邯鄲市趙王大街跨東湖和支漳河特大橋設計分析

陳海浪

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

0 引言

近幾十年，我國橋梁建設發展迅速。斜拉橋由于受力性能好、跨越能力大、施工簡單等優點，在大跨橋梁中被廣泛采用。為適應美觀的需要，橋梁結構造型各異，帶來了結構設計和受力上的一些難題。因此，介紹此類大跨景觀斜拉橋的結構設計并對其計算分析，可為類似橋梁的設計提供參考和借鑒，具有較大工程意義。

1 工程概況

邯鄲市趙王大街道路工程，北起趙王大街與媧皇路平交口，終點至趙王大街與人民路平交口，路線全長1.003 km。工程跨越東湖和支漳河，設特大橋一座，主橋為獨塔斜拉橋，跨徑組合為（165+200）m，橋梁寬度為47 m。該工程已于2017年完成施工圖設計（見圖1~圖3）。

圖1 橋梁效果圖

圖2 立面布置圖

2 結構設計

2.1 總體布置

主橋采用（165+200）m斜塔空間扭索雙索面斜拉橋，為墩、塔、梁固結體系，過渡墩設置豎向支座。橋梁橫斷面布置為：2.5 m（人行道）+4.5 m（非機動車道）+2.0 m（索區）+14.5 m（機動車道）+14.5 m（機動車道）+2.0 m（索區）+4.5 m（非機動車道）+2.5 m（人行道），橋梁全寬 47.0 m（見圖 4）。

主梁采用混合梁，近橋塔區段采用預應力混凝土結構，其他大部分區段采用鋼箱梁，兩部分間設置鋼-混結合段。為平衡兩跨受力，邊跨87m區段設置鐵砂混凝土壓重。橋塔立面為X字型，橫橋向為拱形塔。兩塔（主塔和輔塔）以12°相交（與鉛垂線夾角各為6°）。兩側各設置12對拉索，梁上拉索間距分別為15.0m(大跨側)、12.0m（小跨側），拉索均錨固于主梁橫梁處錨拉板位置。

圖3 橫斷面布置圖（橋塔處）

圖4 橫斷面布置圖（典型斷面）

2.2 結構設計

2.2.1 主梁結構設計

2.2.1.1 混凝土主梁

主梁采用混合梁，橋梁分跨線34 m范圍內采用預應力混凝土主梁（不含兩側各3 m長鋼混結合段），材料標號為C55混凝土。箱梁采用單箱六室結構，全寬47 m，單側懸臂寬4.0 m，箱梁底板寬39 m。主梁中心處梁高3.34 m，塔梁固結段加高至4.34 m，雙向橫坡1.5%。標準段箱梁頂板厚30 cm，底板厚35 cm，腹板厚50 cm，塔跟附近頂底板均加厚至60 cm，腹板加厚至1.0 m，塔梁固結處橫梁寬7.0 m，橫梁設置人孔。梁段配置縱向鋼束、橋面板鋼束、橫梁鋼束（見圖5、圖6）。

2.2.1.2 鋼主梁

圖5 混凝土主梁段立面構造圖

圖6 混凝土箱梁典型構造斷面圖

主梁除近橋塔段40 m區域外，其余區段均采用鋼箱梁。鋼箱梁截面外輪廓尺寸與混凝土箱梁基本相同，箱室底寬為39 m，兩側各伸臂4 m，鋼箱梁頂板全寬47.0 m。橋梁中心線處，主梁梁高3.34m左右（頂底板內緣距離固定為3 292.5 mm），橋面頂板設置雙向1.5%坡度。165 m邊跨鋼箱梁標準節段長度為12 m，200 m主跨標準節段長度為15 m，全橋共23個節段，鋼箱梁現場除頂板U肋采用高強螺栓連接外，其余均采用焊接進行節段連接。鋼箱梁主體結構均采用Q345qD（見圖7）。

圖7 鋼箱梁典型構造斷面圖

鋼箱梁的頂板兼做橋面承重結構，按正交異性板設計，標準段板厚采用18 mm，受力較大區域加厚至20~24 mm，拉索錨固區局部加厚至28 mm。標準段底板采用14 mm，臨近鋼混結合段區域和底板壓重區域加厚至18~20 mm。標準段頂板、底板加勁縱肋采用8 mm鋼板壓制成的梯形閉口肋，頂板加勁肋間距為600 mm，底板加勁肋間距為800 mm。頂底板加厚段其縱向U肋同步加厚至10 mm。

橫隔板標準間距為3 m，分為三類：普通橫隔板、錨點橫隔板、端橫梁支承橫隔板。普通橫隔板厚度為12 mm，錨點橫隔板厚為14 mm，在錨點腹板區域加厚至18 mm。端橫梁支承橫隔板厚度為20~24 mm。

小樁號側邊跨鋼箱梁設置有87m長壓重段，壓重材料為C30鐵砂混凝土，容重要求達到30 kN/m3，全橋壓重共20 880 kN，壓重構造所用鋼材皆為Q235c鋼。

2.2.1.3 鋼混結合段

鋼-混結合段長3.0m，采用填充混凝土后承壓板式構造，承壓板厚度為60mm，與結合段相接的鋼箱梁設置4.5m長剛度過渡段（頂、底板帶有T型加勁）。鋼箱梁腹板與承壓板均采用熔透焊接，縱肋與承壓板磨光頂緊后施焊。連接處鋼梁端部為多格室結構，在孔內填充鋼纖維混凝土與混凝土梁連接成一個整體。為使多格室部分的鋼板與填充的混凝土結合密實，在鋼板上設置圓柱頭栓釘和PBL剪力鍵，并用預應力鋼絞線將鋼梁和混凝土梁連成整體（見圖8）。

圖8 鋼混結合段立面構造圖

2.2.2 橋塔結構設計

塔柱沿縱向整體偏轉6°，橫斷面線形為拱形。主塔下塔柱為倒Y型結構，系混凝土結構（含鋼混結合段），垂直高度為39.0 m。上塔柱為鋼箱結構，主塔上塔柱高度為86.0 m（斜長），承臺以上橋塔總高度為124.528 m。副塔與主塔呈X型交叉，上塔柱高度為76.55 m（斜長），承臺以上總高度為115.126 m。鋼塔柱采用Q345qD，混凝土塔柱材質為C55。鋼塔柱與混凝土塔柱采用鋼墊板及預埋在混凝土塔柱的構件連接。圖9為鋼塔柱典型構造斷面圖。

主塔鋼塔柱底部中心距離為53.8 m，底部尺寸為4.6 m×6.6 m，漸變為頂部的4 m×4 m，塔柱橫橋向分為三個箱室。根據主塔各區段受力情況，采用變壁厚設計，板厚分為32 mm、36 mm、40 mm三種規格。主塔壁板均采用板式加勁肋加勁，塔壁及加勁肋的豎向對接采用焊接連接。鋼塔柱橫隔板間距一般為2.5 m，普通隔板厚20 mm，拉索錨固節段橫隔板厚40 mm。

斜拉索在塔端利用鋼錨箱錨固，錨點豎向間距為2.0 m、2.5 m。索力豎向分力通過錨箱傳給塔壁，水平分力通過錨下隔板平衡，結構整體性好，索力作用對主塔的局部應力增加較小，能夠滿足較大索力條件下拉索錨固需要。

2.2.3 下部結構設計

主塔基礎采用矩形承臺及群樁形式，承臺尺

圖9鋼塔柱典型構造斷面圖寸為28.7 m（順橋向）×13.7 m（橫橋向）×5.0 m（高度）。主塔樁基全橋共采用36根φ2.0m鉆孔灌注樁。橋塔橫梁處橋墩為矩形實體墩，墩身截面尺寸為3.5 m×3.5 m。承臺尺寸為8.7 m（順橋向）×8.7 m（橫橋向）×3.5 m（高度），每個承臺下設置4根φ2.0 m鉆孔灌注樁。樁長采用70.0 m，按照摩擦樁設計。

橋墩墩身采用C40混凝土，承臺采用C30混凝土，封底采用C25混凝土，樁基采用C30水下混凝土。

3 結構計算分析

3.1 主要計算參數（見表1）

表1 主要計算參數表

采用Midas/Civil 2015有限元程序進行計算，主梁、橋塔、橋墩基礎采用空間梁單元，斜拉索采用索單元（桁架單元）。橋塔與主梁采用剛性連接，拉索頂與主塔結構共節點，拉索底節點與主梁節點剛性連接，樁基節點設置節點彈性支撐模擬土約束。

依據公路鋼結構橋梁設計規范[1]、公路橋涵設計通用規范[2]、公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[3]等，綜合考慮恒載、汽車活載、預應力荷載、混凝土收縮徐變、溫度荷載、支座不均勻沉降等荷載的組合作用，對橋梁進行計算分析。計算模型如10所示。

圖10 計算模型圖

3.2 主要內力計算結果

標準組合下全橋彎矩圖如圖11、圖12所示。

圖11 標準組合縱向彎矩圖（kN·m）

圖12 標準組合橫向彎矩圖（kN·m）

由圖11、圖12可知，主梁受力以縱向受彎為主，橋塔受力以橫向受彎為主，橋梁結構受力總體上較為均衡。

3.3 鋼結構驗算

3.3.1 鋼結構正應力驗算

圖13為基本組合應力圖，表2為鋼結構應力匯總表。

圖13 基本組合應力圖（MPa）

表2 鋼結構應力匯總表 MPa

表2中應力數值為基于模型中應力讀取結果（計入1.1重要性系數，以下皆同），再除以局部穩定折減系數得到的值。其中，主梁頂板穩定系數：頂板挑臂段為0.62，其余頂板段為1.0；主梁底板穩定系數：對于20 mm、18 mm、14 mm的底板，局部穩定系數分別為0.97、0.92、0.79；橋塔穩定系數為1.0。主梁、橋塔最大拉應力、最大壓應力均小于270 MPa（規范允許值），滿足要求。

3.3.2 鋼結構剪應力驗算

圖14為基本組合下主梁剪力圖。圖15、圖16分別為橋塔的縱向及橫向剪力圖。

圖14 基本組合下主梁剪力圖（kN）

主梁基本組合下最大剪力Q=17 341 kN，τ=Q/Aw=115 MPa，小于規范允許值155 MPa，滿足要求。

基本組合下，橋塔縱向最大剪力Q=5 896 kN，τ=Q/Aw=18 MPa；橋塔橫向最大剪力Q=15 492 kN，τ=Q/Aw=48 MPa；均小于規范允許值155 MPa，滿足要求。

3.3.3 疲勞驗算

圖15 橋塔縱向剪力圖（kN）

圖16 橋塔橫向剪力圖（kN）

疲勞荷載計算模型Ⅰ采用等效的車道荷載，集中荷載為0.7 Pk，均布荷載為0.3 qk。Pk和qk按公路-Ⅰ級車道荷載標準取值，并考慮多車道的影響。

鋼箱梁頂底板最大正應力幅為16.37 MPa，根據公路鋼結構橋梁設計規范[1]，頂底板橫向對接焊縫疲勞細節類別為110，對應的常幅疲勞極限為81 MPa。按照規范第5.5.4條中的公式（5.5.4-1）計算可得：16.37 MPa＜81 MPa/1.35=60 MPa，滿足規范要求。

鋼箱梁最大剪應力幅值為7.94 MPa，鋼箱梁剪切焊縫疲勞細節類別為80，對應的剪應力幅截止限值為36.6 MPa。按照規范第5.5.4條中的公式（5.5.4-2）計算可得：7.94MPa 〈36.6 MPa/1.35=27.1 MPa，滿足規范要求。

3.4 主橋屈曲穩定驗算

圖17為第1階屈曲形態圖。

對主橋進行屈曲穩定驗算，取結構自重、預應力荷載、二期恒載為常量，活載、風載為變量，對前50階模態數量進行計算，計算結果如下：

圖17 第1階屈曲形態圖

橋梁前3階皆為主梁豎向屈曲失穩模態，屈曲穩定安全系數最小為40.9，滿足要求。

3.5 錨拉板局部計算

選取成橋索力最大的邊索錨拉板，應用大型通用有限元軟件ANSYS建立空間板殼有限元模型，單元類型采用Shell 181。為消除錨拉板底部主梁邊界條件的影響，分別沿橋梁順橋向選取兩個橫隔板之間、橫橋向選取錨拉板附近頂板加厚區域范圍內的鋼板建立有限元模型，幾何模型及有限元網格劃分模型如圖18所示。

圖18 計算模型

拉索索力取6 011 kN，錨拉板Mises應力分布如圖19所示。

圖19 錨拉板Mises應力分布圖（單位:MPa）

從應力分布圖可知：成橋索力狀態下錨拉板局部應力最大區域為錨管與加勁板焊縫的開孔角點區域。由于幾何尺寸突變嚴重，小部分區域應力超過Q370鋼材的屈服強度，但范圍較小，實際結構中此區域會發生局部塑性變形以釋放應力；錨管、加勁板大部分區域應力水平在160 MPa左右；梁頂板及腹板主要受力區域的應力水平在100 MPa左右。

拉索錨固構造，可根據索力大小選擇錨拉板或鋼錨箱形式，索力較小時可選擇錨拉板形式（錨拉板可選擇高標號的鋼材），索力較大時宜選擇可靠度更高的鋼錨箱形式。局部分析表明錨拉板的加勁板與錨管焊接的焊縫端點的開孔倒角區域是應力集中最為嚴重的區域，需加強此處施工的工藝水平，保證焊縫質量，盡量避免應力集中。

4 結語

本文對趙王大街跨東湖和支漳河特大橋的總體布置和主要結構設計進行了介紹，并對結構進行了整體靜力分析和局部計算分析，橋梁結構設計合理，驗算結果滿足規范要求，可為同類橋梁設計提供借鑒。