強震區高墩多塔部分斜拉橋結構體系研究

羅亞林，張忠良，朱朝陽

(中國市政工程西北設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

1 工程概況

多塔斜拉橋是在常規斜拉橋的基礎上發展起來的新橋型，在跨越寬度較大的江河、峽谷時，多塔斜拉橋是一種可行的技術方案[1]。

斗中路高架快速干道南起高新區，向北與蟠龍新區連接，全長約7.3 km。其中上蟠龍塬段采用雙索面十塔斜拉橋，為本工程的控制性節點及重要的景觀工程。斗中路高架快速干道工程采用雙層橋方案上蟠龍塬，其中上層橋為部分斜拉橋，下層橋為連續梁橋，橋梁位于曲線上。上層橋最高橋墩高140 m，最矮橋墩高103.8 m，橋梁共11跨，全長1 222 m，由于橋梁高度高，總長長，主塔多，地震烈度高，在地震作用下主梁梁端位移和主塔塔底內力較大，需對其結構體系進行比選以確定合理的結構體系。

斗中路橋為多塔預應力混凝土矮塔斜拉橋，采用塔梁墩固結體系，主梁整幅布置，采用變高度預應力混凝土雙邊箱截面。標準截面梁頂寬度26.5 m，主塔支點處梁高5.0 m，跨中和邊支點位置梁高2.8 m，梁底曲線按1.8次拋物線變化。橋塔為鋼筋混凝土結構，采用左右分離式塔柱，左右塔柱對稱布置，塔柱之間采用橫梁連接，上塔柱塔高21 m，橫橋向向外傾角度為10°，下塔柱為雙柱式直立塔柱，采用等截面矩形空心截面，截面尺寸為7.0 m(縱橋向)×4.5 m(橫橋向)，壁厚0.9 m。下層橋支墩采用分離式矩形實心墩，支撐于承臺上。主塔承臺尺寸為38.2 m(長)×18.2 m(寬)×5.0 m(高)，下設32根直徑2.0 m鉆孔灌注樁基礎，按摩擦樁設計。

2 主要技術標準

(1)道路等級：城市快速路；(2)汽車荷載等級：城-A級；(3)抗震設防烈度：8度；地震動峰值加速度：0.2 g；(4)橋梁設計安全等級：一級；(5)設計使用年限：100年。

3 橋址處建設條件

擬建場地位于寶雞市金臺區，場地范圍內地貌由北往南依次為渭河河漫灘、一級階地、三級階地、五級階地。擬建場地地勢變化較大，地形總體趨勢是北高南低，向渭河微傾，高程為769.00～583.00 m，最大高差約186 m。

根據鉆孔和探井揭露結果，擬建工程場地在勘探深度范圍內的地層巖性主要為第四系松散堆積物，晚更新統風積黃土、殘積古土壤和中更統統風積黃土、殘積古土壤、卵石、新近系礫砂等組成。

依據《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306—2015)[2]，場地抗震設防烈度為8°，設計基本地震加速度值為0.20 g，設計特征周期為0.40 s。

4 結構體系研究

斗中路橋場地抗震設防烈度為8°，地震烈度高，墩高較高，聯長全長1 222 m，在地震作用下主梁梁端位移大，墩底內力大，考慮以上原因，為解決梁端位移及主塔內力較大的問題提出以下四種解決方案：

方案一：分兩聯，兩聯之間設鋼掛梁方案，解決整聯內力較大問題；

方案二：分兩聯，兩聯之間設剛性鉸方案，解決整聯內力較大及兩聯之間位移較大問題；

方案三：主橋整聯設計，解決兩聯之間跨中下撓及位移較大問題，可通過在邊主跨合攏前施加對頂力等措施改善邊塔受力；

方案四：分兩聯，兩聯之間設過渡墩方案，可解決跨中下撓問題及整聯內力較大問題。

4.1 方案一：兩聯之間設鋼掛梁

通過midas Civil軟件建立有限元分析模型，結構計算結果如下。

主梁在靜力作用下，標準組合時截面上緣最小壓應力1.1 MPa，最大壓應力15.2 MPa；截面下緣最小壓應力0.5 MPa，最大壓應力15.1 MPa，截面強度滿足規范要求。

主塔計算結果見表1。

表1 方案一 主塔內力計算結果

經驗算，主塔靜力及E1地震作用下強度滿足規范要求，其安全系數在1.5以上，E2地震作用進行延性設計，其位移和抗剪承載力滿足規范要求。

經計算，活載作用下掛梁側懸臂端部最大向下豎向位移為85.7 mm，最大向上豎向位移為34.9 mm，換算縱坡為0.0087 3 rad。橋面附加縱坡增加0.8%，造成行車不適。

掛梁處主梁懸臂端各荷載工況下縱向位移計算如表2所示。

表2 方案一 掛梁處主梁懸臂端 各荷載工況下縱向位移

從表2可知地震工況作用掛梁的位移很大，掛孔兩側主橋梁端E1作用下最大相對位移為665.4 mm，E2作用下最大相對位移為3 216.7 mm，在地震作用下兩側主梁相對位移較大，普通支座行程難以滿足位移要求，且掛梁極易發生落梁風險，為限制其縱向位移，掛孔與主梁間需設置限位措施。

目前應用較廣泛的限位措施主要有以下三種：(1)設置阻尼器；(2)在懸臂梁端設置拉索錨固在對面主塔；(3)設置拉桿。

經計算，以上三種限位措施優缺點比較如表3所示。

表3 方案一 掛梁與主梁不同限位措施比較表

從表3可知以上三種限位措施均有其局限性，都不能很好的適用于斗中路橋縱向限位。故斗中路橋采用掛孔時其縱向限位存在較大問題。

4.2 方案二：兩聯之間設剛性鉸

為解決掛梁體系行車舒適性及地震作用下主梁的落梁風險，考慮在主跨跨中處設置剛性鉸，其基本構造是在一側主梁內部放置小箱梁，小箱梁固定在一側主梁上，另一端自由，可以釋放兩側主梁縱向相對線位移，但約束兩側主梁的相對轉角和豎向與橫向平動，使結構受力得到改善，同時又能滿足行車舒適性要求。國內運用剛性鉸的工程實例相對較少，可查詢的工程實例有湖北鄖陽漢江大橋[3]和浙江嘉紹大橋主航道橋[4]，均為斜拉橋，國外的應用工程有美國奧克蘭海灣大橋引橋和新貝尼西亞馬丁內茲大橋。

斗中路橋主梁為混凝土雙邊箱結構，考慮在每個箱室內設置一道伸縮鋼縱梁，鋼縱梁一端錨固于一側主梁上，另一端活動，該端主梁通過在兩道橫隔板上設置帶球鉸的聚四氟乙烯滑板支座為活動端的鋼縱梁提供支點，通過這些支點約束跨中主梁的豎向位移和剪切、側向彎矩和剪切及扭轉變形，將主梁的彎矩、剪力和扭轉受力轉換為鉸支座的支反力。

剛性鉸方案可以有效解決跨中位置行車舒適性問題，同時也消除了地震作用下產生較大的相對縱向位移導致掛孔落梁的風險。但剛性鉸體系存在較多的技術問題：

(1)剛性鉸技術要求較高，構造較為復雜，支座的可調節性、耐磨性及安裝精度要求高，支座及剛性鉸的后期養護、更換較為困難，需進行大量的科研試驗驗證鉸結構的可靠性及耐久性。

(2)鄖陽漢江大橋聯長較短，嘉紹大橋主梁為鋼箱梁，兩座橋的跨中伸縮量相對較小，斗中路高架主橋后期收縮徐變作用下，主梁縱向相對位移已達到217 mm，運營階段及地震荷載作用鋼縱梁的伸縮行程較大，且兩側主梁后期不均勻豎向位移差導致支座長期受壓，剛縱梁豎向累積，導致支座摩擦力增加，鋼縱梁滑動受阻，支座及縱梁容易發生破壞。

4.3 方案三：主橋整聯設計

斗中路橋聯長較長，若采用整聯設計，混凝土收縮徐變作用及溫度力作用下主塔內力較大，邊塔控制結構設計，但整聯橋結構整體性較好，行車舒適，有條件采取有效的防落梁措施。國內也有許多已建或在建大跨長聯高墩結構的工程實例。如正在建設中的丹錫高速西拉沐倫河大橋[5]，采用主跨240 m的6塔矮塔部分斜拉橋，孔跨布置為128+5×240+128=1 456 m；咸旬高速公路三水河特大橋[6],采用主跨185 m的7跨連續剛構橋，孔跨布置為98+5×185+98=1 121 m；滬蓉西高速公路馬水河特大橋,采用主跨200 m的5跨連續剛構橋，孔跨布置為110+3×200+110=820 m。

由于斗中路橋橋墩較高，能顯著降低溫度和收縮徐變對其影響，但由于聯長較長，邊墩受力仍較大，故需通過合理的施工順序和主跨合攏時施加對頂力等施工措施改善邊塔受力。

考慮合理的施工順序和主跨合攏時施加對頂力建立主橋模型，結構計算結果如下：

主梁在靜力作用下，標準組合時截面上緣最小壓應力0.8 MPa，最大壓應力15.5 MPa；截面下緣最小壓應力0.6 MPa，最大壓應力15.2 MPa，截面強度滿足規范要求。

主塔由邊塔控制設計，邊塔計算結果如表4所示。

表4 方案三 邊塔內力計算結果

經驗算，主塔靜力及E1地震作用下強度滿足規范要求，其安全系數在1.5以上，E2地震作用進行延性設計，其位移和抗剪承載力滿足規范要求。

主梁梁端處各荷載工況下縱向位移計算如表5所示。

從表5可知地震工況作用梁端的位移較大，但過渡墩縱向寬度較寬，可避免發生落梁危險。

表5 方案三 梁端位移計算結果

斗中路橋設計為多跨長聯結構時主要存在以下問題：

(1)收縮徐變、整體升降溫度及地震作用下主梁和橋墩的受力會變大，邊墩控制設計?？赏ㄟ^合理的施工順序和主跨合攏時施加對頂力等施工措施改善邊塔受力。

(2)收縮徐變、整體升降溫度及地震作用下梁端的位移較大，但過渡墩縱向寬度較寬，可避免發生落梁危險。

4.4 方案四：兩聯之間設過渡墩

兩聯主橋之間設過渡墩橋墩的受力和縱向位移與設掛孔的方案類似，但其行車舒適性好，過渡墩有足夠的縱向尺寸避免落梁風險，邊塔受力相對較小，施工工序簡單。

4.5 方案比選及建議

根據以上研究可知，跨中設掛梁體系及跨中設鉸體系均存在較大的安全風險，技術難度大，國內外在建橋梁已很少采用這兩種結構體系，故不推薦這兩種體系。整聯橋體系主要是溫度及收縮徐變作用下邊塔受力較大，邊塔控制結構設計，可通過合理的合攏順序和在合攏前施加對頂力等施工措施改善邊塔受力，國內近年來已有數座已建或在建的高墩長聯橋梁工程實例，故推薦本體系作為實施方案?？缰性O墩體系結構受力最佳，從結構設計難度和后期風險控制等方面考慮為最優方案，但對橋跨的連續性和景觀效果有一定影響，會增一定的工程數量，可作為備選實施方案。

5 結 語

(1)兩聯之間設鋼掛孔方案可改善邊塔在收縮徐變及溫度力作用下結構受力并減小接引橋側梁端位移，但運營階段掛孔處主梁懸臂端部豎向位移較大，影響行車舒適性，地震作用下主橋間相對位移較大，控制措施效果小，支座和伸縮縫設計困難，地震作用下落梁風險大，后期收縮徐變產生的懸臂端主梁下撓較難控制。

(2)兩聯之間設剛性鉸方案可改善跨中位置行車舒適性，解決落梁風險，但剛性鉸技術要求較高，構造較為復雜，支座及剛性鉸的后期養護、更換較為困難，同時支座容易損壞。

(3)整聯橋設計解決分聯設計的后期懸臂端主梁下撓控制問題，行車舒適，同時可通過在邊主跨合攏前施加對頂力等措施改善邊塔受力。

(4)兩聯之間設過渡墩具有兩聯之間設掛孔的所有優點，同時可解決其跨中下撓問題，改善行車舒適，但跨中設墩影響橋跨連續性和景觀效果，同時將增加工程造價。

綜合比選推薦采用整聯橋方案，該方案受力、景觀效果及經濟性均較好。