泗河矮塔斜拉橋設(shè)計(jì)分析

摘" 要：以（100+180+100） m跨雙塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土泗河特大橋矮塔斜拉橋?qū)嵗こ虨橐劳校U述泗河特大橋的橋型方案設(shè)計(jì)分析比選、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析等內(nèi)容，結(jié)構(gòu)采用塔、梁固結(jié)的支承體系，運(yùn)用MIDAS CIVIL有限元分析軟件對該主橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果分析表明，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，截面驗(yàn)算滿足規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：矮塔斜拉橋；方案設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)計(jì)算；截面驗(yàn)算

中圖分類號：U448.27" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）09-0113-04

Abstract： Based on the example project of the low-tower cable-stayed bridge of the （100+180+100） m-span prestressed concrete Sihe Bridge， the design analysis comparison， technical standards， structural design analysis and other contents of the Sihe Bridge are described. The structure adopts a support system with towers and beams consolidated， and the static structural calculation and analysis of the main bridge structure are carried out using MIDAS CIVIL finite element analysis software. The calculation results show that the structural design is reasonable and the section checking meets the requirements of the specification.

Keywords： low-tower cable-stayed bridge; conceptual design; structural design; structural calculation; section checking

矮塔斜拉橋是一種塔矮、梁剛的組合結(jié)構(gòu)體系，其索力對結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)與斜拉橋相比相對較小，結(jié)構(gòu)主要是以主梁受力為主，斜拉索受力為輔。斜拉索應(yīng)力變幅較小，在設(shè)計(jì)中一般不考慮活載應(yīng)力變化引起拉索的疲勞，通常認(rèn)為是連續(xù)梁結(jié)構(gòu)外加體外索加勁組合結(jié)構(gòu)，因而主梁的高度比同等跨徑的連續(xù)梁要小，結(jié)構(gòu)造型優(yōu)美，備受橋梁工程師的青睞，是大跨徑橋梁常選用橋型結(jié)構(gòu)方案。

1" 工程概況

湖北省十堰市鄖陽區(qū)安油線跨河通道改建工程，線路基本呈北—南走向，路線起點(diǎn)位于泗河北岸的茅草嶺，與已建的S337鄖陽北互通至安陽段新建公路平交；路線終點(diǎn)位于泗河南岸大路溝，與擴(kuò)建的S304油長路平交，路線全長2.1 km。全線設(shè)置虎頭山大橋490 m/1座，主橋采用（100+180+100） m矮塔斜拉橋，通航凈空按天然和渠化河流Ⅲ級航道通航標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)最高通航水位140.75 m，設(shè)計(jì)最低通航水位139.5 m。雙向四車道一級公路，兼顧城市道路功能，設(shè)計(jì)速度60 km/h，路基寬度30 m，橋梁寬度32 m。橋梁設(shè)計(jì)荷載為公路－Ⅰ級，設(shè)計(jì)洪水頻率為1/100。

2" 橋型方案設(shè)計(jì)分析

泗河特大橋是連接已建的S337安陽路與S304油長路重要過河通道，橋面高程及橋位受控于兩岸已建道路；因此其橋梁的控制因素主要有：①滿足已建的S337安陽路與S304油長路連接線設(shè)計(jì)線型指標(biāo)[1]；②橋下凈空須滿足Ⅲ級航道通航標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)通航認(rèn)證報(bào)告及通航批復(fù)文件橋梁主橋跨徑不小于180 m。主跨在180 m的橋型結(jié)構(gòu)較多，有連續(xù)剛構(gòu)、系桿拱、矮塔斜拉橋和自錨式懸索橋等，由于橋梁兩端接線和自然條件限制，系桿拱和自錨式懸索橋施工時(shí)臨水措施較多，方案實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)性高且難度大，因此該2種橋型結(jié)構(gòu)方案不適合本項(xiàng)目，受橋梁兩端接線高程及橋下通航凈空要求連續(xù)剛構(gòu)橋也不適合，結(jié)合橋梁兩端接線、施工安全方便、工程經(jīng)濟(jì)性和橋型結(jié)構(gòu)美觀等因素綜合比選，最終主橋選用預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋。

3" 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

標(biāo)準(zhǔn)橋面寬度設(shè)計(jì)：2.0 m人行道+3.0 m非機(jī)動(dòng)車道+0.5 m防撞護(hù)欄+8.5 m機(jī)動(dòng)車道+0.5 m防撞護(hù)欄+3 m橋塔區(qū)+0.5 m防撞護(hù)欄+8.5 m機(jī)動(dòng)車道+0.5 m防撞護(hù)欄+3.0 m非機(jī)動(dòng)車道+2.0 m人行道=32 m；主橋橋型布置圖如圖1所示。

3.1" 預(yù)應(yīng)力混凝土主梁分析設(shè)計(jì)

預(yù)應(yīng)力混凝主梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土標(biāo)號采用C55，斷面型式采用大懸臂變高度單箱三室斜腹板截面，中支點(diǎn)梁高6.5 m，跨中梁高3.5 m，主梁支點(diǎn)處兩側(cè)4.0 m至邊、中跨方向梁體77 m范圍內(nèi)箱梁高度按1.8次拋物線變化，中跨直線段長為26 m，邊跨直線段長為22.8 m。箱梁頂板寬為32 m，兩側(cè)懸臂板長5 m，腹板斜率為1∶2.7，由于采用斜腹板底板寬度隨梁高而變化。0號塊邊腹板厚度由90 cm變厚至130 cm，中腹板厚度由80 cm變厚至120 cm；1—7號塊邊腹板厚90 cm，中腹板厚80 cm；8號塊為腹板變厚過渡段，邊腹板厚度由90 cm變至60 cm，中腹板厚度由80 cm變至50 cm；8—22號塊邊腹板厚60 cm，中腹板厚50 cm。主梁在每根斜拉索主梁錨固點(diǎn)處均設(shè)置橫隔梁，中室頂板厚72 cm，邊室頂板厚32 cm。主梁0號塊處中橫梁厚7 m，端橫梁厚2 m。

3.2" 主墩、塔及支承體系、斜拉索面分析設(shè)計(jì)

為了行車視覺的通透，結(jié)構(gòu)采用單索面布置；減少下部基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)尺寸、增強(qiáng)橋墩結(jié)構(gòu)的防撞能力、考慮到橋墩墩高較矮等因素，支承體系采用索塔與主梁為固結(jié)、墩梁分離的支承體系。索塔布置在中央分隔帶內(nèi)，索塔與主梁為固結(jié)，橋面以上塔高34 m，采用多邊形實(shí)心截面鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。為加強(qiáng)橋梁主梁縱向剛度，在索塔塔根部以上13 m范圍內(nèi)采用雙肢斷面，縱橋向單肢橋塔斷面由塔底根部的2.5 m直線變化至13 m高位置處的3.1 m，從13 m以上至塔頂范圍內(nèi)采用在縱橋向截面由6.20 m漸變至塔頂位置0.5 m，橫橋向?qū)挒?.0 m的單肢截面。為了增加橋墩結(jié)構(gòu)的防撞能力，主墩采用花瓶實(shí)心墩，六邊形形狀，橋墩頂寬17.5 m，底寬通過11.5 m，橋墩厚度沿橫橋向變化；主墩承臺為整體式矩形承臺，平面尺寸為19.2 m×11.6 m，厚4.0 m。主墩基礎(chǔ)采用15根直徑2.2 m嵌巖鉆孔灌注樁。

3.3" 塔、梁錨固體系分析設(shè)計(jì)

矮塔斜拉橋塔上錨固裝置當(dāng)前主要采用內(nèi)、外管式和分絲管式貫通式鞍座，其中內(nèi)、外管式索鞍接觸處混凝土應(yīng)力大，拉索受力不均勻而且不便于檢查斜拉索防腐質(zhì)量情況，拉索的施工、更換相對較為困難； 分絲管式索鞍在混凝土索塔能分散、均勻傳遞載荷，索鞍下部混凝土的應(yīng)力分散，各索股不存在相互擠壓， 改善受力情況；穿索較易， 施工方便，換索及調(diào)索相對方便。因此綜合考慮索塔及拉索受力、施工便易、后期養(yǎng)護(hù)、換索等因素，設(shè)計(jì)采用分絲管式鞍座[2]。在索塔錨固區(qū)為預(yù)應(yīng)力雙向抗滑裝置，通過擠壓的方式在抗滑錨固區(qū)單根鋼絞線布置2個(gè)抗滑鍵，分別在索鞍兩側(cè)，然后通過對索鞍的鋼絞線施加預(yù)約力，保證在拉索運(yùn)營過程中，抗滑鍵始終緊貼索鞍，形成永久性超高抗滑力，降低索鞍的磨損；施工便利，方便索力調(diào)整。斜拉索雙排布置在主梁的中央分隔帶處，錨固在主梁中室頂板橫隔梁上，橫向間距1.0 m。塔根兩側(cè)無索區(qū)長度56 m，中跨無索區(qū)長度20 m，邊跨無索區(qū)長19.8 m，梁上索距4.0 m，塔上索距0.8 m。采用主梁側(cè)對稱張拉。每個(gè)索塔設(shè)有2×14對28根斜拉索，全橋共56根斜拉索。

4" 結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1" 主要技術(shù)參數(shù)

①道路等級為城鎮(zhèn)化一級公路。②設(shè)計(jì)車速為60 km/h。③設(shè)計(jì)荷載：汽車荷載為公路-Ⅰ級，非機(jī)動(dòng)車道荷載按CJJ 11—2011《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》取值，人群荷載按CJJ 11—2011《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》取值。④地震基本烈度為6度，地震動(dòng)峰值加速度0.05 g，抗震設(shè)防類別為A類；橋梁抗震設(shè)計(jì)方法為1類。⑤抗風(fēng)設(shè)計(jì)根據(jù)JTG/T 3360-01—2018《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，取100年重現(xiàn)期的規(guī)范值，基本風(fēng)速27.3 m/s；當(dāng)風(fēng)荷載與汽車荷載組合時(shí)，橋面高度處的風(fēng)速取25 m/s；橋梁所在場地的地表類別B類。

4.2" 主橋靜力分析計(jì)算

主橋靜力計(jì)算采用Midas Civil（2023V1.1）空間有限元計(jì)算分析軟件建立空間模型，主梁、塔墩采用空間梁單元模擬，拉索采用Ernst桁架單元模擬。模型邊界條件處理：支座采用彈性連接模擬；通過設(shè)置剛性桿件模擬斜拉索與主梁和主塔的連接[3]；按實(shí)際施工過程進(jìn)行模擬，對個(gè)施工階段、成橋階段進(jìn)行整體受力計(jì)算，計(jì)算結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

4.2.1" 主梁靜力計(jì)算

預(yù)應(yīng)力混凝土主梁根據(jù)JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)計(jì)算分別對主梁正截面抗彎、斜截面抗剪承載力進(jìn)行驗(yàn)算，主要驗(yàn)算截面結(jié)果見表1、表2。同時(shí)對施工階段正截面應(yīng)力、使用階段正截面混凝土拉應(yīng)力、斜截面混凝土主拉應(yīng)力、主梁撓度進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求[4]。其中，汽車荷載作用下主梁最大撓度為混凝土撓度變化為94.0 mm，撓跨比fn=94.0/180 000=1/1 908＜L/500（L為總跨度），撓度驗(yàn)算滿足規(guī)范要求。主梁在作用頻遇組合下斜截面最大拉應(yīng)力（中支點(diǎn)橋塔范圍外）最大主拉應(yīng)力0.6 MPa，中支點(diǎn)橋塔范圍根據(jù)局部實(shí)體分析結(jié)果最大主拉應(yīng)力0.6 MPa，均滿足規(guī)范，主梁在作用標(biāo)準(zhǔn)組合下，主梁支點(diǎn)位置正截面上緣最大壓應(yīng)力17.1 MPa（拉索區(qū)：第一體系上緣壓應(yīng)力為15.1 MPa+第二體系上緣壓應(yīng)力為2.18 MPa（第二體系局部計(jì)算）=17.28 MPa）；底緣最大壓應(yīng)力13.224 MPa，力均小于允許值0.5fck（混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值）=17.75 MPa，滿足規(guī)范要求。

4.2.2" 塔柱及斜拉索靜力計(jì)算

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分別對混凝土塔柱、斜拉索進(jìn)行計(jì)算，在頻遇組合下索塔最大壓應(yīng)力13.10 MPa，而且索塔沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，在極限能力組合下塔縱橋向最大彎矩為45 662.0 kN·m，最大剪力為5 086.0 kN，塔底軸力最大值為167 878.4 kN，經(jīng)計(jì)算塔柱承載能力均能夠滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

斜拉索應(yīng)力在基本荷載作用組合下，經(jīng)計(jì)算其中邊跨側(cè)最外側(cè)拉索S14應(yīng)力最大，最大應(yīng)力1.1×798.1=877.9 MPa＜1.5×1 005=1 507.5 MPa，滿足規(guī)范要求。斜拉索在斷索工況下：根據(jù)計(jì)算分析最大拉索應(yīng)力為1 038.4 MPalt;1 507.5 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。斜拉索在換索工況：根據(jù)計(jì)算最大拉索應(yīng)力為1 051.3 MPalt;1 507.5 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。斜拉索在疲勞工況下：鋼絞線斜拉索最大應(yīng)力幅為11.3 MPa≤80 MPa，滿足JTG/T 3365-01—2020《公路斜拉橋設(shè)計(jì)規(guī)范》要求[5]。

5" 主橋抗震計(jì)算

采用JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，對100 m+180 m+100 m泗河特大橋按《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的1類橋梁，采用E1地震作用和E2地震作用2種地震動(dòng)水平進(jìn)行抗震計(jì)算，橋墩截面計(jì)算結(jié)果見表3、表4。

6" 結(jié)束語

矮塔斜拉橋作為一種經(jīng)濟(jì)性、景觀性好的橋型結(jié)構(gòu)，在100～300 m之間具有較強(qiáng)的競爭力；本文以泗河特大橋矮塔斜拉橋?qū)嵗こ虨橐劳校瑥臉蛐头桨冈O(shè)計(jì)比選分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析進(jìn)行了闡述，并運(yùn)用MIDAS CIVIL有限元分析軟件對該橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力計(jì)算分析。分析了主梁應(yīng)力、截面的強(qiáng)度驗(yàn)算及斜拉索在斷索、換索、疲勞等工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力及截面強(qiáng)度的驗(yàn)算結(jié)果均能滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范要求，進(jìn)行論證該橋功能滿足要求、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

參考文獻(xiàn)：

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[5] 公路斜拉橋設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG/T 3365-01—2020[S].