分析預應力混凝土無背索斜拉橋設計

王麗娟

(山東中咨公路咨詢設計有限公司，山東 東營 257091)

對于無背索斜拉橋，它是對普通斜拉橋在造型上的突破，整體橋型有強大支撐力，能給人以十分深刻的印象。對于普通斜拉橋，會在橋塔的兩側設置斜拉索，在恒載作用下，兩側斜拉索實際水平力可以保持平衡，而主塔則在活載情況下承受水平方向的作用力與彎矩。

1 工程概況

某高科技園區是直接面向于新世紀的以高科技產業為核心的園區基地，是國家級的高新技術產業開發基地，將科技、教育、生產和培訓等集為一體。根據城市發展總體戰略，該科技園區是今后很長時間的發展重點，南北和東西方向的長度分別為6 km左右和1 km左右。在該地區中的開發地塊內，有一座橋梁從河道上直接跨越，是進入到這一開發區中的大門之一。按照開發區整體布局，這一橋梁是開發區中的主要景觀，其外觀必須具備一定標志性，充分體現出和現代化工業園區良好協調適應的風格。基于此，采用現階段在我國還很少使用的無背索斜拉結構，使其外觀如同一艘帆船，以此表現出未來蓬勃發展和一帆風順的含蘊。該橋梁結構的設計荷載為城-B，同時按照汽車-20級和掛車-100級進行驗算，人群荷載為4.0 KN/m2，橋面布置結構：寬度為0.25 m的欄桿+寬度為3 m的人行道+寬度為8 m的車行道+寬度為2 m的中央分隔帶+寬度為8 m的車行道+寬度為3 m的人行道+寬度為0.25 m的欄桿，全寬為24.5 m，橋面設置2%的橫坡，梁底標高不小于5 m，地震烈度取6度，橋梁設計中提高一個等級，并進行加強抗震設計，提高墩柱結構延性，并在樁的頂部設置箍筋予以加強。現圍繞該橋梁實際情況，對其設計做如下分析研究。

2 設計構思

因開發區中沒有跨度相對較大的河道，對于小跨徑梁橋，只有橋欄桿可以適當裝飾，總體形象很難形成景觀。基于此，只能進行人工造景，將橋梁的結構確定為無背索斜拉式，利用橋梁塔身創造制高點，以此充分體現橋梁工程的氣勢與力度。總體上，該結構不對稱，塔身向岸邊的方向后傾，能獲得新穎且良好的穩定感，將拉索僅配置于跨河其中一側，通過鋼索使橋面被提起，以此能增添驚險刺激之感，形成壯闊畫面。縱立面整體造型和船只類似，能表現出良好的寓意。

無背索斜拉橋屬于特殊形式的斜拉橋，然而也和斜拉橋相同，因索力處于梁體之外能增加一定力臂，多條索形成的索力能形成一個彈性支承，使梁內彎矩變小，提高梁體跨越能力，并能減小主梁的高度。這樣的設計是為了保證景觀，所以所選的跨徑及結構形式不是最經濟的組合。

因該橋所在位置和河道的規劃藍線發生了移位，在施工過程中還沒有開河，所以可在岸上進行支架的搭設來完成澆筑，不需要進行懸臂澆筑或采用預制拼裝的方法。

拉索的初始拉力需要嚴格按照塔身下端截面實際彎矩等于零來控制，為了方便實際的設計與施工，應使用四根保持平行位置關系的拉索，每一條拉索的初始應力都要按照完全下相等來考慮。

對于外部結構受力，其中一端采用塔身和主梁與橋臺固結，而另外一端采用超靜定體系。對于內部結構受力，主梁在拉索部位按照彈性支撐形式的連續梁來充分考慮。

3 總體設計

3.1 橋型布置

橋孔采用單孔跨徑為48 m的獨塔形式，無背索。在橋上設置一個凸起的豎曲線，曲線的半徑為4 000 m。在橋面上設置2%的橫坡，總寬度為24.5 m。在獨塔以下，1#橋臺采用單箱四室截面，而另外一側的0#臺為鋼混實體，以上均為方柱基礎。

3.2 上部結構

主梁采用單箱雙室結構，采用強度等級為C50的混凝土，高度和寬度分別為1.6 m、16 m，邊腹板的厚度為40 cm，中腹板的厚度為60 cm，頂板的厚度為22 cm，并設置2%的橫坡，底板的厚度為20 cm。同時，采用雙向預應力技術，按照10 m的間隔距離設置橫梁，其寬度為50 cm。在箱梁的頂板進行橫向力筋的設置，其設置間距為50 cm。整橋共采用80根力筋，在每個邊腹板中都布置12根力筋，在中腹板中布設56根力筋。所用力筋的標準強度為1 860 MPa，在張拉過程中按照1 395 MPa的應力進行控制。在混凝土的實際強度達到設計要求后，方可開始張拉。

斜塔結構截面為矩形，采用鋼混結構，結構的高度為35.4 m，和橋面之間的夾角為60°，主要布置在中央分隔帶，整橋僅設置一個斜塔。主要采用為強度等級為C50的混凝土，在塔中縱向布設力筋，在兩端同時進行張拉。同時，在周圍配置44根力筋。

塔和橋面的縱梁之間設置四根拉索，在水平方向的間隔距離按10 m控制，將橫梁的位置作為張拉位置，斜拉索和梁之間的夾角按30°控制。斜拉索為高強鍍鋅鋼絲，其外包一層聚乙烯，為拉索提供有效保護，每根拉索采用85根鋼絲。

橋面結構共分為兩層，分別為鋼筋混凝土和瀝青混凝土，其中，鋼筋混凝土層的厚度為8 cm，強度等級為C30，瀝青混凝土的厚度為20 cm。在橋面上設置2%的橫坡，以利于橋面的排水。橋面上的人行道必須比橋面略高20 cm，并設置和橋面相反的橫坡，坡度按1%控制。

3.3 下部結構

(1)1#橋臺采用單箱四室截面，混凝土的強度等級為C50，臺高4 m。橋臺和箱梁之間采用剛性連接，通過整體澆筑而成，無需設置支座，其下方均采用方形樁。

(2)0#臺為實體臺，采用強度等級為C30的混凝土澆筑而成，每一片腹板都設置支座。另外，在橋臺和箱梁之間布置伸縮縫裝置，其下方均采用方形樁。

4 結構計算與施工順序

無背索斜拉橋主要通過塔身向后傾適當角度來產生足夠彎矩，使主橋的荷載彎矩達到平衡。斜拉索的索力可以通過兩者的平衡進行計算。通過計算可知，斜拉索的索力為150t左右。

在本次設計過程中，主要采用由同濟大學提出的系統，節點的個數為24個，單元的個數為25個，1#～8#單元是箱梁，9#～11#單元是橋臺，12#～21#單元是斜塔，22#～25#單元是斜拉索。

施工過程中的荷載包括：結構自身重量、二期恒載、預應力、各個齡期混凝土發生的收縮與徐變；在運營過程中的荷載包括：汽車、掛車與人群荷載。

施工過程中的計算結果為：(1)箱梁：上緣正應力為8.12 MPa，應力的最大值為17.5 MPa，下緣正應力為7.99 MPa，應力的最大值為17.5 MPa；(2)橋臺：上緣正應力為4.42 MPa，應力的最大值為17.5 MPa，下緣正應力為2.68 MPa，應力的最大值為17.5 MPa；(3)斜塔：上緣正應力為2.72 MPa，應力的最大值為17.5 MPa，下緣正應力為2.09 MPa，應力的最大值為17.5 MPa。橋梁所用斜拉索的拉應力為60.9 MPa<62.79 MPa。使用過程中的計算結果為：(1)箱梁：上緣正應力為9.79 MPa，應力的最大值為17.5 MPa，下緣正應力為9.66 MPa，應力的最大值為17.5 MPa；(2)橋臺：上緣正應力為4.06 MPa，應力的最大值為17.5 MPa，下緣正應力為2.61 MPa，應力的最大值為17.5 MPa；(3)斜塔：上緣正應力為2.26 MPa，應力的最大值為17.5 MPa，下緣正應力為2.74 MPa，應力的最大值為17.5 MPa。橋梁所用斜拉索的拉應力為61.01 MPa<62.79 MPa。

施工順序為：樁基施工→支架搭設、鋼筋綁扎、模板支設、橋臺澆筑→箱梁鋼筋綁扎、模板支設、橋臺與箱梁澆筑→支設塔身支架、鋼筋綁扎、分段澆筑→張拉梁內橫向筋→張拉梁內縱向筋→張拉塔下斜拉索→張拉斜塔中力筋→張拉剩下的斜拉索→拆模與支架拆除。

5 結束語

綜上所述，無背索斜拉橋是一種比較新穎和特殊的斜拉橋結構型式，目前該工程的無背索斜拉橋設計已經完成，且通過了專家的論證，認為橋梁設計合理可行，可以為施工提供可靠參考依據，設計中所用的方法也可為其它類似工程提供參考借鑒。