佛山市南莊大橋結構設計與靜力分析

郭濟

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

1 概 況

近30年來，隨著我國交通基礎建設投資力度不斷加大，我國大型橋梁的修建規模呈快速增長的趨勢。斜拉橋以其跨越能力強、造型優美而備受人們的青睞，其中獨塔斜拉橋在100~300m跨徑范圍內具備競爭力[1-2]。

本文介紹的佛山市南莊大橋為主跨268m的獨塔雙索面斜拉橋（見圖1）。設計中，為滿足水利部門對大堤保護的要求，斜拉橋主塔設置于佛山市東平水道西側，主跨1跨跨越大堤，邊墩設置于水道東側大堤外。斜拉橋跨徑布置為65m+75m+268m，主梁為混合式箱形梁，其中主跨采用全鋼梁，邊跨采用預應力混凝土箱梁，主塔造型為寶瓶形，下部采用大直徑鉆孔灌注樁基礎。

圖1 南莊大橋總體布置（單位：m）

2 結構設計

2.1 技術標準

（1）道路等級：I級公路，兼顧城市道路功能。

（2）主線設計速度：60km/h。

（3）橋梁設計荷載：汽車荷載為公路-I級并按城-A級驗算，人群荷載3.5kN/m2。

（4）抗震設防類別為A類，抗震設防烈度為7度，抗震設防措施等級為8度，抗震重要性系數E1地震作用下為1.0、E2地震作用下為1.7。

（5）設計風速：設計基本風速V10=31.3m/s（重現期為100a）。

（6）耐久性設計環境類別：Ⅰ類。

2.2 設計方案

2.2.1 結構體系

斜拉橋跨徑布置為65m+75m+268m，獨塔雙索面結構、塔梁墩固結體系，主跨采用全鋼梁、邊跨采用預應力混凝土箱梁，邊墩設減隔震支座和橫向限位裝置，輔助墩設球型鋼支座，邊墩、輔助墩墩頂設混凝土壓重。

2.2.2 主梁設計

主跨鋼箱梁（見圖2）采用整箱正交異性板扁平鋼箱梁，全寬36.5m（不含風嘴），道路中心線處梁高3.3m，頂板設2%橫坡，底板水平。標準節段長度取12m，梁上索距取12m。節段吊裝施工及支架拼裝最大節段質量約370t（該節段采用橫向分段，吊裝質量控制在300t以內）。主梁鋼材均采用Q345qC橋梁用結構鋼。

圖2 主跨鋼箱梁橫斷面（單位：mm）

邊跨混凝土箱梁（見圖3）采用預應力混凝土單箱3室斷面，全寬36.5m（不含風嘴），中心線高度3.205m，頂板設雙向2%橫坡，底板水平，采用支架分段現澆施工。主梁采用C55混凝土，其中，為了防止收縮開裂，后澆段采用C55鋼纖維混凝土。

圖3 邊跨混凝土箱梁橫斷面（單位：mm）

鋼混結合段設在主跨距離主塔15m處，鋼混結合段長5m，采用有格室的后承壓板連接方式。其中，鋼箱梁加強段長3m，采用帶T型加勁的U肋；鋼格室長2m，高800mm，在格室內填充混凝土，并通過PBL剪力鍵及焊釘共同傳遞軸力、剪力和彎矩。為了使鋼箱梁與混凝土箱梁緊密結合，采用了預應力鋼束進行連接。

2.2.3 主塔設計

主塔采用寶瓶型橋塔，總高151m，橋面以上約133.5m。上塔柱采用單室箱形斷面，并設置2道上橫梁。上塔柱為標準單室箱形截面，斷面尺寸為4.5m×7.0m，下塔柱采用變截面單室箱形截面，截面尺寸從4.5m×7.0m變化至8.0m×9.0m。為保證塔底反力能夠均勻傳遞到主塔承臺上，在塔底設置2m實心段。

主塔上塔柱內設置鋼錨箱，塔內設置爬梯。主塔在下橫梁處與主梁固結，下橫梁采用箱形混凝土截面。橫梁頂、板內共配置44根φs15.2-19的鋼束，腹板內共配置20根φs15.2-19鋼束。

主塔基礎位于東平水道西側岸上，采用18根φ3.0m鉆孔灌注樁。樁基持力層為微風化砂巖或微風化砂質泥巖。

2.2.4 橋墩基礎

邊墩、輔助墩結構均采用矩形截面橋墩，邊墩立柱間用蓋梁連接，蓋梁采用預應力混凝土A類結構。每個立柱下布置直徑2.0m的鉆孔樁4根。

2.2.5 拉索設計

拉索采用空間雙索面布置。塔上索距2.4～3.2m，梁上標準段索距中跨12.0m、邊跨6.0m。全橋共40對、80根斜拉索，拉索水平傾角27°～76°，最長索長278m。最大單根拉索噸位約650t，安全系數不小于2.5。

拉索為高強鍍鋅鋼絲，強度為1670MPa，鋼絲束外設雙層PE護套。錨具采用冷鑄錨。另外在斜拉索兩端安裝內置式阻尼器，在索導管出口與拉索結合處加裝新型拉索密封系統，該系統由高強度鋁合金氣囊等構件組成。考慮雨顫影響，PE護套外表面設螺紋或凹槽。

綜合考慮本橋斜拉索在塔上張拉、索力大小、橋塔造型和尺寸等各方面因素，采用鋼錨箱的塔上錨固形式。鋼錨箱采用焊接，節段之間采用高強螺栓連接，鋼錨箱順橋向與塔壁之間焊釘連接。

鋼主梁錨固采用懸臂式鋼錨箱，全焊接的連接方式。混凝土梁錨固在箱梁外腹板底面，設置外凸式錨塊，拉索穿過鋼導管錨于梁底。

2.3 施工方案

主要施工工藝為主塔爬模施工，主梁懸臂拼裝施工。具體步驟如下：

（1）施工鉆孔灌注樁及承臺基礎。

（2）主塔下塔柱施工；塔梁固結處D2梁段分段澆筑，張拉塔橫梁第1批橫向預應力；斜拉橋邊墩、輔助墩施工。

（3）主塔上塔柱施工；主塔鋼錨箱安裝；張拉塔內鋼錨箱內預應力鋼束；混凝土主梁支架搭設、預壓。

（4）主塔封頂；安裝鋼混結合段的鋼箱梁M1；支架上現澆D1、D3梁段及鋼混凝土結合段；張拉D1、D3梁段內各橫梁的第1批橫向預應力鋼束；張拉D梁段的第D-1批縱向預應力鋼束。

（5）支架上澆筑A、B、C梁段；張拉A、B、C梁段內各橫梁的第1批橫向預應力鋼束；張拉相應梁段的第A-1、B-1批縱向預應力鋼束。

（6）支架上澆筑混凝土主梁合龍段；張拉第2批縱向預應力鋼束；施工南莊岸鋼箱梁支架平臺。

（7）陸上段鋼主梁M2船運到位，通過浮吊吊裝滑移到支架平臺上；張拉混凝土主梁的HL0和HL0'橫梁的第2批預應力鋼束；張拉第1對斜拉索相應混凝土主梁橫梁的第2批預應力鋼束；張拉第1對斜拉索；張拉相應混凝土主梁橫梁的第3批預應力鋼束。

（8）循環步驟(7)施工，安裝其余陸上段鋼箱梁；張拉相應的預應力鋼束和斜拉索。

（9）河中段鋼箱梁船運到位，橋面吊機吊裝就位；張拉相應混凝土主梁橫梁的第2批預應力鋼束；張拉第n對斜拉索；張拉相應混凝土主梁橫梁的第3批預應力鋼束。

（10）循環懸臂施工架設河中段鋼箱梁；每拼裝1段鋼箱梁，張拉相應混凝土主梁橫梁的第2批預應力鋼束；成對張拉相應的斜拉索；張拉相應混凝土主梁橫梁的第3批預應力鋼束。

（11）拼裝最后一段鋼箱梁；陸上段采用軌道滑移，支架上提升就位鋼箱梁；張拉相應混凝土主梁橫梁的第2批預應力鋼束；成對張拉相應的斜拉索；張拉相應混凝土主梁橫梁的第3批預應力鋼束；主跨合龍。

（12）拆除支架；橋面系及附屬工程施工；斜拉索索力調整；成橋運營。

3 靜力分析

3.1 分析模型

采用大型有限元分析軟件Midas/Civil對全橋進行分析。在實際建模分析過程中，對于主梁、橋墩、橋塔采用三維梁單元模擬，斜拉索采用只拉桁架單元模擬，各個構件截面特性按照結構實際尺寸進行取值。整個結構計算模型共有839個節點，740個單元。

結構邊界條件根據結構實際情況分別進行模擬（見圖4），其中：

（1）斜拉索錨點與梁、塔間采用主從連接。

（2）鋼梁、混凝土梁間采用剛臂連接。

（3）塔梁固結。

（4）承臺底固結。

圖4 結構計算模型

3.2 合理成橋狀態

斜拉橋屬高次超靜定結構，成橋階段的內力和線形較大程度上取決于斜拉索的索力[3]。因此，為使斜拉橋在成橋階段能處于一個相對合理的成橋狀態，有必要對其成橋索力做一定的優化。與常規對稱布置的獨塔斜拉橋相比，本橋在靜力優化過程中尚需特別考慮橋跨布置的不對稱特性。目前，常用的斜拉橋索力優化方法大致可以分為以下4類：指定狀態法、無約束優化法、有約束優化法以及影響矩陣法[4]。

本橋求解過程中，在確定斜拉橋結構布置、壓重等基本信息后，施加結構自重和壓重等外荷載并作一次落架線性計算。過程中通過改變構件的剛度來改變相應內力的分配，并調整壓重等參數直至結構整體受力良好。此時所得內力就是彎曲能量最小時的成橋內力，可將其作為斜拉橋成橋合理狀態，該過程實際上是索力優化影響矩陣法的簡化方法。

3.3 施工階段靜力分析

經分析，各施工階段的結構應力均滿足規范要求。其中：

（1）混凝土塔、梁正應力值均滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTGD62—2004）第7.2.8條規定。

（2）鋼梁應力值均滿足《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTGD64—2015）第3.2.1條的規定，小于270MPa的鋼材強度設計值。

部分施工階段的靜力分析結果見圖5、圖6。

圖5 主跨合攏階段混凝土塔、梁正應力（單位：MPa）

圖6 成橋狀態鋼梁正應力（單位：MPa）

3.4 成橋階段靜力分析

經分析，成橋階段的結構應力均滿足規范要求。其中：

（1）成橋階段混凝土塔、梁根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTGD62—2004）第6.3.1條規定，按照A類預應力構件設計標準對主梁進行驗算。在頻域效應組合下，截面上下緣均未出現拉應力，截面最小壓應力約0.1MPa；準永久效應組合下，截面上下緣均未出現拉應力，截面最小壓應力約0.9MPa，均滿足上述規范要求。

（2）成橋階段鋼梁根據《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTGD64—2015）第3.2.1條的規定，主梁最大拉應力117MPa、最大壓應力73MPa，均小于270MPa的鋼材強度設計值，滿足上述規范要求。

部分成橋階段的靜力分析結果見圖7、圖8。斜拉索方面，根據《公路斜拉橋設計細則》（JTG/TD65-01—2007）第3.4.1條，運營階段斜拉索的安全系數不應小于2.5。由分析結果可知，本橋拉索最大應力能滿足要求。拉索最大應力幅為137MPa，小于本橋拉索應力幅允許值200MPa，滿足要求。

圖7 成橋階段混凝土塔、梁頻遇組合應力（單位：MPa）

圖8 成橋階段鋼梁基本組合應力（單位：MPa）

位移方面，汽車荷載作用下主梁最大豎向位移為338mm（見圖9），小于主梁跨徑的1/500。主塔最大水平位移為105mm，約為塔高度的1/1457。

此外，通過合理調整索力和適當壓重，標準組合下支座均保有一定壓力儲備，其中主跨邊墩162t，邊跨過渡墩180t，邊跨邊墩277t。

3.5 靜力穩定性分析

圖9 活載作用主梁最大豎向位移（單位：mm）

分析了成橋狀態下全橋結構的穩定性，結構1階失穩模態為主塔橫橋向側彎，1階彈性穩定系數為22，滿足規范要求。

4 結 語

本文介紹了佛山市南莊大橋的結構體系和施工方案，研究得到該橋合理的成橋狀態，并在此基礎上給出施工狀態和成橋狀態下的靜力分析結果，對結構的整體穩定安全性進行評估。