大懸臂寬梁獨塔斜拉橋的總體設計與創新

任宏業

（上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司，上海市 200092）

1 工程概況

金婺大橋位于金華核心區的賓虹路上，西連金華市經濟開發區，東接多湖CBD商務區，是金華市內跨越武義江的重要越江通道，也是市區范圍內東西向穿越中心城區的規劃城市主干路賓虹路上的一個重要交通節點。

1.1 建設條件

擬建橋位為東西走向通道，地貌分區屬浙中盆地區，建設場地地貌屬堆積地貌沖洪積平原。擬建場地地形較為平坦，持力層以中風化粉砂巖為主，屬軟巖，巖體較完整。

1.2 主要技術標準

（1）道路等級：城市主干路，設計時速50 km/h；

（2）橋梁設計荷載：城-A級，人群荷載按《城市橋設計規范》10.0.5條計；

（3）通航等級：武義江為規劃Ⅴ級航道，通航空凈寬80 m，凈空5 m；

（4）抗震設計：抗震設防烈度為6度，地震動峰值加速度為0.05 g設計；

（5）設計洪水位：按百年一遇洪水位控制；

（6）橋梁橫斷面布置為：3 m（人行道）+3.5 m（非機動車道）+2.25 m（分隔帶）+11m（機動車道）+0.5 m（中央分隔墩）+11 m（機動車道）+2.25 m（分隔帶）+3.5 m（非機動車道）+3 m（人行道），總寬40 m。

2 橋型方案設計

2.1 橋梁設計思路

金婺大橋為老橋（獨塔斜拉橋）拆除重建工程，橋址位于市區中心地段，周邊用地開發成熟、管線敷設密集、橋位選擇唯一，重建橋梁以盡量滿足現狀用地、不擴大橋梁規模、盡快落地接道路為原則。因此橋梁的梁高應與原橋的梁高和橋梁規?；颈３忠恢拢瑫r重建橋梁應考慮避讓老橋不能利用的樁基礎。老橋為獨塔斜拉橋，新建橋梁選用相同橋型是合適的。老橋橋跨布置為100 m+125 m+35 m，主墩為樁基礎，新建橋梁避讓老橋橋墩，同時滿足通航要求，橋塔向非通航橋跨側偏移，主跨跨徑在140 m左右，綜合考慮兩岸管線和接線邊界條件等，新橋橋梁跨徑布置為85 m+143 m+37 m。

原橋為雙向4車道，改建后大橋為雙向六車道，在梁高限制下，橋塔位于分隔帶，采用大懸臂梁是合理的結構布置。在橋塔處選擇人行道、非機動車行道繞行的布置，可減少橋梁總體寬度，同時滿足城市主干路的交通需求，橋梁標準寬度40 m，橋塔處局部寬度47 m。

橋塔選擇拱形橋塔主要有三個優點：一是橋面較寬，塔柱位于兩側機非分隔帶處，拱形橋塔豎向和橫向比例協調性好；二是拱形橋塔線形比傳統門型塔線形更為柔和，形成橋塔高大挺拔和柔美曲線相融合的剛柔并濟之美；三是利用合理拱軸線可調整空間拉索合力角度使塔柱受力合理。

2.2 橋梁總體布置

主橋為獨塔斜拉橋，塔墩梁固結體系，主塔橋面以下為混凝土結構，下塔柱高13.511 m，橋面以上為鋼結構，橋面以上塔高82.121 m（見圖1）。結合橋梁概念設計，對于邊中跨不等跨的獨塔斜拉橋，通過采用不同梁體材料形成自平衡受力體系?；谝陨显O計理念，本橋主梁采用混凝土—鋼結構混合梁，邊跨采用預應力混凝土雙邊箱梁，混凝土段長100.5 m，深入主跨15.5，通過2 m鋼混結合段與鋼梁連接，主跨主梁為鋼結構雙邊箱梁，鋼梁長127.5 m；主梁為鋼結構整體式箱梁。拉索采用扇形布置高強平行鋼絲索。

圖1 總體布置圖（單位：mm）

3 橋梁結構設計

3.1 主塔設計

主塔采用拱形塔柱，塔柱立于機非分隔帶上，塔柱橋面以上72.283 m采用拋物線，橋塔頂部拱形橫梁采用橢圓形線，橋塔為異形箱型截面，外側為橢圓曲線，順橋向及內側為直線，上塔柱為鋼結構，橋塔內塔壁尺寸為5 m×5 m。下塔柱為鋼筋混凝土結構，上截面為6 m×6 m，下截面為6.5 m×6.5 m。橋面以上3 m為鋼混結合面。

（1）鋼塔

鋼塔腹板、側壁板厚根據受力不同采用16～36mm。主塔壁板及腹板均采用板式加勁肋進行加勁，板厚 20 mm/12 mm，肋高 220 mm/140 mm，主塔鋼箱約每2.5 m左右設置一道橫隔板，橫隔板厚16 mm/12 mm。

（2）下塔柱

主橋下塔柱采用鋼筋混凝土結構，上截面為6m×6 m，下截面為6.5 m×6.5 m；內部挖空尺寸為10.328 m×2.5 m。

3.2 主梁設計

（1）混凝土梁

為平衡主跨重量，邊跨采用混凝土雙邊箱梁，橫梁采用一字梁，梁體外橫梁懸臂長7150～8800 mm（橋塔處加長），屬于大懸臂。道路中心線處梁高2.7m，頂板設2%橫坡，底板水平；箱梁頂板厚280mm，底板厚250 mm，標準腹板厚600 mm，加厚段腹板厚1000 mm；箱梁外懸臂長7.45 m，懸臂端部厚280 mm，根部厚883 mm（見圖2）?；炷林髁翰捎每v橫向預應力。

圖2混凝土梁斷面圖（單位：mm）

（2）鋼梁

鋼箱梁采用與混凝土梁外形尺寸一致的雙邊梁截面，主梁節段標準長度9 m（見圖3）。鋼箱梁頂板厚16 mm，斜腹板厚20 mm/30 mm，底板厚20 mm，鋼箱梁頂、底板采用U形閉合加勁，頂板、底板U肋厚度8 mm。橋面頂板為正交異性板。鋼箱梁每隔3 m設置一道橫隔板，橫隔板主要提供橫橋向剛度，減小畸變變形，同時為正交異性橋面板提供支撐。

圖3 鋼梁斷面圖（單位：mm）

3.3 斜拉索

全橋共設60根斜拉索，橋塔拱軸線形與拉索布置相匹配，使橋塔保持軸壓受力為主狀態。斜拉索在混凝土梁上錨固縱向標準間距為5 m,鋼梁上為9 m；塔上豎向錨固標準間距2.5 m。斜拉索在混凝土梁上設置錨固塊，在鋼梁和鋼塔上設置鋼錨箱。

4 主橋結構計算

本橋采用Midas Civil2018有限元軟件建立全橋三維模型進行模擬。主梁截面按腹板個數分割成縱向梁格進行模擬，同時建立若干個縱向虛擬梁用于輔助加載。橫橋向在橫梁板處建立橫向梁格。

整體計算分析見圖4～圖8。

圖4 成橋階段基本組合下結構剪力包絡圖（單位：kN）

圖5 成橋階段基本組合下結構彎矩包絡圖（單位：kN·m）

圖6 成橋階段基本組合下拉索內力包絡圖（單位：kN）

圖7 標準組合下支座最大、最小反力（單位：tonf）

圖8基本組合下鋼梁與鋼主塔截面正應力包絡圖（單位：MPa）

從圖4～圖8分析可知，橋梁主梁彎矩和剪力分部呈鋸齒狀分部均勻；橋塔根部的彎矩和軸壓力比值為1.4＜0.3h0=1.5，屬于小偏心受壓柱；拉索索力總體均勻,根部短索拉力最大；標準組合下支座未出現負反力；基本組合下鋼梁和鋼塔部分的最大應力值為162.27 MPa＜345 MPa。從以上總體計算指標來看橋梁總體布置較為合理。

5 關鍵節點設計

5.1 主梁鋼混結合段設計

主梁中的鋼梁和混凝土梁結合面位于主跨側距離主塔中心線處15.5 m處，鋼混結合段采用后承壓板式。鋼混接頭采用鋼梁端部設置厚30 mm承壓板的方案，鋼梁端部2.0 m范圍的頂、底板采用U型加勁肋和翼緣厚25 mmT型加勁肋，在混凝土梁的端部2 m范圍將頂、底板加厚至750 mm，并在混凝土梁與承壓板接觸范圍的頂、底板利用16 mm的鋼板傳遞上下翼緣的應力，防止鋼混接觸面的表面因應力集中而使混凝土壓碎（見圖9）。為保證鋼混接頭處于有效連接和結合面處于均勻的受壓狀態，沿箱梁四周及縱腹板布置了縱向預應力鋼絞線及精軋螺紋鋼筋，在鋼箱梁一側錨固在鋼承壓板上。頂、底板的U型加勁肋和T型加勁肋保證混凝土梁與鋼梁間剛度過渡。

圖9 主梁鋼混結合段構造圖（單位：mm）

5.2 大懸臂橫梁體設計創新

本橋梁體懸臂最長達8.2 m，對于梁體大懸臂下橫梁通常為變高腹板，在端部尺寸較小，由于懸臂尺寸過大，這種情況下橫梁的支撐能力在端部要比短懸臂弱很多，間接導致懸臂處橋面板的承載能力不足。本橋在梁端部增加一個高800 mm、寬300 mm的小縱梁，增加橫梁的支持強度，增加懸臂的整體受力能力。

5.3 主塔鋼混結合段設計

主塔鋼混結合段長3m，塔壁及外腹板厚36mm，在鋼混結合面位置處設置承壓板，承壓板厚60 mm，承壓板上開設灌漿孔。為了保證受力連續，加勁肋在過渡段范圍內減小高度，使其與標準段的加勁肋相配合。為了保證混凝土塔及鋼塔之間的剪力傳遞以及防止鋼板與混凝土之間的剝離，在鋼塔塔壁及腹板上加焊傳剪板，傳剪板上打孔以利于傳力。在與混凝土接觸的鋼塔柱塔壁及外腹板的內表面，均勻布置剪力釘，使鋼結構和混凝土結構連接成為整體。剪力釘直徑22 mm，高150 mm，塔、梁、墩結合段布置預應力錨桿，錨桿沿著斷面四周布置，間距為900 mm。錨桿上端錨固在承壓面上，以短加勁肋支撐，下端分批錨固在混凝土下塔柱內，分批張拉到位，以抵抗主塔的縱、橫向彎矩。

6 結 論

（1）斜拉橋的大懸臂縱橫梁體系在懸臂構造的設計創新可以大幅度增加懸臂橫梁的支撐強度，能夠符合懸臂梁理論計算，可為類似橋梁提供一定的經驗參考。

（2）將橋梁結構概念設計與結構結算結合運用，能夠快速合理的形成橋梁總體布置，總體設計的合理性直接影響橋梁的壽命期內的健康使用和耐久性。

（3）本文從結構合理的角度，分析結構尺寸對橋梁美觀的影響，形成結構合理的、景觀性較好的景觀獨塔斜拉橋。