曾曉茜 馮振興

摘要 為探索雙塔雙索面混凝土斜拉橋設(shè)計(jì)思路及要點(diǎn)，文章以溇水河特大橋?yàn)楣こ虒?shí)例，從橋梁孔跨布置、結(jié)構(gòu)體系選擇、細(xì)部尺寸擬定等方面開展設(shè)計(jì)，確定該橋采用半飄浮體系，塔墩固結(jié)、塔梁分離，主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土雙邊箱斷面，橋塔采用花瓶式，塔下設(shè)承臺(tái)接24根樁基礎(chǔ)。通過建立有限元模型，對(duì)橋梁強(qiáng)度、剛度、抗風(fēng)、抗震等性能進(jìn)行驗(yàn)算。結(jié)果表明，該橋各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞 混凝土斜拉橋；總體設(shè)計(jì)；半漂浮體系；雙邊箱主梁；花瓶式橋塔

中圖分類號(hào)U448.27文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）07-0053-04

0 引言

斜拉橋主要由主梁、主塔、斜拉索組成，根據(jù)塔、墩、梁間的關(guān)系，可以分為漂浮體系、半漂浮體系、塔梁固結(jié)體系、塔梁墩固結(jié)體系[1]。主梁除自重外直接承受汽車荷載，為受彎構(gòu)件；斜拉索為受拉構(gòu)件，主要分擔(dān)主梁上的彎矩，使主梁可以通過減小尺寸來提高跨越能力；主塔主要承受斜拉索傳遞的軸力和水平分力，為壓彎構(gòu)件[2]。斜拉橋結(jié)構(gòu)體系不同，對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響很大，因此需要針對(duì)不同工程概況，擇優(yōu)選取結(jié)構(gòu)體系。該文以溇水河特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，介紹雙塔雙索面半漂浮體系斜拉橋的總體設(shè)計(jì)，研究結(jié)論可為同類項(xiàng)目提供參考。

1 工程概況

溇水河特大橋位于張家界市慈利縣，是呼北高速路的控制性工程之一，橋梁橫跨的溇水河為娃娃魚保護(hù)區(qū)，橋軸線基本與河道正交。

橋址范圍內(nèi)為第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+pl）粉質(zhì)黏土、卵石，坡殘積層（Q4dl+el）粉質(zhì)黏土、碎石，第四系全新統(tǒng)崩坡積層（Q4cl+dl）含碎石粉質(zhì)黏土，下伏基巖為志留系上統(tǒng)紗帽群（S3sh）粉砂巖、砂質(zhì)頁(yè)巖，基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚度較厚，中風(fēng)化層埋深10.6～22 m。

2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級(jí)：雙向四車道高速公路。

（2）設(shè)計(jì)速度：100 km/h。

（3）設(shè)計(jì)荷載：公路-Ⅰ級(jí)。

（4）橋面寬度：主橋橋面寬28.5 m，引橋?qū)?×

12.5 m。

（5）設(shè)計(jì)洪水頻率：1/300。

（6）抗震設(shè)防：基本烈度為6度，地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g。

（7）抗風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速（主梁基準(zhǔn)高度處）Ud=33.24 m/s。

3 總體設(shè)計(jì)

3.1 橋跨布置

綜合考慮行洪、環(huán)保等建設(shè)條件限制，溇水河特大橋跨徑布置為2×30 m+5×40 m+（127+280+127）m+5×40 m+2×30 m，主橋采用雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，引橋上部結(jié)構(gòu)采用30 m、40 m跨預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁，下部結(jié)構(gòu)采用矩形實(shí)心墩和圓柱墩、樁基礎(chǔ)，橋臺(tái)為柱式橋臺(tái)、樁基礎(chǔ)。橋型布置如圖1所示。

3.2 結(jié)構(gòu)體系

小跨徑斜拉橋常用結(jié)構(gòu)體系有半漂浮體系、塔梁固結(jié)體系及塔梁墩固結(jié)體系。采用塔梁固結(jié)體系時(shí)，需要設(shè)置很大噸位的支座，不利于后期養(yǎng)護(hù)及更換；采用塔梁墩固結(jié)時(shí)，主梁固結(jié)處負(fù)彎矩大，需加大主梁截面，另外其溫度應(yīng)力較大，受力復(fù)雜，且施工時(shí)需要增加頂推拉力，該體系適用于獨(dú)塔斜拉橋；采用半漂浮體系時(shí)塔梁連接處受力明確，且該橋最大懸臂工況下的懸臂長(zhǎng)度不長(zhǎng)，塔梁處采取臨時(shí)固結(jié)措施就能保證施工期安全，故采用半漂浮體系[1-2]。

3.3 主梁

由于橋面設(shè)計(jì)風(fēng)速達(dá)33.24 m/s，主梁可選用抗風(fēng)性能較好的單箱多室整體箱形或雙邊箱斷面形式，后者雖然抗彎和抗扭剛度不如前者，但其自重較小、構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便，故采用預(yù)應(yīng)力混凝土雙邊箱梁斷面結(jié)構(gòu)。

該橋主梁頂寬28.5 m，設(shè)雙向2%橫坡，標(biāo)準(zhǔn)梁段中心梁高3 m，雙邊箱寬8.5 m，箱室內(nèi)頂板厚0.3 m，箱室外頂板厚0.32 m，直腹板厚0.4 m，底板厚0.35 m；邊跨支點(diǎn)附近梁段腹板、底板及頂板加厚，腹板厚0.7 m，底板厚0.7 m，頂板厚0.6 m；主塔支點(diǎn)處腹板厚0.6 m。

主梁采用C60混凝土，牽索掛籃懸臂澆筑，標(biāo)準(zhǔn)懸澆段長(zhǎng)8 m，邊跨不平衡施工懸澆段長(zhǎng)5.5 m，邊跨端部現(xiàn)澆段長(zhǎng)3.52 m，中跨合龍段長(zhǎng)2 m，邊跨合龍段長(zhǎng)2 m。

標(biāo)準(zhǔn)段主梁橫梁厚度0.4 m，為了滿足橫向布置預(yù)應(yīng)力的需要，通過馬蹄形式過渡，箱內(nèi)橫梁設(shè)置檢修過人孔。主塔支點(diǎn)中橫梁厚2 m，邊跨端橫梁厚3 m，不設(shè)人孔。主梁標(biāo)準(zhǔn)梁段斷面如圖2所示。

3.4 主塔

主塔采用花瓶形，由塔墩、下塔柱、中塔柱、上塔柱、上橫梁和下橫梁組成，塔墩采用C50混凝土，塔柱采用C55混凝土。8號(hào)主塔總高210.7 m，9號(hào)主塔總高190.3 m，主塔立面如圖3所示。

塔柱采用矩形空心截面，四角采用圓倒角，上塔柱橫橋向?qū)? m、壁厚1 m，縱橋向?qū)?.5 m、壁厚1.3 m；中塔柱橫橋向?qū)? m、壁厚1 m，縱橋向?qū)?.5～8 m、壁厚1.2 m；下塔柱橫橋向?qū)?～8 m、壁厚1 m，縱橋向?qū)?～9.264 m、壁厚1.2 m。

塔墩采用整體單箱三室矩形截面，四角采用圓倒角，塔墩橫橋向?qū)?6.5 m、外壁厚1.2 m、內(nèi)壁厚1 m，8號(hào)橋塔縱橋向?qū)?.264～11 m，9號(hào)橋塔縱橋向?qū)?.264～

10.5 m、壁厚1.2 m。

上、下橫梁均為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用矩形空心截面，四角采用圓倒角。上橫梁縱橋向?qū)? m、壁厚1 m，豎向高4 m、壁厚1 m，預(yù)應(yīng)力采用12-φs15.2鋼絞線、M15-12錨具，兩端張拉；下橫梁縱橋向?qū)?.0 m、壁厚1 m，豎向高5.5 m、壁厚1 m，預(yù)應(yīng)力采用22-φs15.2鋼絞線、M15-22錨具，兩端張拉。

3.5 斜拉索

斜拉索采用M280型環(huán)氧噴涂鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860 MPa，張拉端設(shè)置于主塔上，錨固端設(shè)置于主梁上。在垂直橋面高度8 m范圍以內(nèi)，拉索設(shè)置有防火系統(tǒng)；拉索斜長(zhǎng)≥100 m的斜拉索設(shè)有外置式阻尼器減振裝置，安裝在橋面以上1.6 m高度位置處。

斜拉索錨固在主塔上塔柱，每個(gè)上塔柱均布置了17對(duì)斜拉索，主塔上索距從上到下分別為（10×1.9+4×2+1×2.5+1×3）m。斜拉索通過齒塊錨固于上塔柱內(nèi)壁，為承受拉索水平分力，在斜拉索主塔錨固區(qū)塔壁內(nèi)設(shè)置井字形、直徑40 mm的PSB1080級(jí)低回縮高強(qiáng)螺紋鋼筋，單端交替張拉。

3.6 下部結(jié)構(gòu)

3.6.1 主塔基礎(chǔ)

主塔承臺(tái)采用矩形截面，橫橋向長(zhǎng)34.8 m，順橋向?qū)?3.6 m，厚6 m，封底混凝土厚度為20 cm。承臺(tái)采用C40混凝土，封底混凝土采用C30混凝土。主塔承臺(tái)下承接了24根直徑2.8 m的樁基，樁間距6 m，樁基采用C35混凝土。主塔承臺(tái)上設(shè)1.5 m厚塔座，塔座頂面橫橋向?qū)?8.5 m，8號(hào)墩塔座頂縱橋向?qū)?3 m，9號(hào)墩塔座頂縱橋向?qū)?2.5 m，橫縱均按45 °角向下擴(kuò)散加寬，塔座底橫橋向?qū)?1.5 m，8號(hào)墩塔座底縱橋向?qū)?6 m，9號(hào)墩塔座底縱橋向?qū)?5.5 m，塔座采用C50混凝土。

3.6.2 交界墩

7號(hào)、10號(hào)交界墩采用鋼筋混凝土矩形空心薄壁墩，橫向設(shè)置兩個(gè)墩柱，柱間距19 m。墩柱橫向?qū)?.5 m，縱向頂寬5 m，按1∶108坡率向下加寬，壁厚0.7 m。7號(hào)墩承臺(tái)為11.2 m（橫）×12.2 m（縱）×3.5 m，下接9根φ1.8 m的樁基；10號(hào)墩承臺(tái)為8 m（橫）×11 m（縱）×3 m，下接6根φ1.8 m的樁基。墩柱及承臺(tái)采用C40混凝土，樁基采用C35混凝土。

4 有限元分析計(jì)算

通過建立有限元模型對(duì)該橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，主梁采用梁模型，拉索采用桁架單元。計(jì)算模型以順橋向?yàn)閄軸，橫橋向?yàn)閅軸，豎向?yàn)閆軸。主梁施工采用前支點(diǎn)掛籃懸臂澆筑的方法。計(jì)算模型如圖4所示。

4.1 主要計(jì)算參數(shù)

該橋整體計(jì)算計(jì)入了結(jié)構(gòu)自重、鋼絞線預(yù)應(yīng)力、斜拉索拉力、混凝土收縮徐變、汽車荷載、溫度、風(fēng)荷載、基礎(chǔ)變位等影響。

4.1.1 永久作用

主塔鋼筋混凝土容重取26.5 kN/m3，瀝青混凝土容重取24 kN/m3，其余構(gòu)件容重均取26 kN/m3，荷載按實(shí)際斷面計(jì)入?；炷潦湛s、徐變按《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》[3]規(guī)定計(jì)算。主塔基礎(chǔ)不均勻沉降按20 mm考慮，交界墩不均勻沉降按10 mm考慮。

4.1.2 汽車活載

采用公路-Ⅰ級(jí)汽車荷載，按雙向六車道考慮并計(jì)入沖擊力及制動(dòng)力。

4.1.3 溫度荷載

體系溫差采用整體升溫25 ℃，整體降溫25 ℃；斜拉索與主梁、主塔溫差采用±10 ℃；塔身兩側(cè)日照溫差采用±5 ℃；溫度梯度參照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[4]取用。

4.1.4 風(fēng)荷載

該橋重現(xiàn)期100年基本風(fēng)速為25.4 m/s，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為33.24 m/s。施工階段抗風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)取0.84，其余參照《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]執(zhí)行。

4.2 主要計(jì)算結(jié)果

4.2.1 主梁應(yīng)力驗(yàn)算

頻遇效應(yīng)組合作用下，主梁下緣最小壓應(yīng)力1.4 MPa，主梁上緣最小壓應(yīng)力1.1 MPa，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，正截面抗裂滿足要求；最大主拉應(yīng)力為0.6 MPa，小于允許值1.14 MPa，斜截面抗裂滿足要求。

標(biāo)準(zhǔn)值組合下主梁下緣最大壓應(yīng)力為16.2 MPa，上緣最大壓應(yīng)力為14.9 MPa，均小于允許值19.25 MPa，法向壓應(yīng)力滿足要求；最大主壓應(yīng)力為16.2 MPa，小于允許值23.1 MPa，主壓應(yīng)力滿足要求。

4.2.2 主梁剛度驗(yàn)算

經(jīng)計(jì)算，主梁活載作用下最大豎向撓度為150.3 mm

4.2.3 斜拉索強(qiáng)度計(jì)算

經(jīng)計(jì)算，斜拉索強(qiáng)度最小富余度22%，斜拉索強(qiáng)度滿足要求。

4.2.4 主塔靜力計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，運(yùn)營(yíng)狀態(tài)主塔強(qiáng)度滿足要求，最小富裕度為26%；標(biāo)準(zhǔn)組合下最小正應(yīng)力為?11.6 MPa（受壓），主塔抗裂驗(yàn)算滿足要求；最大雙懸臂狀態(tài)時(shí)考慮主梁的不均勻性、不平衡施工荷載、臨時(shí)施工機(jī)具、豎向不平衡風(fēng)荷載后，橋塔截面承載能力（考慮雙向偏壓后）滿足設(shè)計(jì)要求；各工況靜力彈性穩(wěn)定系數(shù)均大于規(guī)范要求4的限值。

4.2.5 主塔抗震驗(yàn)算

經(jīng)計(jì)算，E1和E2作用下各驗(yàn)算截面彎矩均小于初始屈服彎矩[6]，截面處于彈性階段，強(qiáng)度富裕最小為17%。

4.2.6 抗風(fēng)驗(yàn)算

利用有限元分析軟件ANSYS，建立能反映結(jié)構(gòu)動(dòng)力效應(yīng)的三維有限元模型，對(duì)主橋的抗風(fēng)特性進(jìn)行檢驗(yàn)及評(píng)估。

經(jīng)分析，橋梁顫振臨界風(fēng)速703.92 m/s遠(yuǎn)高于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速63.72 m/s，顫振滿足設(shè)計(jì)要求；斜拉索的渦激共振振幅為1.85 mm，滿足《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]風(fēng)致振動(dòng)最大振幅宜小于其長(zhǎng)度的1/1 700的規(guī)定，實(shí)際中考慮使用斜拉索阻尼器，可進(jìn)一步抑制斜拉索的渦振；根據(jù)計(jì)算，所有斜拉索的Sc數(shù)處于5和10之間，實(shí)際設(shè)計(jì)中對(duì)斜拉索表面進(jìn)行處理后（如安裝螺旋肋條）可顯著降低斜拉索發(fā)生風(fēng)雨振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

在服從主線設(shè)計(jì)的前提下，結(jié)合行洪要求、橋位建設(shè)條件、抗風(fēng)抗震性能等，通過受力分析，確定溇水河特大橋主橋采用（127+280+127）m的跨徑布置，半漂浮體系，雙邊箱混凝土主梁，施工簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)美觀大方，該橋設(shè)計(jì)方案及設(shè)計(jì)參數(shù)可為類似項(xiàng)目提供參考。

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