沪陕国家高速公路京杭运河斜拉桥主桥设计

2015-05-08贲庆国

现代交通技术 2015年3期

钱滨，贲庆国

（苏交科集团股份有限公司，江苏南京 210017）

1 工程概况

沪陕国家高速公路江都至六合段全长76 km，全线按双向6车道标准，设计时速120 km/h。设计荷载等级为公路—Ⅰ级；桥面宽度为2×净15.25 m，中分带3 m，总宽37.1 m；设计基准期为100年，设计安全等级为一级；基本风速为27.1 m/s。地震烈度为抗震设防烈度Ⅶ度，地震动峰值加速度为0.15 g；设计洪水频率为1/300年，SW1/300=7.171 m；Ⅱ级航道，通航净宽110 m，净空高度7.0 m。

京杭运河斜拉桥位于扬州境内，跨越京杭运河苏北段II级航道，为该项目的控制性工点，通航净空110 m×7 m。桥位处航道设有待闸锚地，该段航道通航繁忙，同时航道两侧大堤为一级堤防，根据航道部门及水利部门的要求，桥梁需一跨跨越通航水域及大堤。前期初步设计阶段经过多方案比较，主桥推荐采用108 m+248 m+108 m的混凝土斜拉桥。

2 结构设计

2.1 总体布置

本桥的结构体系为双塔双索面预应力混凝土边主梁斜拉桥，其总体布置见图1。跨度组成为108 m+248 m+108 m，桥面全宽为37.1 m（1.8（索区）+15.25 m（机动车道）+3.0 m（中分带）+15.25 m（机动车道）+1.8 m（索区）），为国内已建成高速公路中最宽的边主梁斜拉桥。

图1 总体布置图

考虑经济性、抗震性，减少结构自重，降低结构的地震反应，方便施工等因素，采用预应力混凝土边主梁结构形式，主梁宽跨比为1∶6.68，高跨比为1∶93.6。由于桥面距离地面高度约10 m，因此主塔采用施工方便的H形混凝土框架结构，塔高H与跨度L之比为0.3。斜拉索采用平面扇形布置，与H形主塔配合弥补主梁抗扭刚度的不足，提高结构的扭转自振频率和扭弯频率比，为主梁的稳定性提供较好的基础，其在主梁上的间距为6.5 m，采用平行钢丝拉索体系。

主塔固结于承台顶面，主梁通过竖向支座支承于主塔下塔柱上，在边跨设置一个辅助墩，提高了结构的整体刚度，降低了施工控制难度。通过计算，主梁在边墩处需设置部分压重。由上述支承体系构成本桥的立面为半飘体系，在横向为3跨连续体系。

2.2 主塔设计

主塔采用H形C50混凝土框架结构，主塔自承台顶面至塔顶的高度为72.913 m；在距离塔顶26 m处设一道横梁，与桥面将塔柱分为上、中、下3部分，构成H形状；上塔柱为竖直布置，中、下塔柱倾斜率为1∶10.77。主塔结构见图2。

图2 主塔一般构造图

下塔柱尺寸为顺桥向5.5 m，横向3.5 m，由于塔柱高度较矮，采用实心截面；中塔柱尺寸为顺桥5.5 m，顺桥向3.5 m，壁厚70 cm的箱形截面；上塔柱（索锚固区）尺寸为顺桥向5.5 m，横向3.5 m，顺桥向壁厚135 cm，横向壁厚80 cm的箱形截面。索与塔轴线的交点的间距为1.5 m，采用箱内壁锚固形式。

主塔下、中塔柱为普通钢筋混凝土结构，主筋采用Φ32 mm，截面配筋率为1.49%，上塔柱横梁为预应力构件，采用12孔钢铰线群锚体系。上塔柱在索塔锚固区采用井字形的双向预应力，纵向长边根据索力不同分别采用7孔和5孔钢铰线群锚体系，短边采用36根Φ7 mm的光面钢丝体系。主要材料指标为：主塔C50混凝土4 320 m3，体积配筋率186 kg/m3，预应力钢铰线21 t，光面钢丝11 t。

2.3 主梁设计

主梁采用预应力混凝土边主梁结构，梁高2.63 m，全宽37.1 m；边主梁梁高2.3 m，梁宽1.8 m。桥面板厚30 cm，桥面横坡2%，横梁间距6.5 m，横梁宽度30 cm，主梁施工标准节段长6.5 m，0号块长12 m，边跨压重段12.9 m，合龙段长2 m。主梁混凝土强度等级C55，主梁截面见图3。

图 3 主梁一般构造图

主梁按全预应力构件设计，纵向预应力分别采用7孔和19孔的预应力钢铰线群锚体系；横向预应力采用19孔预应力钢铰线群锚体系。主梁纵向采用Φ32 mm精轧螺纹张拉接长施工预应力的方式适应主梁的悬臂施工。主梁悬臂施工采用牵索挂篮的方案。主要材料指标为：主梁混凝土14 269 m3，体积含筋率159 kg/m3，预应力钢铰线380 t，粗钢筋80 t。

2.4 斜拉索设计

斜拉索采用镀锌平行钢丝束拉索体系，塑料护套为双层热挤PE，外层为白色，考虑经济性及施工方便，全桥144根拉索分别采用了6种型号，斜拉索中的最大规格为263Φ7 mm。

3 结构计算分析

3.1 静力分析

静力计算主要进行了体系成桥状态各工况的静力分析、施工安装计算、主塔横向计算、主梁横梁及桥面板计算，本文着重介绍该桥的体系成桥和施工安装计算分析要点。

体系成桥和施工安装计算分析的计算图式采用平面杆系模型，施工安装计算采用无应力索长法；其理论基于微变形理论，对结构的非线性影响须作特殊处理；另外由于主梁采用边主梁结构，其截面有效宽度的取值将直接影响结构的计算，为此在本桥计算过程中作了如下处理［1］：（1）斜拉索垂度影响采用割线弹性模量代替标准弹性模量；（2）收缩徐变影响按相关规范进行处理；（3）几何大位移影响采用非线性分析程序进行分析，其结果与不考虑几何非线性的结果相比较，各控制截面计算内力比较结果为0.96~1.03，分析认为非线性系数取值1.05能够满足结构安全要求，计算中将活载增大5%后进行分析。

根据文献［2］的规定，本桥主梁截面有效宽度计算结果为：中跨bf/b=0.97，bs/b=0.80；边跨bf/b=0.92，bs/b=0.70（b为翼缘宽，bf为跨中部有效翼缘宽，bs为支点处的有效翼缘宽）。

3.2 局部应力分析

由于塔上锚固采用箱内锚固形式且锚固壁较薄，为适应美观要求将梁上锚固锚头扣入梁体，本次对斜拉索索塔锚固区进行了有限元局部应力分析以验证简化计算模型和指导配筋。根据不同的拉索索力计算2种工况：在斜拉索张拉前先张拉长边方向的钢铰线和部分短边方向的平行钢丝，斜拉索张拉后张拉剩余的短边平行钢丝。

3.3 结构动力分析

根据本桥的地震安评报告，分别采用反应谱及时程法进行分析，其中反应谱的参数见表1。

表1 反应谱参数

本次分析采用有限元程序MIDAS2006建立了有限元模型，桥墩和主梁全部使用梁单元，拉索采用杆单元。采用脊梁模式计算模型，拉索锚固处与主梁(主塔)之间建立刚臂单元实现共同变形,并以等效原则模拟实际结构刚度和质量分布。

本桥对成桥状态进行了抗震验算，并对最大双伸臂施工状态和成桥状态进行了抗风验算。通过验算，成桥状态下各构件在E1地震作用下，强度和位移均能满足规范要求，见表2。

表2 E1地震位移 mm

对于抗风性能，按《公路桥梁抗风设计规范》［3］验算结构抗风稳定性。尽管大桥主梁采用抗扭刚度较低的预应力混凝土边主梁结构，但是采用了抗扭性能良好的扇形斜拉索体系和H形主塔，使结构仍然具有较高的整体刚度，尤其是抗扭刚度，从而使扭转颤振临界风速超出110 m/s，远大于颤振检验风速，在施工和成桥运营阶段均具有足够的抗风稳定性。主梁断面接近薄平板特性，具有良好的气动外形，在自然风场中，大桥发生较大振幅涡激共振的可能性很小，可以不必考虑涡激共振对结构疲劳及运行舒适性的影响。

根据计算，主桥成桥状态及最大双悬臂施工状态抗风稳定性均能满足规范要求。

4 特殊问题的技术处理

4.1 主梁剪力滞效应

本桥宽跨比达到了1∶6.68，设计需要考虑剪力滞效应对边主梁的不利影响，主梁产生剪力滞的主要有轴力及纵向弯矩［4］。对于轴力影响，由于局部荷载不产生轴力，轴力主要是由体系中斜拉索的水平分力产生的。通过空间模型分析，经计算单根斜拉索的水平分力传递大约3.5个节段后，全截面应力分布均匀，传递角度约30°，应力云图详见图4。对于主梁，多根拉索的累积效应是线性叠加的，因此总体看，索力传递规律是一致的。由此可见除跨中位置外，其余节段基本均可当成全截面参与轴向力受力，对于跨中位置，斜拉索传递的轴力不能传递到全截面，因此设计通过配置跨中合龙束，通过合龙束的轴力与斜拉索轴力共同作用，确保跨中截面全截面的预应力度。

图 4 主梁在索力作用下应力分布

对于弯矩的影响，在拉索区，本桥荷载传递路线为桥面板—横梁—斜拉索，由于每根斜拉索均对应一个小横梁，传递到小横梁上的荷载可以直接传给斜拉索，可以近似看作桥面板和纵梁没有共同受力，在该区域荷载产生的弯矩很小，该区域剪力滞效应几乎可以忽略。对于横梁与斜拉索不对应的位置即支点附近，传力路径变成桥面板—横梁—纵梁（边主梁），桥面板与纵梁共同参与受力，此时存在有效翼缘宽度的问题。本次设计通过索力优化，使得支点附近纵梁局部弯矩较小，将弯矩在支点附近对主梁剪力滞的影响减小到最低。

本节剪力滞效应分析与前文提到的截面有效宽度不完全相同，前者主要针对总体计算，将主梁简化为杆单元，本节主要从空间角度分析斜拉索力在主梁中的传递情况。