大懸臂寬梁獨(dú)塔斜拉橋的總體設(shè)計(jì)與創(chuàng)新

任宏業(yè)

（上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司，上海市 200092）

1 工程概況

金婺大橋位于金華核心區(qū)的賓虹路上，西連金華市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，東接多湖CBD商務(wù)區(qū)，是金華市內(nèi)跨越武義江的重要越江通道，也是市區(qū)范圍內(nèi)東西向穿越中心城區(qū)的規(guī)劃城市主干路賓虹路上的一個(gè)重要交通節(jié)點(diǎn)。

1.1 建設(shè)條件

擬建橋位為東西走向通道，地貌分區(qū)屬浙中盆地區(qū)，建設(shè)場地地貌屬堆積地貌沖洪積平原。擬建場地地形較為平坦，持力層以中風(fēng)化粉砂巖為主，屬軟巖，巖體較完整。

1.2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級：城市主干路，設(shè)計(jì)時(shí)速50 km/h；

（2）橋梁設(shè)計(jì)荷載：城-A級，人群荷載按《城市橋設(shè)計(jì)規(guī)范》10.0.5條計(jì)；

（3）通航等級：武義江為規(guī)劃Ⅴ級航道，通航空凈寬80 m，凈空5 m；

（4）抗震設(shè)計(jì)：抗震設(shè)防烈度為6度，地震動峰值加速度為0.05 g設(shè)計(jì)；

（5）設(shè)計(jì)洪水位：按百年一遇洪水位控制；

（6）橋梁橫斷面布置為：3 m（人行道）+3.5 m（非機(jī)動車道）+2.25 m（分隔帶）+11m（機(jī)動車道）+0.5 m（中央分隔墩）+11 m（機(jī)動車道）+2.25 m（分隔帶）+3.5 m（非機(jī)動車道）+3 m（人行道），總寬40 m。

2 橋型方案設(shè)計(jì)

2.1 橋梁設(shè)計(jì)思路

金婺大橋?yàn)槔蠘颍í?dú)塔斜拉橋）拆除重建工程，橋址位于市區(qū)中心地段，周邊用地開發(fā)成熟、管線敷設(shè)密集、橋位選擇唯一，重建橋梁以盡量滿足現(xiàn)狀用地、不擴(kuò)大橋梁規(guī)模、盡快落地接道路為原則。因此橋梁的梁高應(yīng)與原橋的梁高和橋梁規(guī)?；颈３忠恢?，同時(shí)重建橋梁應(yīng)考慮避讓老橋不能利用的樁基礎(chǔ)。老橋?yàn)楠?dú)塔斜拉橋，新建橋梁選用相同橋型是合適的。老橋橋跨布置為100 m+125 m+35 m，主墩為樁基礎(chǔ)，新建橋梁避讓老橋橋墩，同時(shí)滿足通航要求，橋塔向非通航橋跨側(cè)偏移，主跨跨徑在140 m左右，綜合考慮兩岸管線和接線邊界條件等，新橋橋梁跨徑布置為85 m+143 m+37 m。

原橋?yàn)殡p向4車道，改建后大橋?yàn)殡p向六車道，在梁高限制下，橋塔位于分隔帶，采用大懸臂梁是合理的結(jié)構(gòu)布置。在橋塔處選擇人行道、非機(jī)動車行道繞行的布置，可減少橋梁總體寬度，同時(shí)滿足城市主干路的交通需求，橋梁標(biāo)準(zhǔn)寬度40 m，橋塔處局部寬度47 m。

橋塔選擇拱形橋塔主要有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是橋面較寬，塔柱位于兩側(cè)機(jī)非分隔帶處，拱形橋塔豎向和橫向比例協(xié)調(diào)性好；二是拱形橋塔線形比傳統(tǒng)門型塔線形更為柔和，形成橋塔高大挺拔和柔美曲線相融合的剛?cè)岵?jì)之美；三是利用合理拱軸線可調(diào)整空間拉索合力角度使塔柱受力合理。

2.2 橋梁總體布置

主橋?yàn)楠?dú)塔斜拉橋，塔墩梁固結(jié)體系，主塔橋面以下為混凝土結(jié)構(gòu)，下塔柱高13.511 m，橋面以上為鋼結(jié)構(gòu)，橋面以上塔高82.121 m（見圖1）。結(jié)合橋梁概念設(shè)計(jì)，對于邊中跨不等跨的獨(dú)塔斜拉橋，通過采用不同梁體材料形成自平衡受力體系。基于以上設(shè)計(jì)理念，本橋主梁采用混凝土—鋼結(jié)構(gòu)混合梁，邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土雙邊箱梁，混凝土段長100.5 m，深入主跨15.5，通過2 m鋼混結(jié)合段與鋼梁連接，主跨主梁為鋼結(jié)構(gòu)雙邊箱梁，鋼梁長127.5 m；主梁為鋼結(jié)構(gòu)整體式箱梁。拉索采用扇形布置高強(qiáng)平行鋼絲索。

圖1 總體布置圖（單位：mm）

3 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 主塔設(shè)計(jì)

主塔采用拱形塔柱，塔柱立于機(jī)非分隔帶上，塔柱橋面以上72.283 m采用拋物線，橋塔頂部拱形橫梁采用橢圓形線，橋塔為異形箱型截面，外側(cè)為橢圓曲線，順橋向及內(nèi)側(cè)為直線，上塔柱為鋼結(jié)構(gòu)，橋塔內(nèi)塔壁尺寸為5 m×5 m。下塔柱為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上截面為6 m×6 m，下截面為6.5 m×6.5 m。橋面以上3 m為鋼混結(jié)合面。

（1）鋼塔

鋼塔腹板、側(cè)壁板厚根據(jù)受力不同采用16～36mm。主塔壁板及腹板均采用板式加勁肋進(jìn)行加勁，板厚 20 mm/12 mm，肋高 220 mm/140 mm，主塔鋼箱約每2.5 m左右設(shè)置一道橫隔板，橫隔板厚16 mm/12 mm。

（2）下塔柱

主橋下塔柱采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上截面為6m×6 m，下截面為6.5 m×6.5 m；內(nèi)部挖空尺寸為10.328 m×2.5 m。

3.2 主梁設(shè)計(jì)

（1）混凝土梁

為平衡主跨重量，邊跨采用混凝土雙邊箱梁，橫梁采用一字梁，梁體外橫梁懸臂長7150～8800 mm（橋塔處加長），屬于大懸臂。道路中心線處梁高2.7m，頂板設(shè)2%橫坡，底板水平；箱梁頂板厚280mm，底板厚250 mm，標(biāo)準(zhǔn)腹板厚600 mm，加厚段腹板厚1000 mm；箱梁外懸臂長7.45 m，懸臂端部厚280 mm，根部厚883 mm（見圖2）。混凝土主梁采用縱橫向預(yù)應(yīng)力。

圖2混凝土梁斷面圖（單位：mm）

（2）鋼梁

鋼箱梁采用與混凝土梁外形尺寸一致的雙邊梁截面，主梁節(jié)段標(biāo)準(zhǔn)長度9 m（見圖3）。鋼箱梁頂板厚16 mm，斜腹板厚20 mm/30 mm，底板厚20 mm，鋼箱梁頂、底板采用U形閉合加勁，頂板、底板U肋厚度8 mm。橋面頂板為正交異性板。鋼箱梁每隔3 m設(shè)置一道橫隔板，橫隔板主要提供橫橋向剛度，減小畸變變形，同時(shí)為正交異性橋面板提供支撐。

圖3 鋼梁斷面圖（單位：mm）

3.3 斜拉索

全橋共設(shè)60根斜拉索，橋塔拱軸線形與拉索布置相匹配，使橋塔保持軸壓受力為主狀態(tài)。斜拉索在混凝土梁上錨固縱向標(biāo)準(zhǔn)間距為5 m,鋼梁上為9 m；塔上豎向錨固標(biāo)準(zhǔn)間距2.5 m。斜拉索在混凝土梁上設(shè)置錨固塊，在鋼梁和鋼塔上設(shè)置鋼錨箱。

4 主橋結(jié)構(gòu)計(jì)算

本橋采用Midas Civil2018有限元軟件建立全橋三維模型進(jìn)行模擬。主梁截面按腹板個(gè)數(shù)分割成縱向梁格進(jìn)行模擬，同時(shí)建立若干個(gè)縱向虛擬梁用于輔助加載。橫橋向在橫梁板處建立橫向梁格。

整體計(jì)算分析見圖4～圖8。

圖4 成橋階段基本組合下結(jié)構(gòu)剪力包絡(luò)圖（單位：kN）

圖5 成橋階段基本組合下結(jié)構(gòu)彎矩包絡(luò)圖（單位：kN·m）

圖6 成橋階段基本組合下拉索內(nèi)力包絡(luò)圖（單位：kN）

圖7 標(biāo)準(zhǔn)組合下支座最大、最小反力（單位：tonf）

圖8基本組合下鋼梁與鋼主塔截面正應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

從圖4～圖8分析可知，橋梁主梁彎矩和剪力分部呈鋸齒狀分部均勻；橋塔根部的彎矩和軸壓力比值為1.4＜0.3h0=1.5，屬于小偏心受壓柱；拉索索力總體均勻,根部短索拉力最大；標(biāo)準(zhǔn)組合下支座未出現(xiàn)負(fù)反力；基本組合下鋼梁和鋼塔部分的最大應(yīng)力值為162.27 MPa＜345 MPa。從以上總體計(jì)算指標(biāo)來看橋梁總體布置較為合理。

5 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

5.1 主梁鋼混結(jié)合段設(shè)計(jì)

主梁中的鋼梁和混凝土梁結(jié)合面位于主跨側(cè)距離主塔中心線處15.5 m處，鋼混結(jié)合段采用后承壓板式。鋼混接頭采用鋼梁端部設(shè)置厚30 mm承壓板的方案，鋼梁端部2.0 m范圍的頂、底板采用U型加勁肋和翼緣厚25 mmT型加勁肋，在混凝土梁的端部2 m范圍將頂、底板加厚至750 mm，并在混凝土梁與承壓板接觸范圍的頂、底板利用16 mm的鋼板傳遞上下翼緣的應(yīng)力，防止鋼混接觸面的表面因應(yīng)力集中而使混凝土壓碎（見圖9）。為保證鋼混接頭處于有效連接和結(jié)合面處于均勻的受壓狀態(tài)，沿箱梁四周及縱腹板布置了縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線及精軋螺紋鋼筋，在鋼箱梁一側(cè)錨固在鋼承壓板上。頂、底板的U型加勁肋和T型加勁肋保證混凝土梁與鋼梁間剛度過渡。

圖9 主梁鋼混結(jié)合段構(gòu)造圖（單位：mm）

5.2 大懸臂橫梁體設(shè)計(jì)創(chuàng)新

本橋梁體懸臂最長達(dá)8.2 m，對于梁體大懸臂下橫梁通常為變高腹板，在端部尺寸較小，由于懸臂尺寸過大，這種情況下橫梁的支撐能力在端部要比短懸臂弱很多，間接導(dǎo)致懸臂處橋面板的承載能力不足。本橋在梁端部增加一個(gè)高800 mm、寬300 mm的小縱梁，增加橫梁的支持強(qiáng)度，增加懸臂的整體受力能力。

5.3 主塔鋼混結(jié)合段設(shè)計(jì)

主塔鋼混結(jié)合段長3m，塔壁及外腹板厚36mm，在鋼混結(jié)合面位置處設(shè)置承壓板，承壓板厚60 mm，承壓板上開設(shè)灌漿孔。為了保證受力連續(xù)，加勁肋在過渡段范圍內(nèi)減小高度，使其與標(biāo)準(zhǔn)段的加勁肋相配合。為了保證混凝土塔及鋼塔之間的剪力傳遞以及防止鋼板與混凝土之間的剝離，在鋼塔塔壁及腹板上加焊傳剪板，傳剪板上打孔以利于傳力。在與混凝土接觸的鋼塔柱塔壁及外腹板的內(nèi)表面，均勻布置剪力釘，使鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)連接成為整體。剪力釘直徑22 mm，高150 mm，塔、梁、墩結(jié)合段布置預(yù)應(yīng)力錨桿，錨桿沿著斷面四周布置，間距為900 mm。錨桿上端錨固在承壓面上，以短加勁肋支撐，下端分批錨固在混凝土下塔柱內(nèi)，分批張拉到位，以抵抗主塔的縱、橫向彎矩。

6 結(jié) 論

（1）斜拉橋的大懸臂縱橫梁體系在懸臂構(gòu)造的設(shè)計(jì)創(chuàng)新可以大幅度增加懸臂橫梁的支撐強(qiáng)度，能夠符合懸臂梁理論計(jì)算，可為類似橋梁提供一定的經(jīng)驗(yàn)參考。

（2）將橋梁結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)結(jié)算結(jié)合運(yùn)用，能夠快速合理的形成橋梁總體布置，總體設(shè)計(jì)的合理性直接影響橋梁的壽命期內(nèi)的健康使用和耐久性。

（3）本文從結(jié)構(gòu)合理的角度，分析結(jié)構(gòu)尺寸對橋梁美觀的影響，形成結(jié)構(gòu)合理的、景觀性較好的景觀獨(dú)塔斜拉橋。