轉體施工鋼箱梁獨塔斜拉橋結構體系探討

應海峰，韋躍

（1.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210000；2.江蘇交科交通設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223001）

隨著我國高速公路網的不斷建設，跨越既有高速公路的橋梁工程建設不可避免。為了盡可能減小施工對既有高速公路運營安全的影響，保障施工安全，最大限度地縮短跨線作業時間，轉體施工被廣泛采用。

獨塔斜拉橋不僅有斜拉橋所具有的跨越能力大、結構簡潔明快、塔柱高聳挺拔、造型輕巧美觀、型式多樣化等特點。除此以外，獨塔斜拉橋主梁長度比雙塔短，無索區較長，一般造價略低；而且整體剛度較大，抗風抗震動力性能均比雙塔斜拉橋要好。在橋梁設計總體布置中，由于獨塔斜拉橋僅有一座塔墩，其橋墩選擇在地質條件好的一側；或者根據河流主航道位置、橋下交通道路要求以及地形地貌的特征情況來進行確定[1]。

轉體施工的獨塔斜拉橋結合了上述特點，在實際工程中已越來越多得到應用。

1 工程概況

擬建政和大道西延跨越滬寧高速，路線線位與滬寧高速斜交角度為33.3°。根據規劃要求，滬寧高速后期有拓寬改造為雙向十車道的需求。本次上跨滬寧高速處橋梁設計為（175+175）m 獨塔中央索面鋼箱梁斜拉橋，采用轉體法施工，轉體部分跨徑為（166+166）m。在大樁號側設置輔助墩，輔助墩與主塔間距88.3m。

圖1 滬寧高速節點橋立面圖

2 結構設計

2.1 橋塔

橋塔呈“風帆”造型，造型別致，景觀優美，由主塔和附塔兩部分組成。主塔采用鋼筋混凝土結構，由下塔墩，中、上塔柱及塔冠幾部分組成。標準段塔柱截面順橋向寬度為7.5m，橫橋向寬度為4.5m，采用單箱單室截面，順橋向壁厚為1.2m，橫橋向壁厚為1.0m。附塔采用鋼結構箱型截面，縱橋向根部寬度4m，塔頂寬度2m；橫橋向根部寬度5m，塔頂寬度2.5m。截面尺寸由根部到塔頂呈均勻變化。在索錨區沿拉索方向在主塔和附塔之間設置索套管。主塔和附塔通過底部、頂部以及中間索套管連接，形成穩定的整體結構。

主塔基礎采用承臺接群樁基礎，承臺采用六邊形，長邊16.25m，短邊13.08m，高5.5m。承臺下梅花形布置24 根鉆孔灌注樁，樁徑2.2m。

圖2 橋塔結構圖

2.2 主梁

主梁采用全焊接扁平流線型封閉鋼箱梁。主梁標準截面采用單箱五室，中心線處梁高3.2m。箱梁頂板寬31.5m（含風嘴），底板寬15.4m。鋼箱梁頂面設雙向2.0%的橫坡，底面平行布置。斜拉索采用中央索面布置，橫橋向采用雙排索。斜拉索呈扇形布置，梁上錨固點索距12m，塔上豎向索距分3.0m、2.5m 和2m 三種。

圖3 鋼主梁結構圖

2.3 拉索

采用中央索面布置，橫橋向采用雙排索。斜拉索呈扇形布置，在梁上錨固點間距12m，在塔上豎向間距分3m、2.5m 和2m 三種。橫向每排拉索在梁上錨固點處橫向間距4.3m，在塔上錨固點處橫向間距0.9m 左右。

采用φ15.2PE 包裹的填充型環氧涂層鋼絞線斜拉索，標準強度為1860MPa，公稱直徑為15.2mm。斜拉索外包雙層熱擠PE 護套，拉索自由段由雙螺旋線HDPE 外護套管進行整體防護，以減小風雨振發生的可能。全橋共4×13=52 根斜拉索，根據拉索力的不同，共選擇四種規格，分別為43-φs15.2、55-φs15.2、61-φs15.2 和73-φs15.2。

2.4 轉體結構

橋梁采取平面轉體施工法跨越既有滬寧高速，轉體結構由上轉盤、球鉸、下轉盤、轉體牽引系統、助推系統、軸線微調系統等部分組成。

轉動球鉸采用成套產品，分上下兩片，其豎向承載力180000kN。球面投影直徑φ4200mm，球鉸是轉體施工的關鍵結構和轉動體系的核心，其加工制作及安裝精度均要求較高，必須精心制作和安裝。

圖4 轉體體系布置圖

3 有限元模型的建立

根據滬寧高速節點橋施工圖，采用Midas/Civil 軟件建立全橋單梁桿系模型。主塔、主梁用梁單元進行模擬，斜拉索采用桁架單元進行模擬，承臺簡化為剛體，所有承臺底約束六個方向的自由度。主塔與主梁縱向分別按不同縱向體系進行全固結、縱向彈性連接（縱向彈簧剛度為2×104kN/m），橫向約束采用固結。整體有限元模型見圖5。

圖5 橋梁整體有限元模型

4 結構體系的確定

由于本橋采用平面轉體施工法，為減輕轉體階段上部結構自重，主梁采用鋼箱梁。綜合考慮主塔的造型、整體剛度和施工便易性等因素，主塔采用鋼筋混凝土結構。

混凝土橋塔與鋼主梁常采用半飄浮體系或塔梁墩固結體系。采用半飄浮體系時，結構通過支座約束體系傳遞荷載，不需設置鋼-混凝土過渡段，構造簡單且傳力明確，施工便利。采用塔梁墩固結體系時，結構整體剛度好，便于懸臂施工，能夠減小橋塔壓桿自由長度；另一方面，塔梁墩固結處構造復雜，需設置鋼-混凝土過渡段，受力不明確，施工難度較大。下面比較兩種結構體系的主梁和主塔內力、位移，具體結果見表1。

表1 兩種結構體系內力和變形比較表

由上表可以看出，對主梁彎矩而言，半漂浮體系比塔梁墩固結體系更小，正負彎矩也更均勻，主要是因為塔梁墩固結體系在塔梁固結處存在鋼-混凝土過渡段，此范圍內主梁剛性約束且受力復雜，彎矩較大。對主梁變形而言，塔梁墩固結體系比半漂浮體系稍小，主要是因為塔梁墩固結體系結構整體剛度更大。對主塔彎矩而言，兩種結構體系基本一致，半漂浮體系稍大。

考慮墩塔梁固結體系中需要設置塔梁固結構造、鋼-混凝土過渡段構造等。同時，墩塔梁固結體系結構自重較大，縱橋向抗震性能較半漂浮體系差；轉體施工時結構自重也比半漂浮體系大約4000t。綜上所述，本橋設計考慮采用半漂浮體系。

5 輔助墩的設置

斜拉橋在邊跨設置輔助墩，可以增強結構體系的整體剛度。當橋梁主跨作用活載時，輔助墩的設置可以明顯約束塔身變形，從而改善橋塔和主跨的內力，提高橋梁的整體剛度。同時輔助墩的設置還可以明顯改善邊跨的內力和變形，特別是對輔助墩附近主梁斷面的內力有明顯改善。下面將本橋設置輔助墩前后的主要計算結果匯總如下表2 所示。

表2 輔助墩設置前后結構主要指標表

通過計算對比分析，橋梁設置輔助墩后，對于橋梁結構整體剛度提高較大。在汽車活載作用下，主塔縱橋向變形和塔底內力均得到明顯減??；主梁變形和內力也有一定減小。橋梁在滬寧高速西南側也有設置輔助墩的空間，因此本橋設計考慮設置輔助墩。

6 結論

政和大道西延線滬寧高速節點橋為(175+175)m 獨塔中央索面鋼箱梁斜拉橋，采用轉體施工方法。本文采用有限元分析程序對該橋梁結構進行了詳細分析，從橋梁結構體系確定、輔助墩設置與否、轉體施工的關鍵技術等方面進行了深入的探討和研究，為類似工程提供了借鑒和參考。