獨(dú)塔混合梁斜拉橋總體設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究

黃永福，馮楊斌，劉 斌，白洪濤，矣志勇

（1.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650041；2.云南建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施投資股份有限公司，云南 昆明 650501）

1 工程概況

元江縣跨江大橋位于云南省玉溪市元江哈尼族彝族傣族自治縣城區(qū)北部，跨越國(guó)際河流-元江（下游稱紅河），連接西岸的元江縣新城區(qū)和東岸的江東鎮(zhèn)，為市政橋梁，見(jiàn)圖1。結(jié)合受控因素以及地形、地貌、地質(zhì)、水文等情況，主橋采用70 m+130 m獨(dú)塔斜拉橋；西岸引橋采用3×30 m 預(yù)制小箱梁+45 m 鋼箱梁+30 m 預(yù)制小箱梁，東岸引橋采用3×30 m 預(yù)制小箱梁，兩岸橋臺(tái)均采用重力式橋臺(tái)，橋梁全長(zhǎng)463 m。

圖1 元江縣跨江大橋?qū)嵕靶Ч麍D

2 主橋總體設(shè)計(jì)

元江縣跨江大橋主橋?yàn)榭鐝?0 m+130 m 的不對(duì)稱獨(dú)塔斜拉橋[1]，見(jiàn)圖2。約束體系采用塔墩梁固結(jié)體系，主梁采用邊跨混凝土箱梁、主跨鋼箱梁的鋼混結(jié)合形式；斜拉索為平行雙索面，采用1 770 MPa的平行鋼絲成品束；索塔采用獨(dú)塔柱形式，由等截面空心塔柱和花瓶形空心主墩組成；基礎(chǔ)為群樁基礎(chǔ)，承臺(tái)下設(shè)16 顆直徑2.2 m 的鉆孔灌注樁。

圖2 橋型布置圖（單位：cm）

2.1 主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級(jí)：城市次干道。

（2）橋面橫向布置：橋?qū)?8 m，由6 條機(jī)動(dòng)車道+2條非機(jī)動(dòng)車道+2 條人行道+1 條中央分隔帶組成。

（3）設(shè)計(jì)汽車荷載：城—A 級(jí)。

（4）設(shè)計(jì)壽命：100 a。

（5）抗震設(shè)防基本烈度：Ⅶ度，設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度為0.170 1g[2]。

（6）設(shè)計(jì)基本風(fēng)速：設(shè)計(jì)重現(xiàn)期100 a，V10=25.8 m/s[3]。

（7）通航標(biāo)準(zhǔn)：內(nèi)河V 級(jí)航道通航凈空。

2.2 鋼箱梁設(shè)計(jì)

由于本橋索面位于中央分隔帶，為了提高主梁的整體抗扭剛度，邊跨和主跨的主梁均采用箱形結(jié)構(gòu)。鋼箱梁中線處梁高3.2 m，頂面設(shè)2%的雙向橫坡，頂寬38 m，底寬25 m。梁段劃分為A、B、C 共3 種類型，共11 個(gè)梁段。其中A 梁段為連接段，梁段長(zhǎng)8 m，重為275.6 t；B 梁段為鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)段，梁段長(zhǎng)11.5 m，重為228.5 t；C 梁段為合攏段，梁段長(zhǎng)9.5 m，重為225.6 t。主跨鋼箱梁采用頂推方法施工。鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面見(jiàn)圖3。

圖3 鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖（單位：cm）

為了提高鋼箱梁橋面板剛度和抗疲勞性能，減少橋面鋪裝病害，橋面板采用正交異性鋼橋面板[4]。頂板采用16 mm 厚鋼板，頂板設(shè)置U 形加勁肋，上口寬300 mm，下口寬170 mm，厚8 mm，間距為550 mm和600 mm。底板采用14 mm 厚鋼板，底板采用U 形加勁肋加勁，上口寬250 mm，下口寬400 mm，厚6 mm。底板加勁肋工地連接采用對(duì)接焊?？v向設(shè)置6 道腹板，采用實(shí)腹式。腹板保持連續(xù)，橫隔板焊接于腹板上。腹板設(shè)置5 道板式加勁肋。B 梁段橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距為2.875 m，A 梁段及C 梁段部分橫隔板采用特殊間距布置。索梁錨固構(gòu)造采用錨拉板形式，根據(jù)斜拉索索力的不同，錨拉板采用兩種板厚。為確保在正常運(yùn)營(yíng)荷載下支座不出現(xiàn)上拔力，在鋼箱梁端部施加了永久壓重荷載。

2.3 混凝土箱梁設(shè)計(jì)

混凝土箱梁按A 類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)?；炷料淞和廨喞c鋼箱梁一致，采用單箱七室截面，邊腹板為斜腹板，中腹板為直腹板。箱梁頂面兩側(cè)翼緣長(zhǎng)3.5 m，邊室頂寬5.6 m，底寬2.6 m，次邊室寬4.1 m，斜拉索錨固箱室寬3.4 m。箱梁斜腹板及直腹板厚均為0.3 m，見(jiàn)圖4。頂板厚為0.32 m，底板厚0.3 m，橫隔板厚0.45 m。橫隔板間距為5.5 m。邊跨混凝土箱梁靠過(guò)渡墩處橫梁厚2 m，箱梁塔、墩、梁固結(jié)處橫梁厚7 m。為確保在正常運(yùn)營(yíng)荷載下支座不出現(xiàn)負(fù)反力，在混凝土箱梁端部也施加了永久壓重荷載。邊跨混凝土箱梁采用支架現(xiàn)澆的方法施工。

圖4 混凝土箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖（單位：cm）

2.4 鋼混結(jié)合段設(shè)計(jì)

為減小鋼混結(jié)合段受力，將連接部設(shè)置在主跨側(cè)距橋塔中心線9 m 處[5-6]。鋼混結(jié)合段由結(jié)合部、鋼梁加強(qiáng)段和混凝土梁加強(qiáng)段組成。

結(jié)合部（見(jiàn)圖5）設(shè)置了上、下鋼格室，鋼格室的頂、底板及承壓板厚均為25 mm，腹板厚為24 mm，鋼格室內(nèi)填充抗壓強(qiáng)度為120 MPa 的超高性能混凝土（UHPC）；鋼格室頂、底板設(shè)置φ22×150 焊釘，其腹板上開有φ60 mm 圓孔，并穿過(guò)225 mm 長(zhǎng)的φ25 mmHRB400 鋼筋，與進(jìn)入該圓孔的混凝土包裹在一起，形成PBL 鋼筋混凝土剪力鍵。

圖5 鋼混結(jié)合段設(shè)計(jì)圖（單位：cm）

鋼箱梁加強(qiáng)段長(zhǎng)4 m，是結(jié)合部向標(biāo)準(zhǔn)鋼箱梁段轉(zhuǎn)換的過(guò)渡段，其頂、底、腹板加厚至25 mm，其中頂?shù)装逶鲈O(shè)25 mm 厚的變高度T 型加勁肋。

混凝土梁加強(qiáng)段設(shè)置0.75 m 厚的混凝土橫梁，該橫梁伸入結(jié)合部0.75 m 以提高接縫部位的抗剪性能。

為保證鋼箱梁與混凝土箱梁緊密結(jié)合，在結(jié)合段還設(shè)置有縱向預(yù)應(yīng)力鋼束；在鋼格室頂板及腹板上設(shè)置澆注孔及連通孔，使得混凝土在澆筑時(shí)有較好的流動(dòng)性，確保澆筑密實(shí)度。

2.5 斜拉索設(shè)計(jì)

斜拉索采用平行雙索面，按扇形布置，索面位于橋梁中線附近，橫橋向索面間距1.5 m，鋼箱梁側(cè)標(biāo)準(zhǔn)索距為11.5 m，混凝土箱梁側(cè)標(biāo)準(zhǔn)索距為5.5 m，塔上豎向理論索距為2.0 m。斜拉索采用1 770 MPa平行鋼絲，全橋共10×4=40 根。根據(jù)索力不同，需要4 種規(guī)格：PES7-109，PES7-151，PES7-199，PES7-241。

斜拉索設(shè)計(jì)壽命為大于25 a，采用包括鋼絲鍍鋅、高密度聚乙烯內(nèi)外防護(hù)層、外纏專用纏包帶的三防腐體系，以保證斜拉橋在其設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)免遭腐蝕。

2.6 索塔設(shè)計(jì)

索塔結(jié)構(gòu)包括塔柱主墩，與混凝土箱梁連接形成塔墩梁固結(jié)體系，索塔全高79.2 m，見(jiàn)圖6。

圖6 索塔一般構(gòu)造圖（單位：cm）

塔柱為獨(dú)柱式箱型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。塔柱高55 m，順橋向?qū)挒? m，橫橋向?qū)挒?.7 m，順橋向壁厚為1 m，橫橋向壁厚為0.6 m。兩側(cè)斜拉索錨固于塔柱內(nèi)壁的齒塊上，塔柱設(shè)置井字形預(yù)應(yīng)力進(jìn)行加強(qiáng)。預(yù)應(yīng)力為抗拉強(qiáng)度為930 MPa 的高強(qiáng)螺紋鋼筋，采用低回縮錨具及二次張拉工藝[7]，以減少預(yù)應(yīng)力損失。

主墩外形呈花瓶形，為單箱三室矩形截面的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。主墩高度21 m，底部8.872 m 為等截面，順橋向5 m，橫橋向?qū)?3 m，壁厚為1 m；頂部12.128 m 為弧形變截面。

基礎(chǔ)采用群樁基礎(chǔ)，承臺(tái)下設(shè)16 根φ2.2 m 鉆孔灌注樁。考慮到本橋位于高地震烈度區(qū)，為提高樁基礎(chǔ)的抗震性能，樁基頂部設(shè)置了8 m 高鋼護(hù)筒，鋼護(hù)筒壁厚為20 mm。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

根據(jù)橋梁總體設(shè)計(jì)情況，大橋具有結(jié)構(gòu)不對(duì)稱度高、鋼混結(jié)合段受力復(fù)雜、斜拉索錨固方式多樣、抗震烈度高等設(shè)計(jì)特點(diǎn)和難點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)上采取了相應(yīng)的對(duì)策以解決這些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。在材料上，鋼混結(jié)合段采用UHPC 混凝土，拉索錨固區(qū)的預(yù)應(yīng)力采用PSB930 高強(qiáng)螺紋鋼筋和低回縮錨具；在技術(shù)手段上，結(jié)構(gòu)分析采用綜合調(diào)索方法、有限元分析方法，加強(qiáng)橋梁抗震措施；在施工工藝上，高強(qiáng)螺紋鋼筋采用二次張拉施工工藝。

3.1 斜拉索調(diào)索

主橋?yàn)楠?dú)塔斜拉橋，采用塔墩梁固結(jié)體系，邊跨為70 m 混凝土箱梁，主跨為130 m 鋼箱梁，具有極高的不對(duì)稱度，使得兩側(cè)主梁重量、斜拉索角度差異非常大；同時(shí)受混凝土收縮徐變的影響，選擇合理的索力成為設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，關(guān)乎著大橋在施工階段和運(yùn)營(yíng)階段的結(jié)構(gòu)安全。主橋有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖7。

圖7 主橋有限元計(jì)算模型

在計(jì)算成橋索力時(shí)采用綜合調(diào)索的方法。根據(jù)主跨鋼箱梁節(jié)段自重，獲得主跨斜拉索索力；通過(guò)主跨及邊跨斜拉索水平力平衡的方法（保證索塔豎直線型），得到邊跨索力，根據(jù)此索力下主梁內(nèi)力對(duì)邊跨混凝土箱梁進(jìn)行鋼束配置；最后再綜合索塔內(nèi)力、主梁線型，采用影響矩陣法進(jìn)行索力微調(diào)。根據(jù)此方法，結(jié)構(gòu)具有較好的成橋狀態(tài)，在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)也均可滿足規(guī)范要求。

在計(jì)算施工張拉力時(shí)采用無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度法[8]。根據(jù)合理的成橋索力求得斜拉索索單元的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度，用無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度作為索力輸入的方式；采用倒退分析法即可獲得每個(gè)施工階段下斜拉索張拉力；采用此索力進(jìn)行正裝分析，并在主梁合龍前校核主梁的無(wú)應(yīng)力曲率，進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐R時(shí)壓重。經(jīng)過(guò)結(jié)果對(duì)比，采用此施工張拉力得到的成橋狀態(tài)與一次成橋的成橋狀態(tài)基本一致，在施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)也均可滿足規(guī)范要求。

因此，以上調(diào)索方法可較好地適用于獨(dú)塔非對(duì)稱斜拉橋成橋索力及施工張拉力的求取。

3.2 鋼-混結(jié)合段受力分析

斜拉索索面位于中央分隔帶，對(duì)主梁橫向抗扭剛度的貢獻(xiàn)不明顯；同時(shí)，橋梁寬度較大，橫向不均勻的汽車荷載、非機(jī)動(dòng)車荷載、人群荷載使主梁產(chǎn)生較大的扭矩。特別是索塔附近的主梁鋼混結(jié)合段，壓彎剪扭耦合效應(yīng)顯著，是受力最為復(fù)雜的構(gòu)件[9]。在受力最不利工況下，對(duì)鋼混結(jié)合段開展了局部受力分析，包括鋼混結(jié)合段的鋼格室強(qiáng)度、焊釘抗剪能力、開孔板抗剪能力、混凝土強(qiáng)度等驗(yàn)算。實(shí)體模型及部分計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8、圖9。

圖8 鋼格式內(nèi)混凝土縱向應(yīng)力分布（單位：MPa）

圖9 鋼箱梁應(yīng)力分布（單位：MPa）

由圖8 可知，除預(yù)應(yīng)力鋼束錨固格室承壓板上部局部區(qū)域外，鋼格式內(nèi)混凝土縱向拉應(yīng)力較小，UHPC 混凝土可滿足受拉要求。由圖9 可知，鋼格室承壓板、T 肋端部存在一定的應(yīng)力集中，峰值應(yīng)力約為250 MPa，其余區(qū)域應(yīng)力均在50 MPa 以下，鋼結(jié)構(gòu)有足夠的富余應(yīng)力。

3.3 塔柱拉索錨固區(qū)受力分析

斜拉索錨固于塔柱內(nèi)壁的齒塊上，塔柱內(nèi)壁受到了較大的向外水平力，需要通過(guò)一些措施予以平衡。目前使用較多的塔梁錨固方法有：交叉錨、預(yù)應(yīng)力、鋼錨梁和鋼錨箱。交叉錨用于實(shí)心塔柱，鋼錨梁及鋼錨箱用于空腔尺寸較大的塔柱，在大跨斜拉橋中應(yīng)用較多[10]，這三種方法在本橋中均不適用；預(yù)應(yīng)力一般分為鋼絞線和高強(qiáng)螺紋鋼，本橋索塔尺寸較小，采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線將帶來(lái)很大的應(yīng)力松弛損失；高強(qiáng)螺紋鋼在實(shí)際運(yùn)用中同樣有較大預(yù)應(yīng)力損失，主要是錨具回縮引起，但低回縮錨具已經(jīng)得到大量推廣，可將回縮量控制在1～1.5 mm 甚至更低的范圍內(nèi)。通過(guò)計(jì)算，采用低回縮錨具后，高強(qiáng)螺紋鋼預(yù)應(yīng)力可降低至25%以內(nèi)，采用二次張拉工藝后，進(jìn)一步降低了預(yù)應(yīng)力損失。為減少預(yù)應(yīng)力筋用量，錨固區(qū)采用PSB930 高強(qiáng)螺紋鋼筋。首先根據(jù)斜拉索水平分力對(duì)高強(qiáng)螺紋鋼筋用量進(jìn)行估算，再通過(guò)有限元方法建立實(shí)體模型以分析與驗(yàn)證局部受力。

從計(jì)算結(jié)果看出，塔壁在順橋向和橫橋向基本均勻受壓狀態(tài)（見(jiàn)圖10、圖11），僅在錨墊板下、塔壁內(nèi)倒角處、塔壁橫向表面局部位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中。這些位置增設(shè)了局部加強(qiáng)鋼筋，通過(guò)驗(yàn)算，局部承壓承載力、裂縫均可滿足要求。

圖10 順橋向塔壁正應(yīng)力整體分布（單位：MPa）

圖11 橫橋向塔壁正應(yīng)力整體分布（單位：MPa）

3.4 錨拉板受力分析

錨拉板是連接斜拉索和鋼箱梁的關(guān)鍵構(gòu)件，承受了巨大的索力，受力模式極為復(fù)雜[11]，對(duì)受力最大的10 號(hào)斜拉索進(jìn)行了局部受力分析。從圖12 可知，除錨拉板與套管、錨墊板連接處有局部應(yīng)力集中外，其余部位Von Mises 應(yīng)力均在強(qiáng)度設(shè)計(jì)值305 MPa范圍內(nèi)。

圖12 斜拉索錨拉板Von Mises 應(yīng)力（單位：MPa）

3.5 抗震性能研究

主橋采用塔墩梁固結(jié)體系，避免設(shè)置大噸位支座，節(jié)省后期支座養(yǎng)護(hù)與更換的成本。橋位地區(qū)抗震設(shè)防烈度較高，橋梁剛度較大，抗震問(wèn)題突出。大橋?yàn)榧最悩蛄海拐鹪O(shè)防目標(biāo)為：當(dāng)橋梁遭受E1 地震作用時(shí)，結(jié)構(gòu)總體反應(yīng)在彈性范圍，基本無(wú)損傷[12]；當(dāng)橋梁遭受E2 地震作用時(shí)，可發(fā)生局部輕微損傷。

通過(guò)特征值分析、反應(yīng)譜分析，對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性進(jìn)行了分析，對(duì)索塔、過(guò)渡墩、樁基等構(gòu)件的關(guān)鍵截面、支座抗剪承載力、伸縮縫縱向地震位移進(jìn)行了驗(yàn)算，均可滿足受力要求。同時(shí)大橋采取了相應(yīng)抗震措施，如索塔箍筋設(shè)置閉合套箍、設(shè)置箍筋加密區(qū)、索塔主筋采用HRB500 抗震鋼筋、樁基設(shè)置鋼護(hù)筒等措施，保證在罕遇地震下橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)有針對(duì)性地采用特殊材料、技術(shù)手段、施工工藝，科學(xué)地解決了獨(dú)塔混合梁斜拉橋的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)難題，達(dá)到結(jié)構(gòu)受力合理、安全可靠的目的，為同類型橋梁設(shè)計(jì)與研究提供了思路。