某轉(zhuǎn)體施工獨(dú)塔混合梁斜拉橋設(shè)計(jì)與創(chuàng)新

支燕武

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津市 300251）

1 工程概況

本項(xiàng)目為某市政道路上跨鐵路站場工程，道路與鐵路接近正交。主橋結(jié)構(gòu)形式采用獨(dú)塔單索面混合梁斜拉橋，橋長255 m，寬32 m（含4 m索區(qū)），跨徑布置為90 m+165 m，支承體系采用塔-梁-墩全固結(jié)體系。橋梁為整體單幅橋，橫斷面布置為：0.75 m排水槽+0.5 m防撞護(hù)欄+2m緊急停車帶+10.75m機(jī)動車道（3.5m×2+3.25m+0.5m）+4 m塔區(qū)+10.75 m機(jī)動車道（3.5 m×2+3.25 m+0.5 m）+2 m緊急停車帶+0.5 m防撞護(hù)欄+0.75 m排水槽，總寬32 m。為減少施工期間對鐵路運(yùn)營安全的影響，主橋采用轉(zhuǎn)體法施工。主橋立面及橫斷面布置分別見圖1~圖3。

圖1 主橋立面布置（單位：m）

圖2 主橋橫斷面布置（索塔位置）（單位：m）

圖3 主橋1/2橫斷面圖（主跨跨中）（單位：mm）

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級：城市主干道。

（2）設(shè)計(jì)車速：60 km/h。

（3）橋梁設(shè)計(jì)荷載：跨鐵路孔1.3×城A級。

（4）橋梁安全等級：一級，重要性系數(shù)1.1。

（5）橋梁設(shè)計(jì)環(huán)境類別：Ⅱ類。

（6）橋區(qū)抗震設(shè)防烈度：6度，地震動峰值加速度0.05 g。

3 橋梁方案設(shè)計(jì)

隨著城市建設(shè)日新月異，對橋梁景觀文化內(nèi)涵的要求也與日俱增。該項(xiàng)目作為城市主干道上跨鐵路橋梁，除滿足基本交通要求、鐵路限界要求以外，還應(yīng)契合地域特征，使之成為傳承歷史文脈的載體和宣揚(yáng)城市特色的地標(biāo)性建筑。橋梁位于城市中軸線之上，在此線位之上已有一座象征太陽的旭日斜拉橋，因此該橋選用獨(dú)塔斜拉橋方案，月亮造型放置于索塔塔頂，與旭日橋形成“日月同輝”的呼應(yīng)效果。橋塔刻意規(guī)避了常規(guī)斜拉橋橋塔的呆板、生硬感受，使建筑與環(huán)境和諧共處，展現(xiàn)了橋梁結(jié)構(gòu)的地標(biāo)性和建筑美，見圖4。

圖4 橋梁夜景效果圖

4 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1-6]

4.1 上部結(jié)構(gòu)

上部結(jié)構(gòu)主梁采用混合梁結(jié)構(gòu)，主跨采用鋼箱梁，邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，在鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)連接處采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)連接。設(shè)計(jì)中心線處梁高為3 m，梁頂設(shè)1.5%的雙向坡，梁底水平，其中：

（1）鋼箱梁

采用正交異性板扁平流線形封閉鋼箱梁，總長153.42 m，全寬32.6 m，橋梁中心線處梁高3 m，鋼箱梁鋼結(jié)構(gòu)采用Q345qE，局部受力較大區(qū)段采用Q390qE。標(biāo)準(zhǔn)段頂板厚16 mm，除局部范圍內(nèi)采用板式加勁外，其余均采用U型加勁肋加勁。標(biāo)準(zhǔn)段底板厚14 mm，除局部范圍內(nèi)采用板式加勁外，其余段均采用U型加勁肋加勁。全橋共設(shè)置8道腹板，其中錨腹板厚25 mm，標(biāo)準(zhǔn)段中腹板厚14 mm，并設(shè)置縱向及橫向加勁肋。橫隔板一般段厚度均為14 mm，拉索對應(yīng)位置加強(qiáng)到20 mm，中支點(diǎn)、邊支點(diǎn)位置加強(qiáng)到28 mm。橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距為3 m，橫隔板需設(shè)置自身的縱、橫向加勁。

（2）預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁采用等截面預(yù)應(yīng)力箱梁，總長101.45 m，采用單箱七室構(gòu)造，中心線處梁高3 m，采用C50混凝土。頂板厚0.3~0.6 m，底板厚0.25~0.6 m，腹板厚40~90 cm。墩位處及拉索區(qū)均設(shè)置橫梁，橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。

（3）鋼-混凝土結(jié)合段

本橋結(jié)合段采用部分截面連接承壓傳剪式，通過鋼梁端部40 mm厚承壓板將鋼梁端部的力傳遞給混凝土梁。過渡段鋼箱梁將頂、底板加厚至25 mm、腹板加厚至20 mm，并且頂、底板、腹板伸入鋼混結(jié)合段2.25 m。采用“U”肋上加焊“T”肋方式進(jìn)行加勁，通過“T”肋高度的改變，逐漸變化至與鋼混結(jié)合段混凝土頂、底板相匹配，以保證傳力連續(xù)性。在頂?shù)装濉⒊袎喊迳喜贾脠A柱鐓頭剪力釘外，還在鋼箱梁頂?shù)装迳霞雍?PBL傳剪板埋入混凝土內(nèi)，與焊釘共同起到傳遞剪力的作用。PBL剪力板作為主要連接件，其上開有Ф60 mm的圓孔，貫穿Ф20 mm的鋼筋。結(jié)合段預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線方法，混凝土梁縱向預(yù)應(yīng)力通過承壓板分別錨固在端承壓板上，增加結(jié)合段的整體性。

4.2 索塔

計(jì)入塔頂裝飾部分索塔全高100 m，塔頂圓形裝飾采用鋼結(jié)構(gòu)，塔身采用混凝土結(jié)構(gòu)，連接部位采用鋼-混凝土結(jié)合段。

混凝土部分塔高75.5 m，采用部分變截面設(shè)計(jì)。其中塔腳截面尺寸為4 m×8 m，順橋向?qū)挾? m，橫橋向?qū)挾扔? m過渡到3 m，采用空心截面；30 m以上部分采用等截面設(shè)計(jì)，塔腳截面尺寸為3 m×8m，順橋向?qū)挾? m，橫橋向?qū)挾葹? m，采用實(shí)心截面。混凝土材料標(biāo)號為C50。混凝土塔施工工藝采用爬模分段澆注施工，因此需搭設(shè)勁性骨架作為模板支撐，勁性骨架也可提高混凝土的整體性能。

塔頂部分及月亮造型裝飾采用鋼結(jié)構(gòu)，塔頂部分采用手型塔設(shè)計(jì)，該部位高3.5 m，底部截面尺寸為 4 m×8 m，采用板肋進(jìn)行加勁。月亮型造型直徑18 m，底部伸入手型塔頂。鋼-混凝土結(jié)合段亦是主塔設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位，長度為2.7 m，采用常見的全截面連接承壓傳剪式，通過塔頂部的超厚承壓板將塔頂部的力傳遞給混凝土塔身，承壓板采用30 mm厚鋼板。過渡段塔壁加厚至20 mm、腹板加厚至16 mm。在側(cè)板上布置圓柱鐓頭剪力釘外，還在塔頂結(jié)合段設(shè)置一定數(shù)量的預(yù)應(yīng)力鋼棒，使結(jié)合段受力均勻過渡。

4.3 斜拉索及錨固體系

本橋斜拉索采用單索面雙排索布置。塔上斜拉索與主塔交點(diǎn)在豎直方向間距約為4 m，主梁上水平方向索距約為12 m（鋼梁段）及6 m(預(yù)應(yīng)力混凝土梁段)。全橋共有斜拉索24對、共48根。斜拉索采用單層PE防護(hù)單絲涂覆環(huán)氧涂層鋼絞線斜拉索體系，單根鋼絞線直徑15.2 mm，公稱抗拉強(qiáng)度1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105 MPa。斜拉 索 規(guī) 格 為 分 別 為 31-Φs15.2、37-Φs15.2、39-Φs15.2、43-Φs15.2、47-Φs15.2 和 55-Φs15.2，采用鋼絞線拉索群錨體系。每套斜拉索應(yīng)為包含拉索及兩端錨頭、螺母、減震器、抗滑鍵配套系統(tǒng)、保護(hù)罩和防水罩的成套制品。外層防護(hù)采用雙層雙螺旋線HDPE護(hù)套，護(hù)套采用高耐久性的HDPE材料制作加工，雙螺旋線是在光面護(hù)套的基礎(chǔ)上加工出雙螺旋線，其外壁凸起的肋條可有效阻止雨水在風(fēng)的作用下在護(hù)套表面形成水線，從而有效降低或阻止因風(fēng)雨激振對拉索造成的不良振動，具有良好的抗風(fēng)雨激振性能。

拉索與鋼箱梁的連接采用鋼錨箱構(gòu)造形式，錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)主要由一塊承壓板、一塊錨墊板與兩塊承剪板組成。每塊承壓板的外側(cè)各設(shè)有加勁板，兩承剪板之間設(shè)置兩塊U形加勁板。拉索在混凝土梁上設(shè)置錨塊進(jìn)行錨固。斜拉索在塔上的錨固方式采用鋼絞線在塔上通過集束鋼管貫通（索鞍）錨固方式。

4.4 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)

轉(zhuǎn)體系統(tǒng)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)體下盤、球鉸、上轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)動牽引系統(tǒng)組成。

（1）轉(zhuǎn)體下盤。下盤為支承轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)全部重量的基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)體完成后，與上轉(zhuǎn)盤共同形成基礎(chǔ)。下轉(zhuǎn)盤采用C50混凝土。下轉(zhuǎn)盤上設(shè)置轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)體支座、保險(xiǎn)撐腳環(huán)形滑道及轉(zhuǎn)體拽拉千斤頂反力座等。

（2）轉(zhuǎn)體支座。本次設(shè)計(jì)采用300 000 kN的轉(zhuǎn)體支座，直徑為Φ4 750 mm，高度為430 mm，是平轉(zhuǎn)法施工轉(zhuǎn)動體系的核心，它是轉(zhuǎn)體施工的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。

（3）轉(zhuǎn)體上盤撐腳與滑道。上盤撐腳即為轉(zhuǎn)體時(shí)支撐轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)平穩(wěn)的保險(xiǎn)腿。從轉(zhuǎn)體時(shí)保險(xiǎn)腿的受力情況考慮，轉(zhuǎn)臺對稱的兩個(gè)保險(xiǎn)腿之間的中心線與上盤縱向中心線重合，使8個(gè)保險(xiǎn)腿對稱分布于縱軸線的兩側(cè)。在撐腳的下方（即下盤頂面）設(shè)有1.1 m寬的滑道，滑道半徑為6 m，轉(zhuǎn)體時(shí)保險(xiǎn)撐腳可在滑道內(nèi)滑動，以保持轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)平穩(wěn)。

（4）轉(zhuǎn)體上盤。上盤是轉(zhuǎn)體的重要結(jié)構(gòu)，在整個(gè)轉(zhuǎn)體過程中形成一個(gè)多向、立體的受力狀態(tài)，上盤高4.9 m，布有縱、橫預(yù)應(yīng)力鋼筋。轉(zhuǎn)臺直徑Φ13 m，高度0.8m。轉(zhuǎn)臺是球鉸、撐腳與上盤相連接的部分，又是轉(zhuǎn)體牽引力直接施加的部位。轉(zhuǎn)臺內(nèi)預(yù)埋轉(zhuǎn)體牽引索，預(yù)埋端采用P型錨具。

5 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）橋梁設(shè)計(jì)不僅僅要滿足使用功能，要隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，在力學(xué)規(guī)律和美學(xué)法則的支配下，將是人文科學(xué)、工程技術(shù)和藝術(shù)三位一體的產(chǎn)物。由于橋梁橫跨交通線路之上而廣受關(guān)注，成為審美的對象。索塔塔頂設(shè)置月亮造型，通過夜景燈光變換表現(xiàn)月亮盈虧變換，打破了常規(guī)斜拉橋橋塔的造型呆板、傳統(tǒng)做法，將橋梁的功能性與建筑美學(xué)完美融合與統(tǒng)一，和諧地融入了周圍環(huán)境。

（2）將非對稱混合梁斜拉橋與轉(zhuǎn)體法施工相結(jié)合，不但能降低工程造價(jià)，而且非常適用于預(yù)制場地受限的工程，為以后類似跨鐵路橋梁的設(shè)計(jì)提供了新思路。為模擬施工階段及成橋運(yùn)營階段的受力特征及其使用性能，利用有限元軟件模擬結(jié)合段在各種工況下的受力模式，有限元計(jì)算模型見圖5、圖6。通過計(jì)算結(jié)果表明結(jié)合段各個(gè)部位應(yīng)力分布及過度較為均勻，沒有發(fā)生明顯突變，設(shè)計(jì)較為合理，為精細(xì)設(shè)計(jì)提供了理論支撐。

圖5 鋼混結(jié)合段有限元模型渲染圖

圖6 鋼混結(jié)合段有限元模型邊界圖

（3）橋梁采用非對稱獨(dú)塔混合梁斜拉橋，索塔兩側(cè)索力差異較大，采用常規(guī)拉索錨固形式均不能滿足使用要求。設(shè)計(jì)將交叉錨固形式與索鞍錨固形式相結(jié)合，采用傳統(tǒng)分絲技術(shù)設(shè)計(jì)索鞍，索塔兩側(cè)單根鋼絞線均穿過各自分絲管分別利用抗滑鍵錨固在索塔的相對一側(cè)，每一根鋼絞線為均可作為一個(gè)單獨(dú)的拉索系統(tǒng)，亦可以實(shí)現(xiàn)單根鋼絞線換索。在施工過程中，該拉索體系能滿足施工過程各個(gè)階段的受力，且施工較為簡便，為一種新型的斜拉橋拉索錨固系統(tǒng)。為了驗(yàn)證該新型斜拉索錨固系統(tǒng)的安全性，同時(shí)驗(yàn)證施工的可行性，進(jìn)行了模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，見圖7、圖8，試驗(yàn)取得了滿意的效果。

圖7 模型現(xiàn)場立面圖

圖8 模型現(xiàn)場側(cè)面圖

（4）為減少施工期間對鐵路運(yùn)營安全的影響，主橋采用轉(zhuǎn)體法施工。轉(zhuǎn)體部分總重量達(dá)2.45萬t，轉(zhuǎn)體支座型號采用3.0萬t。球鉸的設(shè)計(jì)與施工、轉(zhuǎn)動體系布置、轉(zhuǎn)體施工準(zhǔn)備及轉(zhuǎn)體穩(wěn)定性控制是橋梁轉(zhuǎn)體施工中的關(guān)鍵技術(shù)，是一座橋梁安全、順利建成的保證。而實(shí)際上，這些技術(shù)在我國的理論研究并不深入，仍有較大的提升空間。目前工業(yè)鑄造領(lǐng)域的最大直徑單球鉸達(dá)到4.5 m，而直徑更大、噸位3.0萬t的單球鉸尚屬空白，本項(xiàng)目將設(shè)計(jì)直徑4.75 m，30 000 kN噸位的單球鉸進(jìn)行安裝實(shí)屬首次應(yīng)用，通過實(shí)踐與理論結(jié)合，用實(shí)踐檢驗(yàn)理論，將促進(jìn)我國橋梁轉(zhuǎn)體施工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

6 結(jié)語

隨著我國市政、交通建設(shè)的快速發(fā)展，上跨鐵路橋梁會越來越多，橋梁建設(shè)時(shí)除了滿足功能性及適用性以外，還要滿足景觀性的要求。希望本文介紹的這座橋梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)造及創(chuàng)新對設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)類似項(xiàng)目中提供啟發(fā)與幫助。