懸澆施工的預應力混凝土矮塔斜拉橋受力特性分析

胡士波，任榮明

（華藍設計（集團）有限公司，南寧 530000）

1 引言

矮塔斜拉橋是近幾十年發展起來的橋型，它的特點介于梁橋和斜拉橋之間，更多地具有梁橋的特點。但由于斜拉索的存在，此類橋型較好地融合了斜拉橋的優勢，如減小梁高、增強美觀性能、減小跨中下撓等。本文將以廣西鹿寨縣新勝大橋為例，著重分析懸臂澆筑施工的預應力混凝土矮塔斜拉橋受力特性、構造特點、經濟適用性、優化建議等，為橋梁設計者提供參考。

2 概述

廣西鹿寨縣新勝大橋位于鹿寨縣經濟開發區，跨越洛清江，結合河流走向、地形、航道規劃和通航評估報告結論、用地批復情況，設置大橋1 座，主橋上部結構采用（47+80+47）m 矮塔斜拉橋，北岸引橋采用3×35m 預應力混凝土連續箱梁橋，下部結構采用端承樁基礎，鋼筋混凝土矩形截面橋墩，重力式U型橋臺，全橋長284m，橋梁寬度29m，橋梁面積8 236m2，為正交橋。橋梁主梁采用掛籃懸臂澆筑施工，水中墩及承臺樁基采用筑島圍堰施工（見圖1）。

本文將著重介紹本橋的施工工序、受力特性及經濟性分析，為類似橋梁工程總結經驗，提供參考。

3 梁塔構造

主橋主梁采用（47+80+47）m 預應力混凝土連續箱梁，梁高4.8～2.5m，單箱4 室結構，主梁與索塔固結，墩頂及索塔處設橫梁，拉索處設橫隔板；主梁共分為10 個節段，節段長3.0～4.5m。索塔采用縱A 字型結構，置于橋梁中分帶，塔高16.0m，每個索塔設置拉索4 對，索距6.0m，拉索角度25°～45°，跨中無索區為20m，橫向為雙排索，間距1.0m。拉索采用M250A-12鋼絞線拉索，破斷索力3 125kN，運營期拉索安全系數為3.0。

上部結構施工工序為：

1）懸臂澆筑主梁。

2）主梁合龍后現場澆筑索塔。

3）對稱安裝張拉A～D 號拉索。

圖1 新勝大橋橋型布置圖

4）施工二期恒載成橋。

4 梁塔受力特性

4.1 主梁受力特性

計算分析采用MIDAS8.05 建立全橋整體模型，施工工序均按照實際工序模擬，特殊構件（索塔、橫梁、橫隔板等）建立局部模型計算分析，全橋有限元模型如圖2 所示。

圖2 新勝大橋全橋有限元模型圖

計算表明，主梁由于施工工序的限制，主梁受力特性與常規變截面連續箱梁橋基本相同。受力控制點為最后1 個懸澆節段澆筑后墩頂上緣受拉和墩頂下緣受壓控制，合龍段預應力施加后，全橋應力狀況改善。各控制階段主梁控制截面壓應力儲備提升約30%。

由于主梁剛度大，斜拉索張拉后，主梁在施工階段應力變化不大，基本在1MPa 左右，且均為全截面受壓，施工階段安全系數較高。但斜拉索張拉完成后，跨中上撓明顯，由斜拉索產生的跨中上撓約12mm，占比40%，對控制跨中下撓的貢獻明顯。運營階段主梁全截面也均處于受壓狀態，且由于斜拉索張力的限制，主梁跨中長期下撓受到約束，且后期使用可通過改變斜拉索張力的方式調節主梁跨中下撓，具有較好的安全性和預期耐久性。

4.2 拉索張拉力的確定

基于上述施工工序特點，拉索張拉力主要控制因素為橫隔板承載能力及使用應力控制。全橋寬29m，扣除懸臂寬度，拉索橫隔板懸臂11.5m，最靠近跨中的拉索橫隔板梁高2.65m。計算結果表明，跨中處拉索橫隔板承載能力雖有富余，但無大幅提升空間，設計索力一定程度上受到拉索橫隔板承載能力控制。拉索張拉力轉換到索塔為軸力，轉換到主梁為剪力，主梁腹板抗剪截面要求較高，但可通過適當增加支點截面的方式大幅提高承載力。因此，拉索張拉力受到長索橫隔板及主梁支點梁高的限制，應在保證二者安全儲備相當的情況下確定拉索張拉力。

4.3 拉索受力特性

本橋拉索采用M250A-12，拉索索體由單根PE 防護環氧涂層鋼絞線和HDPE 外護套構成，合龍后張拉索力為1 000～1 100kN，破斷索力為3 125kN，成橋階段最大索力為1 024.6kN，運營階段最大索力為1 256.5kN。

本橋主梁梁高受施工工序控制，截面較大，拉索所承擔的荷載僅為極小部分恒載以及小部分活載，其分擔比例主要受主梁剛度及拉索張拉力控制。計算表明，張拉拉索對先前已張拉拉索的影響較小，主梁合龍后張拉拉索，1 次張拉到位（先長索后短索），2 期恒載施加后、活載施加后索力依然均衡，最大索力和最小索力的差異均在2%以內，無需2 次調索。

由于拉索的設置，拉索在主梁處要設置橫隔板，橫隔板重量在465.4～642.2kN，占運營索力的18.8%～25.6%，考慮斜拉索角度的影響，占運營索力（垂直分量，斜拉索角度25°～45°）的44.5%～51.2%。因此，采用高強輕質的橫隔板，適當增加拉索張拉力，可大幅提高橋梁承載能力。

4.4 索塔受力特性

理論狀態下，索塔基本為軸壓構件，由于索塔高度較小，風荷載基本可忽略。索塔受力主要考慮如下因素：

1）對稱張拉時的偏差導致索塔偏心。

2）運營時活載分布不對稱導致索塔偏心。

3）運營過程中斷索或單側索力下降導致索塔偏心。

4）綜合以上因素，計算索塔時考慮A 號索（與索塔夾角最小）單側失效疊加100a 一遇風荷載作為控制工況，截面受力特性為偏壓構件【1】。計算表明各種工況下索塔承載能力富余較大，截面及配筋受使用裂縫控制【2】。為保證索塔體量與主梁體量在景觀上的協調，拉索在索塔端固定（若在索塔端張拉，為保證張拉空間，要設置較大的索塔），張拉端設在箱梁內部。

5 經濟性分析

本橋橋面積8 236m2，建安造價7 184.9 萬元，單方造價8 724 元/m2。扣除引橋，主橋單方造價約 9 800 元/m2，與常規預應力混凝土箱梁橋造價相當。

6 結論及建議

1）此類橋型在經濟性方面與常規預應力混凝土箱梁橋造價相當，但具有相當好的景觀效果，且后續使用可以通過調整索力來提高承載能力，控制跨中下撓，安全儲備相對于同等跨徑梁橋更高。

2）此類橋型受力特性呈現出梁橋為主的受力特性，拉索承擔荷載相對較小，施工過程中也不需要2 次調索。

3）拉索區若采用混凝土材料自重大，影響拉索承擔荷載的有效性，若采用高強輕質的拉索橫隔板可較大幅度地提升拉索所承擔的荷載的有效性。

4）拉索承擔的荷載最終轉換成剪力傳至主梁墩頂主梁，要求墩頂主梁具有較大的梁截面，若能在設計中做到塔梁分離，則可有效減小支點梁高。

7 結語

由上述分析可知，懸臂澆筑施工的預應力混凝土矮塔斜拉橋更多地具備梁橋的特性，由于施工工序的限制，斜拉索的介入并不能大幅度減小梁高，但能顯著地改善跨中下撓、增強橋梁美觀性能、為后續的加固以及提載預留空間，且具有良好的經濟性。此類橋型設計的核心在于優化拉索區橫梁布置，減輕橫梁自重，從而增強斜拉索分擔荷載的效率。若能將施工工序由懸臂澆筑改為滿堂支架澆筑或頂推施工，或做到塔梁分離，則此類橋型可顯著減小梁高，其結構優勢更加顯著。

2018 年5 月，本橋已開工建設，預計2020 年12 月本橋將建成通車，建成后對鹿寨經濟發展具有重要意義。