外傾式矮塔斜拉橋墩塔設(shè)計(jì)實(shí)踐

李春

(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

1 工程概況

廣西崇左大橋是一座城市標(biāo)志性景觀橋梁，該橋?yàn)橥鈨A式橋塔PC矮塔斜拉橋，跨徑布置為(105+190+105)m=400 m，橋面寬39 m，主梁根部梁高8 m，跨中梁高3.5 m，梁高按1.8次拋物線變化。橋塔景觀呈雙手托舉造型(圖1)，橋梁造型優(yōu)美。但該橋在設(shè)計(jì)中面臨著橋梁跨度大、橋面寬、橋面高程受限、結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜等技術(shù)難題。

針對(duì)該橋的技術(shù)特點(diǎn)，該文從結(jié)構(gòu)體系選型、墩塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、塔墩梁結(jié)合部計(jì)算分析幾個(gè)方面對(duì)該橋的關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行敘述。

圖1 橋塔立面構(gòu)造圖(單位：cm)

2 結(jié)構(gòu)體系選型

矮塔斜拉橋是從連續(xù)梁橋、連續(xù)剛構(gòu)橋發(fā)展演變而來的一種獨(dú)特的橋梁形式。通過矮塔與斜拉索分擔(dān)主梁所承受的荷載，從而達(dá)到降低梁高的目的，因其力學(xué)性能優(yōu)良，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)良好，該橋型近年來得到了快速發(fā)展。崇左大橋受到道路起終點(diǎn)標(biāo)高、兩岸橋下道路及通航條件的限制，采用矮塔斜拉橋方案有利于降低梁高，橋梁主墩高約27 m。在設(shè)計(jì)方案比選階段，分別對(duì)塔梁固結(jié)、設(shè)置支座和塔墩梁固結(jié)兩種結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了全橋分析計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：采用塔墩梁固結(jié)體系，橋梁跨中長期撓度較連續(xù)梁體系小18.6%，車道荷載作用下主跨跨中撓度較連續(xù)梁體系小36.8%。塔墩梁固結(jié)體系無需采用大噸位支座，后期維護(hù)成本較低。但該體系橋墩墩高較矮，使得該體系對(duì)溫度影響較為敏感，同時(shí)墩塔結(jié)構(gòu)尺寸受到橋梁外形限制，塔墩梁結(jié)合區(qū)受力極為復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度較大。綜合考慮橋梁的正常使用性能、后期維護(hù)成本等因素，采用塔墩梁固結(jié)體系優(yōu)于連續(xù)梁體系。

3 橋墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

崇左大橋采用塔墩梁固結(jié)體系，墩高較矮，橋墩抗推剛度與體系對(duì)溫度的敏感性呈正相關(guān)趨勢(shì)。為減少降溫工況對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，該橋創(chuàng)造性地提出雙肢實(shí)體橋墩設(shè)計(jì)，即把實(shí)體橋墩沿順橋向?qū)ΨQ分為兩部分，兩肢之間留10 cm縫隙。利用Midas/Civil有限元軟件，分別對(duì)采用整體式實(shí)體橋墩、箱形橋墩以及雙肢實(shí)體橋墩的橋梁建立空間桿系單元模型，對(duì)全橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，探求3類橋墩結(jié)構(gòu)與體系溫度響應(yīng)的關(guān)系。3種橋墩側(cè)立面示意如圖2所示，橋墩截面尺寸詳見表1。

圖3為3類橋墩抗推剛度計(jì)算值。可見在結(jié)構(gòu)尺寸一致的情況下，整體式實(shí)體橋墩抗推剛度最大，箱形橋墩次之，雙肢實(shí)體橋墩最小，且遠(yuǎn)小于前兩者。計(jì)算結(jié)果表明：采用雙肢實(shí)體橋墩能顯著地降低橋墩抗推剛度，且隨著結(jié)構(gòu)尺寸的增加，抗推剛度增長率最低。該特點(diǎn)可在不過多增加橋墩抗推剛度的情況下，大幅增加橋墩承載能力與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，于設(shè)計(jì)非常有利。

橋墩抗推剛度與整體降溫工況下主梁跨中彎矩關(guān)系，如圖4所示。

圖2 橋墩側(cè)立面示意圖(單位：cm)

表1 橋墩尺寸參數(shù)

圖3 橋墩抗推剛度計(jì)算結(jié)果

圖4 橋墩抗推剛度與主梁跨中彎矩的關(guān)系

橋墩抗推剛度與整體降溫工況下墩底彎矩的關(guān)系，如圖5所示。

圖4、5反映了橋墩抗推剛度與降溫工況下主梁跨中與橋墩墩底內(nèi)力的關(guān)系。可以看到：在降溫工況下，隨著橋墩抗推剛度的下降，主梁跨中彎矩、橋墩墩底彎矩也逐漸減小。可見，采用雙肢實(shí)體橋墩可顯著改善該橋的受力性能。

圖5 橋墩抗推剛度與墩底彎矩的關(guān)系

雙肢實(shí)體橋墩應(yīng)結(jié)合橋墩施工階段的承載能力、施工階段穩(wěn)定性、運(yùn)營階段承載能力、抗震性能以及構(gòu)造要求等指標(biāo)來確定截面尺寸。經(jīng)迭代試算，崇左大橋單肢橋墩寬取1.9 m。

4 橋塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

崇左大橋橋塔采用Q345鋼結(jié)構(gòu)制作，鋼箱內(nèi)部設(shè)置栓釘剪力鍵，并設(shè)置對(duì)拉鋼筋，內(nèi)部空間填筑C50混凝土，形成鋼箱混凝土結(jié)構(gòu)。考慮鋼塔內(nèi)部混凝土受力開裂、收縮影響，塔內(nèi)混凝土抗彎慣性矩按15%折減，混凝土承壓截面按全斷面考慮。

鋼塔內(nèi)填筑混凝土，增加橋塔整體剛度，減少橋塔變形。計(jì)算表明：在車輛與人群荷載作用下，鋼箱混凝土橋塔頂部水平位移較鋼橋塔減少6.7 cm，約降低38%。

橋塔為偏心受壓構(gòu)件，內(nèi)部填筑混凝土后，不僅解決了鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題，同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力也迅速下降。鋼箱混凝土橋塔內(nèi)部填筑混凝土約1 900 m3，混凝土部分投資僅占橋梁建安費(fèi)的0.7%，利用較小的投入即可顯著提高橋塔結(jié)構(gòu)承載能力，經(jīng)濟(jì)效益良好。鋼箱混凝土橋塔與鋼橋塔控制斷面的應(yīng)力對(duì)比見表2。

表2 橋塔應(yīng)力比較

注：表中數(shù)值為基本組合應(yīng)力包絡(luò)值，壓應(yīng)力為負(fù)，拉應(yīng)力為正。

橋塔采用外傾造型，利用混凝土自重在塔底產(chǎn)生的彎矩，抵消斜拉索的水平分力在橋塔底部產(chǎn)生的彎矩。在成橋狀態(tài)下，與鋼結(jié)構(gòu)橋塔相比，鋼箱混凝土塔底橫橋向彎矩減少39 537.5 kN·m，約降低46%。

該橋采用鋼箱混凝土橋塔，其受力性能優(yōu)良，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)良好，是較為合理的結(jié)構(gòu)布置形式。

5 塔墩梁結(jié)合部設(shè)計(jì)

該橋采用塔墩梁固結(jié)體系，橋墩、橋塔通過主梁0#塊結(jié)合形成整體，共同參與結(jié)構(gòu)受力。其中橋墩與主梁0#塊的結(jié)合形式與一般連續(xù)剛構(gòu)橋相同，即橋墩鋼筋伸入0#塊內(nèi)部，并滿足一定的構(gòu)造要求即可。而主梁0#塊與橋塔的連接，涉及兩種材料相互結(jié)合，結(jié)合部位受力較為復(fù)雜，橋面以下0#段外側(cè)設(shè)置塔梁連接段，連接段底部設(shè)置承壓鋼板，并在承壓鋼板上設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力，以確保承壓板始終處于受壓狀態(tài)，主梁0#塊鋼筋伸入連接段鋼箱內(nèi)，并與連接段鋼板焊接，0#塊橫向預(yù)應(yīng)力伸入連接段鋼箱內(nèi)錨固，確保連接可靠(圖6)。

圖6 塔墩梁結(jié)合部預(yù)應(yīng)力鋼束布置示意

在結(jié)構(gòu)計(jì)算方面該結(jié)合部位采用空間梁單元模型已不能準(zhǔn)確地模擬，因此需利用Midas FEA軟件對(duì)該部位建立實(shí)體單元模型(圖7)進(jìn)行分析計(jì)算。考慮到主梁荷載的傳遞，依據(jù)圣維南原理，將主梁1#～2#塊也用實(shí)體單元建立模型，主梁荷載通過剛臂傳至主梁單元上。橋塔荷載也通過剛臂傳至橋塔單元。預(yù)應(yīng)力荷載采用預(yù)應(yīng)力鋼筋單元模擬。

利用以上實(shí)體單元模型，對(duì)橋塔與橋墩結(jié)合面進(jìn)行分析。在最不利荷載組合工況下(恒載+車道荷載+人群荷載+制動(dòng)力+整體降溫+負(fù)溫梯+支座沉降)，墩塔結(jié)合部混凝土應(yīng)力計(jì)算位置見圖8，詳細(xì)結(jié)果見表3，表中數(shù)據(jù)壓應(yīng)力為負(fù)，拉應(yīng)力為正。

圖7 塔墩梁結(jié)合部實(shí)體有限元模型

圖8 墩塔結(jié)合部混凝土應(yīng)力計(jì)算位置示意

表3 墩塔結(jié)合部混凝土應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

由表3可知：在最不利荷載組合下，橋塔底部混凝土仍處于全截面受壓狀態(tài)，混凝土邊緣壓應(yīng)力為1.2～4.3 MPa。混凝土邊緣大部分區(qū)域的主拉應(yīng)力在0.2～1.6 MPa，混凝土邊緣主壓應(yīng)力2.1～4.9 MPa，結(jié)合部混凝土主拉應(yīng)力與主壓應(yīng)力均滿足規(guī)范的要求。

6 結(jié)論

依托工程實(shí)例，詳述了崇左大橋外傾式橋塔的設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，得到以下結(jié)論：

(1)通過優(yōu)化橋墩布置形式，創(chuàng)造性地提出了雙肢實(shí)體橋墩結(jié)構(gòu)體系，顯著地提升了橋梁的力學(xué)性能。

(2)外傾式橋塔采用鋼箱混凝土結(jié)構(gòu)，利用較小的投資，不僅解決了鋼結(jié)構(gòu)易失穩(wěn)的問題，同時(shí)也有效地增強(qiáng)了橋塔的剛度與承載能力。

(3)塔墩梁結(jié)合部位受力復(fù)雜，通過空間實(shí)體單元模擬分析，較準(zhǔn)確地反映了墩塔結(jié)合面處的應(yīng)力狀態(tài)。同時(shí)計(jì)算結(jié)果表明：在最不利荷載組合作用下，墩塔結(jié)合面始終處于全截面受壓狀態(tài)，這與設(shè)計(jì)目標(biāo)相一致。