無(wú)背索斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工

吳太廣

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣東　廣州　510010）

無(wú)背索斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工

吳太廣

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州510010）

無(wú)背索斜拉橋是一種新型斜拉橋，其造型獨(dú)特，且極具視覺(jué)沖擊，適合于對(duì)景觀要求較高的城市橋梁。為了全面了解其結(jié)構(gòu)構(gòu)造、受力特點(diǎn)及動(dòng)力特性，以某無(wú)背索斜拉橋方案設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)介紹了主塔、主梁、拉索等主要構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過(guò)建立三維有限元模型，分析了其動(dòng)力特性與穩(wěn)定性。結(jié)果表明，一階失穩(wěn)模態(tài)為主塔側(cè)彎，其穩(wěn)定系數(shù)偏高，主塔截面仍有優(yōu)化空間。另外，分析了無(wú)背索斜拉橋的斜塔傾角及主梁截面形式選取等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，并介紹了無(wú)背索斜拉橋施工方法

無(wú)背索斜拉橋；斜塔體系；斜塔傾角；橋型研究；景觀橋

1　概述

自1992年第一座無(wú)背索斜拉橋在西班牙建成以來(lái)，無(wú)背索斜拉橋因其新穎獨(dú)特的造型及強(qiáng)烈的視覺(jué)沖擊效果，迅速成為城市景觀橋梁的優(yōu)勢(shì)橋型［1，2］。

在某跨江橋方案設(shè)計(jì)中，因通航及泄洪等要求，河道中不能立墩，需一跨跨越約70 m寬的河面，且橋所在位置為進(jìn)入市區(qū)的門(mén)戶，對(duì)景觀要求高。通過(guò)方案篩選，適合此處的橋型有普通梁式橋、下承式拱橋和無(wú)背索斜拉橋。通過(guò)綜合比選，推薦采用無(wú)背索斜拉橋。此橋型可成為城市標(biāo)志性建筑和城市名片，方案效果如圖1所示。

圖1　方案效果圖

2　總體布置

主橋?yàn)?0 m（輔助孔）+75 m（主跨）+20 m（邊跨）獨(dú)塔無(wú)背索斜拉橋，引橋上部結(jié)構(gòu)為3×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。

主橋采用塔、梁、墩固結(jié)體系，拉索成豎琴式布置，單索面布索；根部無(wú)索區(qū)段長(zhǎng)17 m，邊跨無(wú)索區(qū)段長(zhǎng)7 m；主梁上拉索間距為6 m，共9排，塔上拉索間距4 m，拉索水平傾角為25°；主塔水平傾角為58°，橋面以上部分塔高49.5 m。為方便行人上下橋，在塔根部設(shè)置一個(gè)高3 m、寬3 m的過(guò)人孔。主橋立面及橫斷面布置如圖2、圖3所示。

圖2　主橋立面布置圖（單位：cm）

圖3　主橋橫斷面布置圖（單位：cm）

3　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1主梁

（1）鋼脊骨梁

主梁采用鋼-混凝土組合脊骨梁的大懸臂主梁形式。脊骨梁主箱室采用3 800 mm（高）× 6 000 mm（寬）的帶倒角的矩形閉口單箱單室鋼箱梁，鋼箱壁厚t=28 mm。縱向加勁肋采用角鋼，厚度t=18 mm，間距500 mm。脊骨鋼箱梁內(nèi)橫隔板沿縱向每3 m設(shè)置一道，壁厚t=16 mm。鋼挑梁挑臂長(zhǎng)12 m，沿主橋縱向每3 m設(shè)置一道，鋼挑梁采用變截面鋼箱梁，截面寬500 mm，根部梁高2 000 mm，懸臂端梁高500 mm，鋼箱壁厚t=28 mm。

（2）橋面板

橋面板采用20 cm厚C50混凝土板，橋面板預(yù)制，現(xiàn)澆接頭。在鋼挑臂上設(shè)置剪力釘實(shí)現(xiàn)同橋面板的連接。現(xiàn)澆濕接縫寬35 cm，采用C60微膨脹鋼纖維混凝土，該方案采用預(yù)制橋面板可有效解決橋面板的收縮、徐變問(wèn)題。

3.2主塔

索塔采用單柱式預(yù)應(yīng)力混凝土箱型截面，截面的外輪廓尺寸為6 m×6 m矩形截面，壁厚50 cm。塔身傾斜通過(guò)拉索能自平衡主梁及橋面的恒載和部分活載，同時(shí)考慮在主塔截面根據(jù)受力情況布置豎向預(yù)應(yīng)力，來(lái)增加索塔的各不利工況下的抗彎能力。

主梁脊骨鋼箱梁伸入主塔根部，通過(guò)與埋置于塔根部的鋼板、預(yù)應(yīng)力拉桿等連接構(gòu)造實(shí)現(xiàn)固結(jié)。在塔根部設(shè)置預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁，根部梁高2.5 m，端部梁高0.8 m，邊跨20 m跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁同塔根部預(yù)應(yīng)力橫梁固結(jié)，從而減少主橋伸縮縫構(gòu)造，同時(shí)邊跨配重也起到平衡主跨主梁內(nèi)力的作用。

該方案人行道設(shè)置在橋面中間脊骨鋼箱梁頂，并在塔根部開(kāi)3 m×3 m的過(guò)人孔。

3.3斜拉索

斜拉索立面上采用豎琴式布置，僅在斜塔靠主跨一側(cè)布置，斜拉索在斜塔上的索距4.0 m，在主梁上的水平錨距為6.0 m。

斜拉索采用PESFD新型低應(yīng)力防腐拉索，HDPE外套，兩端采用冷鑄墩頭錨具。全橋共設(shè)置9對(duì)斜拉索。拉索水平傾角25°。采用139絲7 mm規(guī)格的預(yù)制成品索，抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 670 MPa。

斜拉索錨在斜塔中性軸上，這樣可最大程度減小塔身不平衡彎矩，使得拉索垂直塔身分量與塔身自重垂直分量平衡。沿塔身豎直分量可傳遞至拱腳以平衡拱肋傳遞到拱腳的水平力。

3.4下部結(jié)構(gòu)

主墩基礎(chǔ)采用9根直徑2.0 m鉆孔灌注樁配4.0 m厚整體式承臺(tái)，承臺(tái)平面尺寸12.0 m×12.0 m。

4　主橋結(jié)構(gòu)計(jì)算

為了保證設(shè)計(jì)方案的技術(shù)可行性，結(jié)構(gòu)總體布置和初擬尺寸的合理性。采用有限元程序進(jìn)行初步分析，分析中采用空間模型（見(jiàn)圖4）。拉索采用僅受拉桁架單元、主梁及斜塔采用空間梁?jiǎn)卧M。

圖4　結(jié)構(gòu)有限元模型

利用上節(jié)中建立的空間有限元模型進(jìn)行自振特性分析，結(jié)構(gòu)的前4階自振頻率及振型描述見(jiàn)表1。由于橋塔側(cè)向近似懸臂狀態(tài)，因此第一階振型表現(xiàn)為主塔側(cè)彎。另外，脊骨梁形成的橋面系縱向和橫向剛度都較小，因此橋面系也表現(xiàn)出較大柔性。

表1　兩種模型的動(dòng)力特性（前10階）

在自重+汽車(chē)荷載工況下，對(duì)模型進(jìn)行空間穩(wěn)定性分析，第一階分析結(jié)果見(jiàn)圖5。結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)的第一階失穩(wěn)模態(tài)表現(xiàn)為主塔側(cè)向失穩(wěn)與自振特性分析結(jié)果對(duì)應(yīng)，第一階穩(wěn)定系數(shù)為22.19，安全系數(shù)較大，可以滿足穩(wěn)定性要求，同時(shí)也表明主塔側(cè)向剛度偏大，主塔截面還有優(yōu)化空間，后續(xù)設(shè)計(jì)階段可繼續(xù)優(yōu)化，降低造價(jià)。

5　關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

無(wú)背索斜拉橋結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，橋塔與主梁通過(guò)單側(cè)拉索形成平衡系統(tǒng)。橋塔的傾角及主梁截面形式等都是關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，合理地選取這些參數(shù)，可以改善橋塔與主梁受力，提高結(jié)構(gòu)安全性，降低造價(jià)。

圖5　結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)模態(tài)

（1）塔、梁的平衡關(guān)系以及斜塔的合理傾角確定［3，4］

無(wú)背索斜拉橋獨(dú)特的造型使其在受力性能上與常規(guī)斜拉橋有很大的差別，典型特征是需要利用索塔的重量來(lái)平衡主梁上的荷載。設(shè)計(jì)中取主梁和二期恒自重加上活載的一半來(lái)與塔重平衡。

拉索和斜塔采用不同的傾角，將改變無(wú)背索斜拉橋的受力性能、施工難易程度和造價(jià)。橋塔傾角宜在對(duì)拉索和橋塔造價(jià)變化較小的范圍內(nèi)選擇較大值，以利于控制塔身自重偏差對(duì)結(jié)構(gòu)受力的不利影響，而且較大的傾角也有利于減小塔身施工的難度。綜合計(jì)算表明，傾角擬定為56°～60°較合理。本方案采用58°塔水平傾角。

（2）主梁截面型式［5］

無(wú)背索斜拉橋不同于常規(guī)的直塔斜拉橋，拉索在梁內(nèi)的水平分力在塔的根部可以相互平衡，尤其在塔墩梁固接點(diǎn)部位，要承受來(lái)自主梁巨大的軸力、剪力、彎矩及扭矩共同作用，受力情況較復(fù)雜。主梁采用脊骨梁形式的主要目的是為了使主梁軸力在塔的根部使索塔與脊骨直接相抵，即與塔的水平分力平衡。

另外，大懸臂翼緣板布置于主梁中性軸附近，主要考慮此處應(yīng)力幅值最小，混凝土橋面板僅起到承受軸力的作用，于結(jié)構(gòu)受力有利。

6　施工方法

該方案主橋施工方法如下：采用“先梁后塔”的施工工序［3］。

第一步：（1）在工廠預(yù)制好鋼主梁；（2）施工樁基、承臺(tái)和橋墩；（3）在河中央打設(shè)鋼管樁臨時(shí)墩；（4）現(xiàn)場(chǎng)施工塔梁固結(jié)塊及與之相連的預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁和邊跨，并預(yù)埋鋼主梁與塔墩的連接件。

第二步：（1）鋼主梁吊裝、拼裝施工；（2）待鋼主梁拼裝施工到位后，焊接成整體。

第三步：（1）現(xiàn)澆1#拉索區(qū)域內(nèi)索塔，并張拉索塔內(nèi)預(yù)應(yīng)力；（2）從橋塔根部開(kāi)始吊裝1#拉索區(qū)域內(nèi)混凝土橋面板（預(yù)制板）；（3）張拉1#索至設(shè)計(jì)噸位。

第四步：（1）余下索塔和拉索依次依照1#索施工順序施工直至全部索塔、拉索和橋面板施工完畢：（2）拆除臨時(shí)墩；（3）依次補(bǔ)張拉部分前期索至設(shè)計(jì)噸位。

第五步：（1）輔助孔施工：（2）拆除全部支架；（3）人行道、防撞墩等附屬工程施工；（4）對(duì)全橋鋼構(gòu)件和斜拉索采取必要的防護(hù)措施；（5）全橋橋面鋪裝施工，投入營(yíng)運(yùn)。

7　結(jié)語(yǔ)

無(wú)背索斜拉橋不同于常規(guī)斜拉橋，單側(cè)拉索與傾斜的主塔形成一面鮮明的“旗幟”，造型優(yōu)美，寓意深遠(yuǎn)，用于對(duì)景觀有特殊要求的城市門(mén)戶橋梁比較合適。無(wú)背索斜拉橋其受力系統(tǒng)也相比常規(guī)斜拉橋更復(fù)雜，特別是橋的穩(wěn)定性尤為重要。本文通過(guò)建立空間有限元模型，分析了此橋的動(dòng)力特性及穩(wěn)定性。結(jié)果表明，該方案穩(wěn)定性較高，可滿足使用安全性要求，并提出可適當(dāng)優(yōu)化主塔截面降低造價(jià)。

無(wú)背索斜拉橋關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題主要為主塔傾角及主梁形式確定，通過(guò)分析比較，主塔傾角取58°比較合理，主梁采用脊骨梁，使主梁因拉索產(chǎn)生的巨大軸力與主塔根部水平分析平衡。另外，該方案施工采用“先梁后塔”的施工工序，主梁一次施工成型后，開(kāi)始分段施工橋塔并張拉對(duì)應(yīng)區(qū)域鋼束。

［1］邵旭東，陳愛(ài)軍，李立峰.？？長(zhǎng)沙市洪水大橋的創(chuàng)新設(shè)計(jì)［J］.中外公路，2005（4）:68-71.

［2］陳愛(ài)軍，邵旭東.無(wú)背索豎琴式斜拉橋混凝土斜塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究［J］.公路，2006（8）:62-67.

［3］彭旺虎，邵旭東，李力峰，等.無(wú)背索斜拉橋的概念、設(shè)計(jì)與施工［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2007（5）:26-33.

［4］郭金英，張育智.無(wú)背索斜拉橋關(guān)鍵參數(shù)分析［J］.公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2013（3）:175-178.

［5］高紅帥.既有無(wú)背索斜拉橋索力調(diào)整與內(nèi)力分析 ［D］.哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2014.

U448.27

B

1009-7716（2016）07-0160-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.046

2016-04-07

吳太廣（1984-），男，湖南岳陽(yáng)人，碩士，工程師，從事橋梁隧道設(shè)計(jì)工作。