淮北相王支座体系无背索斜拉桥设计

王 斌 程应刚

（中铁大桥勘测设计院集团有限公司 武汉 430050）

淮北相王大桥项目位于淮北市开发区新区东北部，为相王大道跨越新濉河关键性控制工程。项目全长951.66m，主桥采用50m＋110m＋60m＋45m无背索斜拉桥。该桥于2011年11月开工建设，2013年10月建成通车。

1 技术标准

相王大桥作为开发区新区东北部主要过河交通通道，综合所在区域路网发展规划、项目的地位和作用，以及两岸既有路网情况，确定本项目主要技术指标为：城市道路主干路I级；设计行车速度60km／h；公路I级活载；VII度抗震设防烈度。

2 主要建桥条件

2.1 工程地质

（1）覆盖层。根据详勘地质报告，场区覆盖层简单，厚24～33m，由第四系全新统及上更新统冲洪积相地层组成。其中：①大层的①1填筑土、①2种植土为新近堆积土；②大层的粉质黏土可塑状、粉土及粉细砂；③大层的黏性土可塑状、粉土及粉细砂中密状；④大层黏性土硬塑状。

（2）基岩。基岩为寒武系灰岩及燕山期侵入岩闪长玢岩、辉绿岩，岩面高程7.33～1.50m。全强风化基岩承载力较高，压缩性中等；中～微风化基岩承载力高，岩质硬～坚硬，工程性能极好。灰岩岩溶主要发育在岩体表部及受侵入岩影响严重的部位，表现为小型溶洞和较大的溶蚀沟槽，溶洞内均有黏性土及残留岩块充填，勘察时未发现大型平洞。

2.2 水文

根据《淮北市城市总体规划（2006－2020）》确定淮北市城市防洪标准为100年一遇。肖濉新河规划防洪标准为100年一遇，除涝标准为5年一遇。主塔墩（5号墩）一般冲刷后高程26.24m，局部冲刷高程23.88m。

3 主桥结构设计

3.1 桥跨布置

相王大桥主桥全长265m，为4跨无背索斜拉桥，其中主跨110m，左侧边跨为50m，右侧边跨为60m＋45m。主桥桥跨布置见图1。

图1 主桥桥跨布置图 （单位：m）

3.2 主梁横断面布置

桥面上设双向8车道公路和两侧人非混行道，斜拉索锚固区设在车道和人非混行道之间，桥面总宽度为45m（见图2），具体分布为：0.25m栏杆＋3m人非混行道 ＋0.25m栏杆＋3m斜拉索锚固区＋0.5m防撞护栏＋0.5m 路缘带＋（3×3.75 m＋3.5m）机动车道＋0.5m双黄线＋（3.5m＋3×3.75m）机动车道＋0.5m路缘带＋0.5m防撞护栏＋3m斜拉索锚固区＋0.25m栏杆＋3m人非混行道＋0.25m栏杆＝45m。

图2 桥梁横断面布置图 （单位：cm）

3.3 主梁

本桥斜拉桥主梁为预应力混凝土连续梁，单箱6室结构。主梁顶宽从标准的39m变化为有索区的43m，再到主塔处的45m3种，顶面设置双向2%横坡，底面保持水平。梁高最大为5.0m，最小为3.0m，梁高按圆曲线进行变化。全桥顶板厚0.26m，腹板厚0.5m，有索区外腹板厚1.25m。主跨底板厚从0.24m变化到0.5m，边跨底板厚从0.3m 变化到0.5m，45m 边跨底板厚0.3m。主跨箱梁两侧外腹板底部开槽作为斜拉索锚固区，斜拉索中心线横桥向间距35m。主梁在斜拉索锚固处设有横梁，间距8m，厚度为40cm。4，5，6号中墩墩顶横梁厚度为200cm，3，7号边墩墩顶横梁厚度为140cm。主梁标准横断面图见图3。

图3 主梁标准断面布置图 （单位：cm）

主梁采用纵、横双向预应力体系。主梁纵向预应力钢束全部采用 Φj15.24钢绞线，fpk＝1 860MPa，Ey＝195GPa，群锚锚具，锚下张拉控制应力为σk＝1 395MPa，锚外张拉应力不超过0.8 fpk。采用塑料波纹管成孔。主梁斜拉索锚固处横梁及墩顶横梁均设置有横向预应力，也采用φj15.24钢绞线，fpk＝1 860MPa，Ey＝195 GPa，群锚锚具，锚下张拉控制应力为σk＝1 395 MPa，锚外张拉应力不超过0.8 fpk。采用塑料波纹管成孔。

3.4 主塔

主塔为独柱式钢筋混凝土斜塔，倾斜30°，横向有2座主塔，相距35m。桥面以上塔高61.5 m。塔柱截面采用矩形空心截面。塔柱外形采用等截面布置，横桥向宽3m，壁厚0.8m；纵桥向长6m，壁厚2m。

3.5 斜拉索

为斜拉索的安装方便、快捷，本桥斜拉索采用高强镀锌平行钢丝成品索，钢丝极限抗拉强度为1 770MPa，呈竖琴型索面布置。全桥斜拉索共设8对，由1种规格组成，为PES109φ7；单根斜拉索最短为44.8m，最长为130.4m；单根斜拉索最轻为1.60t，最重为4.66t。斜拉索锚具采用冷铸锚进行锚固，减振设备采用阻尼橡胶减振圈，斜拉索表面还采用了双螺纹凸线抗风雨减振措施。

3.6 主桥下部结构

主桥上部结构采用单箱整幅预应力混凝土箱梁，由于箱梁横向较宽，横向均设置4个支座，以满足箱梁横向受力要求。根据这一特点，主桥下部桥墩横向采用4个独柱式桥墩。由于桥址区溶洞比较发育，覆盖土层的摩阻力不足以提供桩基的竖向承载力要求，采用端支承的嵌岩桩；桩长的确定根据以下2个原则：①满足桩基嵌入基岩的深度至少为1倍桩径，这不仅可以降低工程造价，而且不至于削弱溶洞顶板的承载能力；②桩底以下保证至少4倍桩径厚度的无溶洞发育的连续完整岩体［1］。主塔墩结构图见图4。

图4 主塔桥墩结构图 （单位：cm）

5号墩（主塔墩）外侧单个桥墩基础采用4根直径220cm钻孔桩，内侧单个墩基础采用4根直径180cm钻孔桩，承台平面尺寸为860cm×860 cm，承台厚均为350cm，桩长均为38m；墩柱平面尺寸为400cm×400cm。

4号墩（辅助墩）外侧单个桥墩基础采用4根直径150cm钻孔桩，内侧单个基础采用4根直径180cm钻孔桩，桩长53m；承台平面尺寸为660 cm×660cm，承台厚度300cm；墩柱平面尺寸为300cm×300cm。

6号墩（辅助墩）单个墩基础采用4根直径120cm钻孔桩，桩长35m；承台平面尺寸为520 cm×520cm，承台厚度200cm；墩柱平面尺寸为220cm×220cm。

3号墩（边墩）单个墩基础采用4根直径120 cm钻孔桩，桩长39m；承台平面尺寸为520cm×520cm，承台厚度200cm；墩柱平面尺寸为横向170cm，纵向300cm，在墩顶正桥侧设60cm高的台阶。

7号墩（边墩）单个墩基础采用4根直径120 cm钻孔桩，桩长33m；承台平面尺寸为520cm×520cm，承台厚度200cm；墩柱平面尺寸为横向170cm，纵向320cm，在墩顶正桥侧设60cm高的台阶。

4 主桥科技创新

4.1 国内外首次采用支座体系宽幅多箱室混凝土主梁无背索斜拉桥

本桥应业主景观要求确定采用无背索斜拉桥方案［2］，为此查阅了国内外已建较大跨无背索斜拉桥的相关资料，统计见表1。

表1 国内外主跨100m以上的无背索斜拉桥统计表

由表1可见，以上桥梁主梁形式为钢箱梁或钢混结合梁，斜塔形式主要为混凝土填心的钢塔，也有少量采用混凝土塔。本桥根据实际建桥条件，从经济、景观、施工难度等多方面对主梁选型进行比选，因混凝土主梁造价经济，虽然原来没有在无背索斜拉桥中采用过，加之本桥很宽，需采用宽幅多箱室结构，其受力特性有待探究，最终还是决定采用混凝土主梁。

因为本桥很宽，在横桥向需设置2个斜塔柱，布置于桥面8车道的外侧，主塔外侧再布置非机动车道和人行道。国内已建成的无背索斜拉桥大都为横桥向设置单个斜塔柱，斜塔柱和主梁及主梁下塔柱采用全固结体系。但本桥因为横桥向有2个塔柱且横向距离较大，加之主梁下塔柱较矮，主塔基础为支撑于岩石的柱桩基础，若采用全固结体系，根据横向受力计算可知，由于横向温度及混凝土收缩徐变产生作用力较大，而不能满足受力要求。因此本桥决定采用支座体系的无背索斜拉桥，斜塔与主梁固结，主梁与主塔墩通过支座连接，很好地解决了该桥的各种受力问题。

4.2 国内首次采用主动施顶的无背索斜拉桥斜塔施工新法

根据相王大桥主塔爬模走行施工方案，主塔第3节开始采用爬模浇筑施工［3］，单套爬模自重按32t计（已经考虑施工临时荷载），当主塔第4节混凝土浇筑后，爬模走行至第5节时根部外侧拉应力为1.10MPa，考虑施工期间安全储备，拉应力已接近设计拉应力限值。

若主塔施工过程不进行任何主动控制措施，在第1根斜拉索（对单塔）M1张拉前，主塔将施工至第5节，考虑挂索方便，爬模将走行至浇筑第6节状态，主塔根部外侧拉应力为1.84MPa，显然不满足施工安全需要。

为此，主塔在施工至第3节时应对主塔进行主动控制（顶撑），即第4节主塔混凝土浇筑前，在第3节底部布设竖向支撑，并施加2 000kN顶推力（单塔）；第5节主塔混凝土浇筑前，在第3节顶部布设竖向支撑，并施加2 000kN顶推力（单塔）。

因此，本桥设计在国内首次采用主动施顶的措施来配合爬模法施工无背索斜拉桥的斜塔，取得了很好的效果。

5 结语

淮北相王大桥是我院首次将无背索斜拉桥运用于工程实践，其科技含量高，可为今后修建类似桥梁起到很好的借鉴作用。同时该桥造价经济，取得了很好的经济效益和社会效益。

本桥于2013年10月建成通车，其造型优美，是淮北市的一个标志性建筑。

［1］万志勇.岩溶地区基础设计［J］.公路，2005（8）：121－123.

［2］施新欣，阮 欣，石雪飞.无背索斜拉桥体系特点及关键问题初步分析［M］.长沙：中国土木工程学会全国桥梁学术会议论文集，2004：86－89.

［3］彭旺虎，邵旭东，李立峰，等.无背索斜拉桥的概念、设计与施工［J］.土木工程学报，2007（5）：101－104.