临汾南外环汾河大桥关键技术设计及分析

刘志华

(1.山西省交通科学研究院;　2.桥梁工程防灾减灾山西省重点实验室;

3.黄土地区公路建设与养护交通行业重点实验室　太原　030006)

临汾南外环汾河大桥关键技术设计及分析

刘志华1-3

(1.山西省交通科学研究院;2.桥梁工程防灾减灾山西省重点实验室;

3.黄土地区公路建设与养护交通行业重点实验室太原030006)

摘要临汾南外环汾河大桥为90 m+150 m+90 m整幅3跨的索辅梁桥，桥宽39.2 m，在国内首次采用分离式三索面结构形式，边塔采用塔墩固结、中塔采用塔梁固结，有效地改善了超宽箱梁的受力和抗震性能。设计过程中通过特殊的构造和细节设计解决了桥梁横向和斜拉索受力要求，提高了桥梁的安全性能和斜拉索的可修性、可换性。斜拉索则引入一次性防腐的理念，采用了环氧涂层填充型钢绞线、锚固体系，增强了斜拉索的防腐性能，提高了斜拉索的寿命。

关键词索辅梁桥三索面宽箱分离式索塔抗滑锚防腐

1工程概况

临汾市南外环汾河大桥是临汾城南一级公路尧庙镇大韩村至金殿镇新风村段的一座大桥，横跨汾河和大运高速公路。主桥采用桥跨布置为90 m+150 m+90 m的索辅梁桥，其桥跨布置见图1。主梁采用按抛物线变化的变截面混凝土箱梁，塔柱处梁高5.2 m，跨中及边墩处梁高2.5 m；横桥向梁宽39.2 m，塔高36.0 m，采用分离式三索面布置。斜拉索采用防腐性能较好的环氧喷涂

钢绞线；斜拉索索面按扇形布置，每一扇面由18对斜拉索组成，标准索距5 m。主跨及边跨混凝土箱梁均采用支架现浇施工[1]。

图1　桥跨布置图(单位：cm)

2桥梁结构特点

在本桥方案设计过程中，结合自然环境、材料及结构因素等进行分析，提出了索辅梁桥的设计方案，3号、4号墩为索塔所在位置，各墩处分别设置3根塔柱，中塔与箱梁固结，与桥墩分离；边塔与桥墩固结，与箱梁分离。每一塔柱上设置1面斜拉索。3根塔柱的塔顶标高相同，桥面以上中塔高36.0 m。索塔横截面为变截面矩形截面，由塔顶处按圆曲线向塔底逐渐变大。索塔的外索最高为30.0 m，与主跨跨径之比为1/5，近似于普通斜拉桥的比值，增添了几分斜拉桥的雄姿与优美[2-4]。

本桥采用双向8车道，荷载等级为公路I级，主梁采用整幅现浇的单箱5室无悬臂斜腹板变截面混凝土箱梁。箱梁顶板宽39.2 m(索塔处顶板宽35.0 m)，箱梁底板宽28.20~35.26 m。为了防止混凝土箱梁开裂，主梁采用了三向预应力混凝土，同时在中跨和边跨分别增设了21和26道预应力混凝土横隔板，通过横隔板的横刚度效应，改善预应力混凝土箱梁顶、底板的横向受力。限于篇幅，本文仅对桥梁的横向受力、索力及应力幅进行分析阐述。

3主梁横桥向分析

3.1　持久状况承载能力分析

设计中根据超宽箱梁的特点，采用平面框架法对箱梁横向行车道板进行受力分析。将支撑设置于箱梁腹板下侧，按照《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004，以下简称《规范》)有关规定确定车轮荷载作用下桥面板的有效分布宽度。将有效宽度内的车轮荷载除以有效分布宽度，得到单位宽度上的作用荷载集度。应用平面框架有限元法计算分析箱梁的横向内力及应力，计算模型见图2。

图2　横向分析计算模型

根据《规范》中第4.1.6条规定，公路桥涵结构按承载能力极限状态进行分析计算，图3、图4为承载能力基本组合状态下的箱梁横向抗力及对应的内力包络图。

图3　承载能力组合下最大、最小弯矩

图4　承载能力组合下最大、最小剪力

3.2　主梁截面抗裂分析

持久状况正常使用极限状态截面抗裂验算。横向框架为预应力混凝土A类构件，按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)中第6.3.1条对箱梁横向截面混凝土拉应力进行分析。计算结果见表1。

表1　截面抗裂验算表

其抗裂验算长、短期荷载效应组合下正截面和斜截面皆满足规范要求。

3.3　主梁截面应力分析

(1) 持久状况应力验算。持久状况下横桥向主梁截面的应力验算结果见表2。

表2　持久状况应力验算表

(2) 短暂状况应力验算。主梁截面边缘混凝土在施工阶段的法向正应力验算结果见表3。

表3　短暂状况应力验算表

另外，使用阶段钢束标准值组合下最大应力为1 149 MPa，小于0.65fpk=1 209 MPa，表明在使用阶段预应力混凝土钢束的拉应力满足规范要求。

3.4　斜拉索内力分析

该桥采用中塔与箱梁固结，与桥墩分离；边塔与桥墩固结，与箱梁分离的分离式三索面斜拉索结构形式，完全不同于普通斜拉桥(塔、墩固结)或矮塔斜拉桥(塔、梁固结)体系，大大减小了主梁3号、4号桥墩处支座反力，同时边塔与主梁的构造分离增强了桥梁的抗震性能。但是，这样会造成边塔斜拉索索力和应力幅较大，需要对边塔斜拉索进行详细分析计算。

(1) 斜拉索内力分析。本桥受力特性更符合矮塔斜拉桥，拉索按体外索设计，容许应力采用0.60fpk=1 002 MPa。斜拉索采用二次张拉，施工阶段索力值C1~C9控制在3 200 kN，成桥后斜拉索张拉索力调整为3 200，3 600，3 800和4 000 kN。受力最不利的3号墩边斜拉索内力计算结果见表4。

表4　标准组合下斜拉索最大内力

注：斜拉索编号从靠近主塔到远离主塔依次为C1~C9。

从表4可见，3号墩边斜拉索C1～C5采用内力控制，保证其安全系数在2.4以上。对于其他斜拉索，根据《公路斜拉桥设计细则》(JTG/T D65-01-2007)按体外索设计，其容许应力标准抗拉强度≤0.6fpk，安全系数≥1.67，完全满足设计要求。

(2) 斜拉索应力幅分析。采用Midas计算程序对斜拉索在标准组合作用下的应力幅进行分析，计算结果见表5。

表5　标准组合作用下斜拉索应力幅　MPa

计算结果表明，在最不利标准组合作用下，3号墩边塔斜拉索应力幅较大，达到了160 MPa，因此桥塔斜拉索锚固装置采用了新研制的抗滑锚固系统，在增强拉索抗滑能力的同时，也为以后斜拉索的维修保养和更换提供了便利[5-7]。

4结语

临汾南外环汾河大桥设计结合地形、地貌及景观的需要，采用了索辅梁桥结构形式，使其在矮塔斜拉桥合理受力的基础上兼具斜拉桥的雄壮外观。这都是通过特殊的构造及细节设计得以实现。

(1) 针对本桥超宽大跨主梁，采用三索面斜拉索结构体系，有效地降低了梁高，改善了桥梁的横向受力。

(2) 本桥采用中塔塔梁固结，边塔塔墩固结的结构形式，有效分散主梁自重，减小支座反力，避免了采用大型支座。

(3) 在主梁斜拉索锚固区域设置刚性横隔板，有效加强了箱梁索力横向传递，改善了箱梁的横向受力性能。

(4) 针对斜拉索应力幅相对较大，换索困难的技术难题，在索塔部位采用了新型锚固装置，即抗滑锚，提高了桥梁的安全性能和斜拉索的可修性、可换性。

(5) 引入一次性防腐理念，斜拉索采用环氧涂层填充型钢绞线、锚固体系，增强了斜拉索的防腐性能，提高了斜拉索的使用寿命。

参考文献

[1]刘志华.汾河六塔三索面矮塔斜拉桥设计特点[J].山西交通科技，2012(5)：23-25．

[2]JTG/T D65-01-2007公路斜拉桥设计细则[S].北京：人民交通出版社，2007.

[3]JTG D60-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[4]叶见曙.结构设计原理[M].北京:人民交通出版社，2005.

[5]徐金勇，言传胜.大跨度混合梁斜拉桥弹塑性极限承载力分析[J].桥梁建设，2012，42(5)：44-55．

[6]GB 50010-2002混凝土结构设计规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2002.

[7]贺拴海.桥梁结构理论与计算方法[M].北京:人民交通出版社，2002．

收稿日期：2015-03-11

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.005