講述索區橫隔梁的計算方法，包括橫隔梁計算斷面的確定，邊界條件的確定，恒荷載的加載方式及活荷載的加載方式。

表1　泮河大橋斜拉索計算表

（1）橫隔梁計算斷面及邊界條件的確定

橫隔梁計算斷面考慮翼緣有效寬度，bf=b+ 12hf=3.5 m；拉索錨固位置設置支承點，見圖4、圖5。

圖4　橫隔梁立面圖（單位：cm）

圖5　橫隔梁斷面圖（單位：cm）

（2）恒荷載的加載方式

索區橫隔板承擔的恒荷載總和為恒載狀態下拉索索力豎向分力Fn，模型中施加的荷載總和F= Fn-G，G為橫隔板自重。參照文獻［5］，荷載加載方式采用修正的腹板剪力法，即恒荷載F的85%由腹板承擔，15%按均布力施加與腹板之間。各腹板荷載分配采用均分方式，按集中力加載。

（3）活荷載的加載方式

泮河大橋活荷載包括汽車荷載及人群荷載。

汽車荷載：取縱向計算模型單車道車輛荷載引起的橫隔板處斜拉索索力之和作為橫隔板單車道荷載，在車行道范圍內根據實際車道數采用橫向加載方式布載。

人群荷載：取縱向計算模型人群荷載引起的橫隔板處斜拉索索力之和作為橫隔板人群荷載，在人行道范圍內采用橫向加載方式布載。

5.3索塔計算

索塔為小偏心受壓構件，主要計算內容包括索塔強度驗算及索塔穩定驗算。泮河大橋索塔穩定性驗算采用《M i das Ci vi l2012》屈曲分析功能分別驗算了移動荷載臨界荷載系數及風荷載臨界荷載系數。

6　結論

（1）矮塔斜拉橋造型優美，且經濟指標較低，泮河大橋造價約0.6萬元/m2，矮塔斜拉橋在城市橋梁建設中存在廣闊的發展空間。

（2）矮塔斜拉可應用于寬體橋梁結構。為有效控制扭轉應力，寬體矮塔斜拉橋橫橋向建議采用多塔多索面形式；考慮橫隔梁受力及減輕箱梁自重需要，箱梁建議對應斜拉索索面采用多箱結構形式。

［1］嚴國敏.試談“部分斜拉橋”-日本屋代南橋、屋代北橋、小田原港橋［J］.國外橋梁，1996（1）:47-50.

［2］于永強，李敏，陳亨錦.漳州戰備大橋主橋設計［J］.橋梁建設，2002（1）: 5-7.

［3］張宏偉，鄭海東，鄭一峰.部分斜拉橋構造設計［J］.公路，2005（5）: 52-56.

［4］盧春剛，楊冬春.部分斜拉橋拉索區橫梁計算方法討論［J］.工程與建設，2012，26（5）:627-630.

［5］周昭慧.配筋混凝土寬箱梁橋預應力橫梁計算方法［J］.山西建筑，2007，33（5）:357-339.

圖7　第三施工階段示意圖

6　結語

本文從橋型方案構思，結構尺寸的擬定到結構計算，施工方案，對一座由中小跨徑組成的不等跨連拱拱橋做了比較全面的介紹和分析。該類橋設計的關鍵點在于確保墩臺從施工到成橋運營整個過程中的縱向穩定性，在設計中應根據橋墩的縱向推力及彎矩，結構設計上以三五孔為一聯。聯與聯之間必須設置抗推墩，并計算抗推墩在單向推力作用下，橋墩的縱向穩定性，確?？v向位移不超過規范允許值。本文通過對拱圈承載能力，橋墩的穩定性進行校核計算，驗證了方案的合理性，為后續該類橋型的設計提供參考依據。

參考文獻：

［1］趙崇臣，胡達和.考慮樁土共同作用的連續拱橋計算［J］.市政技術，2006，（3）:91-94.

［2］王國鼎.拱橋連拱計算（第三版）［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［3］JTG D63—2007，公路橋涵地基與基礎設計規范［S］.

U448.27

B

1009-7716（2016）09-0132-03

2016-06-13

賈棟（1982-），男，山東濱州人，工程師，從事路橋設計工作。