新泰青龙路桥设计

2015-01-09徐弈鑫

城市道桥与防洪 2015年6期

徐弈鑫

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市 200092）

1 工程概况

新泰青龙路桥又名“清音桥”，位于山东省新泰市，是青龙路东延伸段跨越东周河（青云水库溢洪道）的一座桥梁。东周河西岸为新建的清音公园，东周河东岸为海拔495.6 m的青云山，桥位北侧为青云水库。桥梁设计时考虑一跨过河以消除对泄洪的影响。设计方案在满足桥梁使用功能的前提下，力求结构造型新颍、富有时代感，能充分体现新泰市城市风貌及其悠久的历史文化内涵。图1为青龙路桥主桥效果图。

图1 青龙路桥主桥效果图

2 建设条件

2.1 技术标准

（1）道路等级：城市Ⅱ级主干路；

（2）设计车速：60 km/h；

（3）设计荷载：城—A，人群荷载按《城市桥梁设计荷载标准》（CJJ 77-1998）取用；

（4）环境类别：Ⅱ类；

（5）地震烈度：抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10 g。

2.2 地质条件

（1）工程地质条件

东周河西岸回填土厚度较大，且未完成自重固结，地层岩性、岩石面埋藏深度变化较大，且分布不均匀，工程地质性质差异较大；东周河东岸地层结构简单，岩土体分布较均匀，且岩土层工程地质性质良好，中风化岩层埋深较浅，适宜建设。

（2）地震

工程场地位于新泰-蒙阴断裂上。新泰-蒙阴断裂是鲁西断块区内一条规模较大的北西向断裂。该断裂段为早、中更新世活动断裂，小断裂为第四纪不活动断裂，同时，新泰-蒙阴断裂发育在两种不同岩性的地层之间，断裂破碎带规模较大，断裂两侧地基承载力存在明显差异。东周河西岸位于断裂带上盘，岩层分布均匀；东岸位于断裂带下盘，岩层完整、均匀，地质性能较好。

3 总体设计

青龙路桥主桥为独塔双索面预应力混凝土斜拉桥结构，塔、梁半漂浮体系，主桥跨径布置为138 m+102 m=240 m，引桥为3×30 m等高度预应力连续梁结构，全桥总长330 m。桥梁标准横断面布置为：5 m人行道和非机动车道+2 m分隔带+23 m机动车道+2 m分隔带+5 m非机动车道和人行道=37 m。主桥索塔处32 m范围内桥面局部加宽，人行道从索塔外缘绕塔而过。

主桥箱梁采用单箱四室的斜腹板箱形断面（见图2），梁高2.8 m，宽37 m。主跨索距6 m，边跨索距4.4 m，每对拉索处设置横隔板。箱梁端横梁厚1.5 m，中横梁厚3 m，中横梁下设纵向固定支座与索塔相连。

索塔采用异型索塔，顺桥向呈Y字形（见图3），横桥向呈人字形（见图4），索塔总高106.55 m，其中桥面以上高95.08 m。塔底顺桥向为8 m，横桥向为5.468 m，上塔柱为2.6 m×3.8 m。斜拉索锚固区采用钢混凝土结合的锚箱结构。

图2 主桥标准断面图（单位：m）

图3 主桥索塔立面图（单位：m）

图4 主桥索塔侧面图（单位：m）

由于东岸地层均匀，受力特性较好，主桥索塔基础采用扩大基础的结构形式，混凝土标号为C30。扩大基础分上下两层，上层承台纵桥向宽19 m，横桥向长54.9 m，高3.5 m，下层承台纵桥向宽19.6 m，横桥向长56.9 m，高3.5 m。承台底面设置18个2 m×2 m的抗滑齿块。扩大基础基底落在岩面较完整的中风化花岗岩上。

4 设计难点及处理方法

4.1 主桥抗震设计

根据该桥《地勘报告》及《地震安全性评价报告》可知，桥址位于地震断裂带上，西岸为断裂带上盘，岩层地质条件较差，东岸为断裂带上盘，岩层均匀，力学性能较佳。

设计中根据《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01-2008）[1]第4.1.9条规定，当符合下列条件之一时，可不考虑发震断裂错动对桥梁的影响：（1）抗震设防烈度小于8度；（2）非全新世活动断裂；（3）抗震设防烈度为8度和9度时，前第四纪基岩隐伏断裂的土层覆盖厚度分别大于60 m和90 m。该桥桥址处新泰-蒙阴断裂为“早、中更新世活动断裂”，场地附近的断裂均不是全新世活动断裂。同时，新泰地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10 g。因此，该桥桥位完全满足《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01-2008）“可不考虑发震断裂错动对桥梁的影响”的各项条件，故无需考虑场地断裂错动对桥梁的影响，根据地质条件确保桥梁基础承载力和沉降满足规范要求即可。

在设计过程中，将原初步设计设置在东周河西侧、距断裂带最近的主塔移到地质条件好的东侧。通过这一避让措施优化桥梁总体布置后，不仅使桥梁基础避开了地质条件较差的断裂带，改善了基础的设计条件，同时也能节省造价，方便施工，缩短工期。

为了保证桥梁运营中的安全性，对于主桥抗震性能进行了专项研究。根据抗震研究结论，主桥自重较大，加速度峰值较高，反应谱计算得到的地震响应很大，很多截面验算无法通过，因此需要在支座位置采用一定的减隔震措施，减小地震作用效应。非线性时程分析结果验算表明，在设置弹塑性阻尼装置和适当增加配筋后，所有墩、塔和桩截面均满足要求。

施工过程中，根据现场开挖可知，索塔塔底岩层情况与地质勘探基本符合，经过抗震研究组复核后，索塔地基岩层满足设计要求。

4.2 异型塔索区拉杆设计

根据建筑景观效果，主桥索塔为异型塔，顺桥向上部两个塔柱分离呈Y字型，两侧斜拉索分别锚固在分离的两个塔柱上，两个塔柱之间仅依靠9根拉杆连接。斜拉桥的受力特点在于通过斜拉索将主梁以及活载的力转化为索塔的竖向压力，而索塔斜拉索锚固区是受力关键点，在锚固区采用分离式塔柱对于拉杆的设计是该桥设计的一个难点。

该桥上塔柱斜拉索锚固区混凝土形成U字形结构，塔柱中间采用钢混凝土结合的钢锚箱结构，钢结构和混凝土之间通过剪力钉及PBL剪力键的传力方式连接。左右分离的塔柱间采用9道2 m高的钢拉杆连接，抵抗斜拉索的拉力。钢拉杆左右两侧浇筑60 cm厚的混凝土并张拉φ32精轧螺纹钢筋。拉索锚固区塔柱内横桥向布置φ32精轧螺纹预应力钢筋，形成“#”字形布置。

设计中采用大型有限元分析程序ANSYS，建立空间板壳实体有限元模型进行计算分析[2-5]。主桥索塔的有限元模型如图5。

由空间实体模型计算结果可以得到以下结论：

（1）索塔锚固段钢锚箱端板Von Mises应力极值为166 MPa，侧面拉板的Von Mises应力极值为80.8 MPa，均在钢材允许应力210 MPa以下，满足规范要求，构件具有足够的强度。

（2）索塔混凝土顺桥向拉应力极值为0.54 MPa，横桥向拉应力极值为1.60 MPa，竖向拉应力极值为0.42 MPa，主拉应力极值为1.14 MPa，主压应力极值为-14.9MPa，均满足规范要求。