某扭索面獨塔斜拉橋總體設計

夏 至

(江蘇中設集團股份有限公司，江蘇 無錫 214000)

1 概述

隨著城市建設的飛速發展，城市橋梁景觀造型越來越被重視。一座景觀好的橋梁往往成為當地的標志性建筑。斜拉橋橋塔為高聳結構，景觀效果較好，常作為城市景觀橋梁的橋型選擇。本項目橋梁跨越某景觀湖，因通航及防洪需要采用兩孔150 m左右跨徑布置。該景觀湖環保要求較好，且工期緊張，擬采用鋼梁鋼塔斜拉橋加快施工速度。經橋型初步計算分析，橫梁控制橋梁結構設計，有條件改變拉索布置形式加強景觀效果。綜合各建設條件，設計采用獨塔扭索面斜拉橋方案。

2 總體設計

大橋橋梁全長518.06 m，主橋采用(30+151+151+30)m獨塔雙索面斜拉橋(見圖1，圖2)，南北側各設置1個輔助墩及1個過渡墩；標準段橋梁全寬38.5 m，橋塔處橋梁全寬45.0 m。

上部結構采用半封閉鋼箱梁、A字形橋塔、空間扭索面斜拉橋。主梁采用雙邊鋼箱梁；橋塔采用A字形橋塔，總高108.28 m，橋面以上主塔采用鋼塔結構，下塔柱采用混凝土結構。下部結構橋墩采用板式墩，鉆孔灌注樁基礎。

主梁采用半封閉雙邊鋼箱截面，中心線處高度3.35 m，標準斷面寬度38.5 m。邊箱頂寬6.85 m，底寬7.107 m；懸臂長度6.95 m；兩箱室間凈距10.9 m。輔助墩處設置兩個支座，支座間距為15.25 m；過渡墩處設置兩個支座，支座間距為18.2 m。標準斷面頂板厚度16 mm，底板厚度16 mm，邊腹板30 mm，中腹板16 mm；輔助墩負彎矩區頂底板局部加厚至30 mm。

橫隔板標準間距3 m，均采用實腹式隔板。拉索區橫隔板厚度采用16 mm；支點橫隔板采用30 mm。繞塔處采用加高U型縱梁的方式傳遞局部繞塔區荷載。

設計采用通用有限元程序模擬橋梁施工過程及使用期受力(模型見圖3)，考慮的設計荷載有：自重、二期恒載、汽車荷載(城—A級)、人群荷載、風荷載、體系升降溫(升溫40 ℃，降溫-20 ℃)、索梁溫差(±15 ℃)、截面非線性溫差(參考BS5400)、支座不均勻沉降。

橋塔基底采用一般支撐，過渡墩和輔助墩采用雙排支座模擬，全橋為漂浮體系，索梁錨固及索塔錨固均采用剛性連接。

梁體考慮彎矩剪力滯效應，計算梁體有效寬度折減系數，見表1。

表1 梁體有效寬度計算表

第一體系(主梁體系)工況下，考慮主梁有效寬度系數、局部穩定系數。主梁應力見圖4，上緣最大拉應力為73.2 MPa；主梁構件上緣最大壓應力為72.1 MPa。主梁構件下緣最大拉應力為77.5 MPa；主梁構件下緣最大壓應力為98.8 MPa。

總體計算考慮橋面系二體系應力，建立局部模型(如圖5所示)分析橋面板應力,橋面板及橫隔板均采用梁單元進行模擬。在橫隔板與鋼箱梁腹板相交處建立一般支撐，橫隔板縱向間距為3 m。建模過程中主要考慮結構自重、二期恒載、汽車荷載及人群荷載。

基本組合作用下，橋面板上緣最大拉應力為28.7 MPa；橋面板上緣最大壓應力為23.9 MPa?；窘M合作用下，橋面板下緣最大拉應力為63.2 MPa；橋面板下緣最大壓應力為88.1 MPa。第二體系應力與主橋總體模型主梁上緣應力疊加，得到橋面板最大拉應力為104.7 MPa，最大壓應力為169.0 MPa。

3 橋塔設計

索塔橫橋向為“A”字形，總高108.28 m，其中下塔柱為鋼筋混凝土結構，高13.5 m；中塔柱和上塔柱為鋼結構。塔柱特征截面為八邊形截面，塔底處，特征截面橫橋向尺寸6.0 m，13.5 m高度及以上部分橫橋向尺寸均為4.0 m；塔底截面處順橋向為12.0 m，塔頂處為5.5 m。

鋼結構中塔柱和上塔柱由外壁板、內壁板、側壁板、中腹板和兩道邊腹板組成(見圖6)，板厚均為40 mm。在塔頂拉索錨固區范圍內，中腹板上開設1.35 m寬度的孔，供錨梁安裝和斜拉索安裝用。壁板及腹板加勁肋均采用360 mm×36 mm，加勁肋沿塔壁內表面均分布置，但在拉索錨固范圍內，加勁肋布置根據錨固構造的位置進行局部調整。中塔柱錨固區水平設置橫隔板，橫隔板板厚20 mm，間距2.5 m。下塔柱非錨固區每3.0 m垂直橋塔軸線設置一道隔板，橫隔板板厚20 mm，橫隔板間設置一道橫隔肋，橫隔肋板厚20 mm。

在混凝土下塔柱頂面5.5 m范圍內設置鋼混凝土結合段(見圖7)。鋼塔柱與混凝土下塔柱間采用雙層端板承壓的方式進行連接。鋼塔柱與混凝土塔柱間設置鋼混凝土結合段，主要傳力機理為雙端板承壓的傳力方式，同時為保證鋼結構與混凝土的結合，采用PBL鋼筋與剪力釘組合的鋼混凝土結合方式。為保證鋼混凝土結合段傳力順暢，在鋼混凝土結合面以上6 m處開始增設兩道腹板，腹板由加勁肋逐漸增高形成，并如中腹板埋入混凝土結構內。

鋼混結合段受力復雜，為檢驗鋼混結合段的受力機理，采用數值模擬鋼混結合段受力后優化構造設計(如圖8所示)。

橋塔鋼混結合段軸力主要由承壓板承擔，傳力比例為56%，焊釘連接件承擔約24.4%的軸力，開孔板連接件承擔約22.8%的軸力。

4 錨固節點設計優化

1)梁上錨固構造。

拉索與主梁采用錨箱式錨固，錨箱安裝在主梁邊腹板外側，并與其焊成一體。斜拉索拉力通過錨箱的兩個錨固板傳遞給主梁腹板，主梁腹板和承壓板內側均設置了補強板，以利于錨固處的應力合理分散到主梁上(模型見圖9)。

錨板件應力均小于100 MPa；剪力板上端部與主梁側板相接點出現應力集中點，設計采用在箱內對應位置增設局部加勁板；箱梁箱內加勁板應力范圍在50 MPa～90 MPa。

2)塔上錨梁構造。

塔柱錨固區對應位置布置16對拉索錨固構造以錨固32對斜拉索。錨固構造的兩端焊接在邊腹板上，并穿過中腹板(模型見圖10)。

塔上錨梁受力均衡，錨板最大應力56 MPa；錨梁與塔壁板相接位置應力約25 MPa。

5 結語

本文介紹了某扭索面獨塔斜拉橋的設計，敘述了橋梁的總體設計并進行數值模擬分析，對橋塔鋼混結合段、梁上錨固區、塔上錨固區進行受力分析并優化設計。通過本文的介紹，為扭索面獨塔斜拉橋的設計提供了技術參考。