小半徑曲線雙索面部分斜拉橋結構設計

黃 華

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

0 引 言

部分斜拉橋是結構特性介于大跨梁式橋和斜拉橋之間的一種組合結構形式。現(xiàn)今普遍認為在跨徑100 ～300 m 之間，部分斜拉橋與相同跨徑的其他橋型相比，具有出色的結構性能、良好的經濟指標及優(yōu)美的橋梁造型等優(yōu)勢，在公路、鐵路及市政橋梁的選型中有著極強的競爭力。

近年來，部分斜拉橋發(fā)展迅速，在國內外實際工程中得到了廣泛的應用，但統(tǒng)計表明修建的大多為直線橋，曲線尤其是小半徑曲線部分斜拉橋則相當少見。國內比較有代表性的曲線部分斜拉橋如貴州龍井河大橋，該橋為我國第一座曲線部分斜拉橋，主橋橋跨布置為86 m+160 m+86 m，雙排單索面形式，主橋平面位于半徑852.75 m 的圓曲線上[1]。

曲線部分斜拉橋是在傳統(tǒng)曲線連續(xù)剛構結構的基礎上，增加較低的橋塔和體外斜拉索的一種結構形式。目前國內修建大跨徑曲線橋多常采用連續(xù)剛構或連續(xù)梁結構，而避免直接將斜拉橋、拱橋和懸索橋設計在曲線上。但大跨徑曲線連續(xù)剛構橋彎扭耦合效應突出，曲線體內預應力束損失大，而且若預應力束布置不當還易加劇扭轉效應，進一步對結構抗扭造成不利。另外大跨剛構橋在后期運營中普遍還存在腹板開裂、撓度大等問題[2]。而采用的剛構體系部分斜拉橋結構方案不僅整體造型優(yōu)美，還可以很好的解決曲線連續(xù)剛構的種種問題，其斜拉索相當于體外束，在降低結構高度的同時，部分斜拉橋可以利用斜拉索來提高結構整體抗扭性能，斜拉索還可以作為防范橋梁運營期跨中下?lián)线^大的措施，并且能解決合龍鋼束配束量大的問題，可以大大降低張拉合龍鋼束時跨中底板受壓崩壞的風險。

因此，在修建大跨徑曲線橋梁時，采用曲線部分斜拉橋這種橋型是一種較好選擇，而目前國內外針對曲線部分斜拉橋的研究較少，故開展曲線部分斜拉橋的實踐和研究具有一定的創(chuàng)新性，不僅能拓展部分斜拉橋的適用范圍，而且具有很高的工程應用價值。

1 工程概況

九江市新建快速路系統(tǒng)（一期）工程跨昌九快速路節(jié)點橋位于項目起點段，順接昌九高改快工程新建收費站，并上跨昌九快速路。橋梁平面位于R=350 m的圓曲線上，橋梁與現(xiàn)狀昌九快速路交角為58.4°。

主橋采用65+120+65 m 空間雙索面部分斜拉橋結構，墩、塔、梁固結剛構體系，引橋采用30 m 跨徑先簡支后橋面連續(xù)預應力混凝土小箱梁。

橋梁設計荷載等級為城-A 級，主橋橋面全寬16 m，具體布置為1.625 m（索區(qū)）+0.5 m（防撞護欄）+11.75 m（機動車道）+0.5 m（防撞護欄）+1.625 m（索區(qū)）=16 m。

主橋整體造型輕盈優(yōu)美，索塔呈大“V”字造型，有勝利圓滿之美好寓意。本橋的建設可為城市增添一道亮麗的人文景觀，成為當?shù)氐囊粯酥拘越ㄖ瑘D1為跨昌九快速路節(jié)點橋效果圖。

圖1 跨昌九快速路節(jié)點橋效果圖

2 主橋結構設計

2.1 主梁

主梁采用變高度預應力混凝土連續(xù)箱梁，采用C55 混凝土，斜腹板單箱雙室截面，腹板斜率為1∶1.846，豎直傾角為28°?？紤]曲線平面影響，為保證拉索錨固區(qū)布置空間，箱梁兩側懸臂長設為1.7m，箱梁頂結構寬16.0 m，底寬10～8.375 m。箱梁頂?shù)酌姹３制叫校瑯蛎嬖O單向3%超高橫坡，通過結構整體剛性旋轉形成。

主梁跨中梁高3.0 m，支點處梁高4.5 m，變高段梁底按1.6 次拋物線變化。中跨合龍段長3.0 m，邊跨合龍段長2.0 m，邊跨現(xiàn)澆段長4.5 m。箱梁頂板厚25 cm；底板厚22～70 cm；中跨跨中及邊跨腹板厚45 cm，靠近主墩處腹板厚65 cm。

橋梁0 號塊長12 m，單側有11 個懸臂澆筑節(jié)段，節(jié)段長度分為4.0 m、5.0 m 兩種，最重的懸臂澆注節(jié)段為1 號節(jié)段，其重量為2 574 kN，掛籃控制重量1 150 kN。在箱梁中支點、邊支點處均設置了橫隔梁，厚度分別為3.5 m 和1.5 m；斜拉索錨固區(qū)處均設有橫隔板，厚度為40 cm，實腹式布置。

2.2 主塔

主塔在橫斷面上采用V 字造型，與主梁固接，采用C55 混凝土。橋塔總高40.5 m，其中橋面以上塔柱高16.5 m，橋面以下塔柱高24 m，單側塔柱豎直面處在半徑186.946 m 的圓曲線上，塔柱采用矩形實體截面，上塔柱截面尺寸為3.5 m（縱橋向）×1.8 m（橫橋向），下塔柱截面尺寸為3.5 m（縱橋向）×2.5 m（橫橋向）。主塔與主梁固結處設實心橫梁，橫梁高與主梁一致為4.5 m，寬3.5 m。塔柱在塔底通過高2 m的塔座連接為整體，塔座底寬6.489 m。

主塔基礎采用樁接承臺的基礎形式。承臺平面尺寸為11.0 m（橫）×11.0 m（縱），承臺厚4.0 m。承臺下布置9 根直徑1.8 m 樁基，橫橋與順橋向均設置3 排，樁間距均為4 m。承臺采用C30 混凝土，樁基為水下C30 混凝土，樁基礎采用嵌巖樁設計，索塔結構見圖2。

圖2 索塔結構圖（單位：m）

2.3 斜拉索及錨固系統(tǒng)

（1）總體布置

斜拉索為外傾式扇形雙索面，每側主塔錨固7對斜拉索，全橋共計56 根拉索，拉索與水平面夾角為15.8°～25.9°，塔上索間距0.8 m，梁上索間距為5.0 m。斜拉索在主塔塔頂通過分絲管式轉向鞍座連續(xù)通過，兩側錨固于箱梁懸臂處錨塊上。

（2）斜拉索規(guī)格

斜拉索采用單層PE 防護單絲涂覆環(huán)氧涂層鋼絞線，規(guī)格為27-Φs15.2 m，抗拉強度設計值fpk=1 860 MPa，斜拉索張拉力為3 100～3 300 kN。鋼絞線設置三層防護，內層為環(huán)氧涂層防護層，中間設油脂或石蠟防護層，外層設HDPE 外套管采用抗風雨激振型雙螺旋線圓管護套，護套規(guī)格為Φ180×6.6，外觀采用白色。

斜拉索錨具采用250 型拉索夾片群錨，在兩側梁端張拉，錨具內安裝CCT20B 磁通量傳感器，使拉索成為智能化拉索，實現(xiàn)拉索索力實時監(jiān)測（每根拉索一端拉索錨具內安裝3 臺CCT20B 磁通量傳感器）。索道管口鋼管與斜拉索之間設減振器，減振器對索體的橫向振動起減振作用，從而提高索的整體壽命。斜拉索錨固斷面見圖3。

圖3 斜拉索錨固斷面圖（單位：m）

（3）索鞍設計

塔柱內索鞍結構采用分絲技術，分絲管由27 根鋼管組焊接成整體，埋設于混凝土塔內，斜拉索鋼絞線通過分絲管穿過塔身，索鞍中的導向鋼管承受鋼絞線由于單根張拉后造成的相互擠壓，鋼絞線受力均勻，索鞍很好地起到分散、均勻傳遞載荷作用。

為實現(xiàn)線鋼絞線單根換索，索鞍抗滑錨固裝置采用單側雙向抗滑錨固裝置，抗滑鍵全部布置在轉向鞍的一側，依靠鎖緊裝置將其固定在轉向鞍的端面。

2.4 結構約束體系

主塔處采用塔梁固結體系，過渡墩上設置僅可沿順橋向活動的豎向支座。

2.5 施工工藝

主橋逐節(jié)段采用掛籃懸臂施工工藝，斜拉索索力隨節(jié)段施工一次張拉到位，合龍順序為先邊跨后中跨，邊跨現(xiàn)澆段采用墩旁支架現(xiàn)澆。

3 主橋結構計算

3.1 模型建立

采用Midas Civil 2019 進行結構分析，全橋三維有限元模型如圖4 所示。全橋共劃分為668 個節(jié)點，627 個單元。斜拉索采用桁架單元模擬，并按照恩斯特公式對拉索彈性模量進行修正[3]。橋塔、主梁采用7 自由度空間梁單元模擬[4]，樁基承臺采用6 自由度空間梁單元模擬。

圖4 主橋三維有限元模型

結構的約束條件：橋塔與主梁之間采用固結體系；過渡墩上設置僅可沿順橋向滑動的豎向支座；樁土作用采用土彈簧模擬，按m 法計算土彈簧剛度。

根據設計施工順序模擬混凝土墩、塔、梁澆筑。主體結構施工順序：先施工主塔下塔柱及中橫梁，然后搭設支架澆筑0 號塊。接著用掛籃依次澆筑1#～11# 梁段，并張拉各節(jié)段縱、豎向預應力束；自3# 節(jié)段預應力張拉完畢起，每施工一個節(jié)段，應對稱依次張拉一對斜拉索。11#梁段澆筑的同時，在過渡墩旁搭設支架澆筑邊跨現(xiàn)澆段，待11# 梁段完成后，拆除掛籃，進行邊跨合龍，然后進行中跨合龍，完成主體結構施工。

3.2 成橋索力

為了使成橋時結構受力、成橋線形等在結構自重作用下達到合理的范圍，通過影響矩陣法進行調索確定全橋合理的成橋索力如圖5 所示。

圖5 成橋索力匯總圖（單位：kN）

由圖4 可知，成橋階段全橋索力比較均勻，與直線橋不同的是，小半徑曲線部分斜拉橋由于彎扭耦合作用，同一位置處每對斜拉索曲線內外側索力并不完全對稱，內側索力要略大于外側索力，最大差異接近1%；對稱于主塔兩側的斜拉索的索力也不對稱，邊跨側索力要略大于中跨側索力，約大2.5%～4.5%。

常規(guī)直線部分斜拉橋斜拉索承擔的豎向荷載比一般為0.3～0.4[5]，對于小半徑曲線部分斜拉橋，由于過多的體內預應力束的配置會對主梁產生較大附加扭矩，因此適當?shù)奶岣咚髁汉奢d比有利于改善結構受力，本橋斜拉索承擔的豎向荷載比為0.46。

3.3 主要計算結論

（1）主梁計算

主梁縱向按全預應力構件設計。

持久狀態(tài)頻遇組合下，主梁正截面全截面受壓；斜截面混凝土最大主拉應力0.73 MPa≤0.49 ftk=1.096 MPa，抗裂驗算滿足規(guī)范要求。

持久狀態(tài)標準組合下，主梁正截面最大壓應力16.95 MPa≤0.5 fck=17.75 MPa；主梁斜截面最大主壓應力16.95 MPa≤0.5 fck=17.75 MPa，滿足規(guī)范要求。

（2）主塔計算

主塔上塔柱按照A 類預應力混凝土構件計算，下塔柱按照鋼筋混凝土偏壓構件計算。經驗算均能滿足規(guī)范要求，此處不再贅述。

（3）結構剛度計算

根據結構靜力分析，成橋狀態(tài)下主梁跨中計算豎向位移13 mm（向下），塔頂計算縱向水平位移32 mm，計算橫向水平位移82 mm，成橋狀態(tài)橋塔橫向位移較大，這是因為橋塔橫向位移對平曲線半徑較為敏感，塔頂橫向位移隨著平曲線半徑的減小而增大[6]。

活載作用下主梁最大豎向位移32 mm（向下），塔頂最大縱向水平位移6 mm，最大橫向水平位移4 mm，可見結構有良好的剛度，滿足規(guī)范要求。

（4）斜拉索計算

本橋斜拉索規(guī)格均為27-Φs15.2 m，根據《公路斜拉橋設計規(guī)范》（JTG/T 3365-01—2020）7.2.4 條，斜拉索承載力驗算：

式中：γ0為斜拉索的軸向拉力設計值（N）；A 為斜拉索的截面面積（mm）；φd為斜拉橋的結構體系修正系數(shù)，對于部分斜拉橋，φd=1.5；其余結構體系，φ=1.0；fd為斜拉索的抗拉強度設計值（MPa），在持久狀況，按3.3.1 或3.3.2 的規(guī)定取值；在短暫狀況，斜拉索的抗拉強度設計值宜提高25%。依據計算結果可知，斜拉索承載力滿足規(guī)范要求。疲勞荷載作用下斜拉索最大應力幅為9 MPa，滿足規(guī)范要求。

（5）穩(wěn)定計算

成橋狀態(tài)屈曲穩(wěn)定分析得到結構彈性屈曲安全系數(shù)為46.3，滿足規(guī)范要求，失穩(wěn)模態(tài)為橋塔橫彎失穩(wěn)。

4 結 語

在城市與公路橋梁建設中，為適應路線線形設計的要求，不可避免地要修建大量曲線橋。在修建大跨徑曲線橋梁時，曲線部分斜拉橋是一種經濟合理并兼具良好景觀效果的結構形式，九江市新建快速路跨昌九快速路節(jié)點橋是目前國內平曲線半徑最小的空間雙索面部分斜拉橋，通過對該橋的設計及計算分析，總結出該種橋型結構設計的一些有用的經驗，可為類似橋梁設計提供有益的參考。

（1）曲線部分斜拉橋的扭轉效應較直線橋大，設計中要對結構的抗扭引起足夠重視，建議選用剛構體系，同時對結構橫梁應適當加強并配置足夠的抗扭鋼筋以抵抗主梁根部的強大扭矩。

（2）由于橋梁平曲線的存在，空間索面的曲線部分斜拉橋的斜拉索不僅在主梁上張拉、錨固設計更加復雜，在保證拉索錨固區(qū)布置空間的同時還要謹防斜拉索侵入凈空限界，可以適當加大拉索錨固區(qū)的寬度。

（3）曲線部分斜拉橋，過多的體內預應力束的配置會對主梁產生較大附加扭矩，宜適當提高斜拉索承擔的豎向荷載比，以減少體內束的配置，改善結構受力，本橋斜拉索承擔的豎向荷載比0.46。

（4）成橋階段，曲線部分斜拉橋中同一位置處每對斜拉索曲線內外側索力并不完全對稱，曲線內側索力要略大于曲線外側索力；對稱于主塔的兩側的斜拉索索力也不對稱，邊跨側索力要略大于中跨側索力。

（5）曲線半徑對主梁根部的扭矩及塔頂橫向位移的影響較大，結構設計中對小半徑曲線部分斜拉橋主塔的橫向剛度要有足夠重視。相比于直線橋，宜適當增加橋塔橫向尺寸以提高其橫向剛度，同時宜在主塔中設置預應力鋼束平衡主塔截面的不平衡內力。