山區V形峽谷大跨度獨塔斜拉橋總體設計

賈亞光

摘要 鄭洛高速后寺河特大橋跨越V形峽谷，地勢起伏較大，溝深谷陡，自然坡度40～85°。綜合考慮地形、地質、水文等條件，選取梁橋、拱橋、懸索橋、斜拉橋等多種橋型進行比選，最終確定采用2×193 m獨塔雙索面預應力混凝土斜拉橋。主梁采用肋板式混凝土主梁，索塔采用“A”型混凝土索塔，拉索采用平行鋼絲成品索，基礎采用嵌巖樁基礎。工程采取前支點掛籃懸臂施工方案，運用有限元軟件對該橋進行結構計算，結果表明各項指標均滿足規范要求，橋梁方案的設計構思可為類似工程提供參考。

關鍵詞 V形峽谷；獨塔斜拉橋；曲線梁；高墩

中圖分類號 U442.5+3文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）12-0099-03

0 引言

近年來，隨著經濟的高速發展和路網密度的不斷提升，高速公路等基礎設施建設逐步向山區延伸。山區的地形地質特點主要表現為地形高差大、沖溝發育、溝深谷陡，巖溶、滑坡、不穩定邊坡、崩塌落石、陡崖、采空區等不良地質。山區橋梁的方案是否合理可行，將直接影響整個項目的工程質量。由于高速公路線性指標高、環保要求高，為跨越山區深切峽谷，通常需要設置高墩大跨度橋梁，而橋梁方案的選擇要綜合考慮經濟性、施工條件、環保要求等多種要素，對梁橋、拱橋、斜拉橋和懸索橋等各種橋型進行充分比選，進而確定出最為適宜的橋型方案。

1 工程概況

后寺河特大橋是鄭洛高速控制性工程，位于鞏義市東南約5 km處后寺河水庫下游。橋位處屬典型“V型”河谷，起終點分別和應天寨隧道（約350 m）、青龍山隧道（約2.3 km）銜接，無路基段過渡。橋高110 m左右。因長隧道須采用分離式斷面，該橋相應采用分幅布置，單幅橋面凈寬15.5 m，兩幅間凈距約37 m。受兩岸地形及隧道布設限制，該橋平面位于R=3 600 m的圓曲線上。橋位處地形地貌如圖1所示。

2 主要建設條件

2.1 工程地質

橋位區地貌單元屬中起伏中低山地貌，地形起伏較大，河谷兩側為陡坡巖壁。小里程橋臺的自然坡度為40～50°，大里程橋臺的自然坡度為70～85°，兩岸里程橋臺淺表層為強—中風化灰巖基巖出露，大里程橋臺坡體巖層豎向節理發育，易出現小型崩塌等不良地質現象。

2.2 水文

該橋跨越后寺河，位于后寺河水庫下游約600 m處。后寺河屬黃河流域伊洛河支流，主河槽緊貼大樁號側山體，河槽寬35 m，河道300年一遇設計流量為1 076 m3/s，設計水位為274.93 m。

3 主要技術標準

①公路等級：雙向六車道高速公路，路基寬度34.5 m。②設計速度：100 km/h。③汽車荷載等級：公路－Ⅰ級。④設計洪水頻率：1/300。⑤抗風設計標準：鄭州站基本風速V10=26.9 m/s，風場場地地表類別為D類，換算到橋位的基本風速為15.17 m/s，主梁成橋狀態設計基準風速28.7 m/s，主梁施工狀態設計基準風速25.2 m/s，橋塔成橋狀態設計基準風速33.9 m/s。⑥抗震設防標準：設防烈度Ⅶ度（0.1 g），主橋設防類別A類，引橋設防類別B類，抗震措施等級三級。主橋E1地震作用采用100年超越概率10%，E2地震作用采用100年超越概率4%。

4 總體方案

4.1 該橋跨徑布置的限制因素

①地形復雜，橋梁布跨主要受地形限制。橋梁兩側均直接與隧道連接，施工條件受限。溝底道路路況較好，具備一定的運輸條件。②大里程側坡體較陡，且坡體豎向節理裂隙較為發育，存在崩塌落石風險。橋墩布設應盡量遠離大樁號側坡腳。③因后寺河行洪需要，橋墩應避開河道布設。

4.2 適用性比選

從橋長、跨徑等技術角度分析，梁橋、拱橋、斜拉橋、懸索橋等均可行。下面對各種橋型的適用性予以比選。

4.2.1 梁橋方案

受兩岸地形限制，兩岸山坡陡峭、坡體破碎，無法布墩，橋墩需要布置在谷底，因此適宜做成T構。目前國內混凝土T構的最大跨徑為132 m，而該橋T構的布跨需要做到193 m，采用混凝土梁是不可行的，需采用鋼—混凝土混合梁[1]，但存在懸臂過長、鋼混結合段受力復雜、鋼梁吊裝困難等問題，技術風險和施工難度較大。

4.2.2 拱橋方案

考慮V形河谷地形和橋面位置，拱橋采用上承式拱橋，跨徑為180 m，但存在如下問題：

①大樁號側巖體破碎，拱腳布設存在邊坡穩定性問題。②大樁號拱腳難以到達，且需先行架設纜索吊、扣塔等臨時設施，施工條件較差。

4.2.3 懸索橋方案

傳統地錨式雙塔懸索橋，主纜跨徑達640 m，經濟性差，且橋面與纜索高差大?？紤]采用單跨自錨體系，但存在如下問題：

①大樁號側自錨體運輸、吊裝缺乏條件，施工困難。②橋面分幅設置，經濟性差，橋面窄抗風穩定性差。③平面為R=3 600 m圓曲線，單幅需要加寬橋面4.5 m。

4.2.4 斜拉橋方案

結合該橋的建設條件，為便于施工并減少對兩岸山體擾動，索塔布設于谷底，兩岸邊坡不再設置橋墩，采用主跨193 m獨塔斜拉橋。

綜上所述，該橋推薦采用經濟性好、景觀效果好、對山體擾動小、施工便捷的獨塔斜拉橋方案。

5 結構設計

該橋采用分幅設計，左幅總長387 m，橋跨布置為2×193 m獨塔雙索面預應力混凝土斜拉橋；右幅總長417 m，橋跨布置為30 m裝配式預應力混凝土簡支T梁+2×193 m獨塔雙索面預應力混凝土斜拉橋。

采用墩塔梁固結體系，不設輔助墩。單幅橋面全寬為19.5 m，為1.46 m（拉索錨固區）＋0.54 m（護欄）+15.5 m（行車道）+0.54 m（護欄）＋1.46 m（拉索錨固區）。主塔縱向為單柱型，橋面以上塔柱橫向為A型塔，主梁采用肋板式混凝土主梁，斜拉索采用平行鋼絲成品索。

5.1 主梁設計

基于該橋的跨徑及橋寬，主梁對混凝土梁和鋼混組合梁進行比選[2]。從受力角度，采用組合梁，主梁自重可減少48%，考慮護欄等二期荷載重量后，主梁自重減少39%，但因該橋索塔高度高、地質條件好，主梁總體占比較小，對主塔及規模影響較小。從抗風性能角度，混凝土主梁自重大、阻尼比高，具有更優的動風性能。從施工角度，混凝土主梁施工誤差容許度高，易糾偏。從經濟性角度，混凝土主梁可節省造價約15%。因此，主梁采用混凝土主梁。

主梁采用肋板式混凝土主梁，梁高2.4 m，橋面寬19.5 m，肋板中心距（即橫向索距）18 m；主梁梁肋寬度為變化值，標準節段梁肋寬度為1.8 m，靠近橋塔和邊支點附近線性過渡加厚，橋塔處肋寬由1.8 m漸變至2.5 m，邊支點處由1.8 m漸變至2.8 m。

主梁頂板寬19.5 m，厚0.28 m，設單向橫坡2%；橫梁順橋向間距4 m，高度2.0 m，厚度0.3 m，橫梁均設有預應力鋼絞線。主塔與主梁連接處固結。

主梁0號塊長18 m，采用墩頂拖架現澆；懸澆段采用前支點掛籃施工，共22個8 m梁段，合龍段2 m，邊跨現澆段5.7 m。

5.2 索塔設計

索塔是斜拉橋的重要構件，除在結構受力上至關重要外，也是橋梁景觀中的關鍵因素[3]，其造型往往是視覺的焦點，結合該橋墩高、曲線特點，索塔橋面以上橫向采用“A”型索塔以提高橫向受扭性能[4]，橋面以下為獨柱式，鋼筋混凝土結構，塔高為207.5 m（左幅）、211 m（右幅）。索塔下塔柱自承臺頂至下、中塔柱轉折點為91.5 m（左幅）、95 m（右幅），下塔柱橫橋向的斜率為1∶50，順橋向斜率為1∶40；中塔柱從中、下塔柱轉折點至橋面中心，高度為20 m，上塔柱從橋面中心至塔頂，高度為93 m，縱橋向豎直向上，橫橋向內收呈A字形。

由于該橋位于平曲線上，恒載作用下索塔橫向即存在較大的不平衡彎矩[5]，因此采取了索塔中塔柱橫向軸線偏移的構造措施，即在中塔柱20 m高度范圍內索塔軸線向曲線內側偏移60 cm，此時恒載下索塔塔底截面橫向彎矩減少約50%。

塔柱采用矩形空心截面。下塔柱在順橋向寬度由塔底的11.075 m（左幅）、11.25 m（右幅）按直線變化到6.5 m，橫向寬度由塔底的13.66 m（左幅）、13.8 m（右幅）按直線變化到10.0 m，壁厚為1.30 m（順橋向）和1.5 m（橫橋向）。中塔柱順橋向寬度為6.5 m，橫向寬度由中塔柱底的10 m按直線變化到橫梁中心處的26.01 m，變化高度17.3 m，而后截面收窄至橋面中心處的25.49 m，變化高度2.7 m，壁厚為1.30 m（順橋向）和2.5 m（橫橋向）。上塔柱的斷面3.5 m（橫橋向）×6.5（順橋向），壁厚為1.20 m（順橋向）和0.80 m（橫橋向）。

在上塔柱錨索區，塔柱內壁設置拉索錨塊。為平衡斜拉索的水平分力，在錨索區范圍內布置環向預應力鋼束。

塔柱共設上、下兩道橫梁，為全預應力混凝土結構，其中下橫梁也屬中塔柱的一部分。上橫梁采用箱形斷面，上橫梁斷面外輪廓尺寸為4 m（高）×5.3 m（寬），在四角設置半徑為0.3 m的圓角。下橫梁斷面輪廓尺寸為5 m（高）×6.5 m（寬），頂、底板壁厚1 m，兩側板壁厚1.3 m。上下橫梁均為預應力混凝土結構。

索塔承臺平面尺寸為24.6 m（橫橋向）×20.4 m（順橋向），厚度為6 m?；A采用鉆孔灌注樁，索塔下布置30根直徑為2.0 m的鉆孔樁，為嵌巖樁，樁長25 m。

5.3 斜拉索設計

斜拉索采用平行鋼絲成品索，扇形索面。單幅橋共22對，梁上標準間距8.0 m，塔軸線處拉索間距1.7 m。斜拉索在主梁上采用梁底齒塊錨固，在索塔上采用側壁齒塊錨固，張拉端設置在塔端。

6 計算分析

6.1 計算模型

應用Midas Civil軟件建立有限元模型，主梁和索塔采用梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬，全橋共劃分為433個單元，435個節點。主要劃分為以下施工階段：

階段1：基礎、索塔及0號塊施工。

階段2：主梁1～23號塊懸臂澆筑及掛索張拉施工。

階段3：主梁合攏。

階段4：成橋調索。

階段5：施工二期。

6.2 主要計算結果

6.2.1 主梁

主梁撓度采用有限元方法計算，車輛荷載應采用不計沖擊力的汽車車道荷載頻遇值，頻遇值系數為1.0。主梁跨中汽車荷載作用下計算撓度為172 mm

386 mm，滿足規范要求。

在承載能力極限狀態最不利荷載作用下，主梁最大彎矩發生在1/4跨附近，為153 894 kN·m<承載力設計值227 425 kN·m，主梁最大剪力發生在邊支點處，為14 213 kN

<承載力設計值29 089 kN，均滿足規范要求。

在正常使用極限狀態最不利荷載作用下，主梁上緣最大應力?0.34 MPa，下緣最大應力?0.15 MPa，均未出現拉應力；主梁下緣最小應力?17.6 MPa，下緣最大應力?17.5 MPa，均滿足規范要求。

6.2.2 索塔

選取最不利荷載工況驗算索塔截面承載力，即恒載+溫度+汽車荷載+W1風和恒載+溫度+W2風的最大值。根據索塔截面變化情況，自下而上選取6個截面進行驗算，各截面的基本組合下內力及承載力如表1所示，均滿足規范要求。

6.2.3 斜拉索

承載能力極限狀態最大應力出現在15號拉索，為964 MPa<1 005 MPa，滿足規范要求。

6.3 整體穩定性分析

相比于成橋狀態，施工最大雙懸臂狀態更為不利，穩定性分析考慮恒載+風荷載工況，一階失穩模態為索塔縱向失穩，穩定系數為9.1，滿足要求。

6.4 抗風性能分析

該橋穿越V形峽谷地貌且橋面距地面約110 m，結構抗風性能是控制性因素之一。風荷載響應時域分析表明，成橋狀態主梁最大豎向位移為9.46 cm，橋塔塔頂最大橫橋向位移為17.9 cm。

通過對橋面行車風環境數值模擬，大橋風天安全通行風速僅有6級風，考慮合適的風障工程措施后，可以將上游橋面側偏失穩臨界狀態對應的10 m高度標準氣象站風速從原來的7級風提升為9級風，提升了兩個等級。

7 結語

山區V形峽谷地形橋梁的設計應充分考慮地形、地質、水文等建設條件，基于經濟性、施工難度、景觀、環保、后期維養等方面進行多橋型綜合比選，最終確定經濟合理、施工便捷、景觀優美的橋型方案[6]。鄭洛高速后寺河特大橋采用主跨193 m獨塔雙索面預應力混凝土斜拉橋，主梁采用肋板式混凝土主梁，懸臂澆筑施工。大橋已于2023年2月開工建設，目前索塔下部基樁已施工完畢，預計2025年建成通車。

參考文獻

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