郑东新区龙湖内环路跨北引水渠桥的方案设计

2016-11-18艾伏平廖崇庆

城市道桥与防洪 2016年7期

关键词：钢箱塔柱拉索

艾伏平，徐俊，廖崇庆

（上海市政交通设计研究院有限公司，上海市 200030）

郑东新区龙湖内环路跨北引水渠桥的方案设计

艾伏平，徐俊，廖崇庆

（上海市政交通设计研究院有限公司，上海市 200030）

现先介绍郑州市郑东新区龙湖内环路跨北引水渠桥的工程概况。接着，详细论述其初设阶段的桥梁总体设计、结构比选，以及结构设计。最后，对桥梁主体构造的强度、刚度、应力进行计算分析。结果表明：该设计方案各主要构件的强度、刚度、裂缝宽度及结构的整体稳定性均能满足规范要求。

鼎盛中原斜拉桥；结构比选；结构设计；结构计算

1　概述

最大的司母戊鼎出土于河南，设计以中原“鼎”文化为构思，打造龙湖最大最高的独塔斜拉桥，展现了郑州厚重的地域文化。“鼎盛中原”方案为中标方案。桥梁采用（95+20+95）m独塔斜拉桥，桥梁全长210 m，宽53 m。主塔造型上呈“鼎”的形态，由四根塔柱组成，桥面以上塔高约92 m；拉索采用空间双索面辐射状布置（见图1）。

图1　桥型效果图及布置图（单位：m）

2　结构比选

2.1结构体系比选

该桥为四塔柱独塔钢箱梁斜拉桥，如采用塔梁墩固结的刚构体系，下塔柱在整体温度和地震作用下的受力不利，且固结处的构造处理困难，施工难度大，不宜采用。墩塔固结、塔梁分离的漂浮体系的优点是主跨满载时，塔柱处的主梁无负弯矩峰值，但施工需临时固定，解除固定时会纵向移动，也不宜采用。塔墩固结、塔梁分离的半漂浮体系与全漂浮体系相比，在塔墩上设置竖向支承对结构总体刚度和静力反应影响不大，仅对支座位置主梁局部弯矩有一定影响。综合考虑结构在汽车活载、风荷载、温度作用和地震作用下的强度、刚度和稳定性，结构采用三跨连续半飘浮体系。即主梁在近塔柱及桥台处设置竖向支承，采用隔震球型支座；主梁和索塔之间：横桥向设置侧向限位支座，顺桥向设黏滞阻尼器系统；桥台设横向抗震挡块（见图2）。

图2　桥梁约束系统布置示意图

2.2主梁结构比选

桥梁横断面布置为：3.0 m（人行道）+7.0 m（非机动车道）+5.0 m（索塔锚固区）+23 m（机动车道）+ 5.0 m（索塔锚固区）+7.0 m（非机动车道）+3.0 m（人行道）=53.0 m（见图3）。近年来国内斜拉桥工程实例表明：对于桥宽大于30 m的主梁采用钢箱梁或叠合梁。且桥面太宽主梁受力以横向控制为主。而叠合梁的缺点是钢混凝土结合面受力较为复杂，且混凝土桥面板的受拉开裂问题难以解决。通过景观、结构构造、受力性能、施工、养护、耐久性等多方面综合考虑，该工程推荐采用大挑臂梁格体系钢主梁方案。

图3　主梁横断面图

2.3主塔结构比选

斜拉桥采用混凝土主塔和钢主塔都很常见。但钢塔的受压稳定性差；拉索锚固区构造特别复杂；景观限制了塔的外形尺寸导致钢塔塔上张拉操作困难；钢混结合段构造措施复杂；塔高104 m导致吊装和高空拼装困难；后期养护困难且费用高。经过详细经济性比较，混凝土塔建安费：钢塔建安费=1：1.2。综合上述因素，推荐混凝土塔。

2.4桩基结构比选

由于该桥桩基承载力主要由桩周摩擦力提供，因此较小桩径更有利于承载力的提供。但是该桥基础规模较大，太小的桩径施工周期加长，且地震下最小轴力与最大弯矩工况难以满足要求，故不宜采用太小桩径。而桩径太大，成桩难度大，且工程量增大。综上所述，该桥桩基直径推荐采用1.8 m（见表1）。

表1　主塔基础钻孔灌注桩桩径比选表

3　结构设计

3.1主梁结构设计

经过计算，梁高为2.5 m、3 m、3.2 m的运营阶段应力分别为153 MPa、100 MPa、86 MPa，而相应的材料用量比为0.983：1：1.011，所以综合材料用量、应力和景观，采用3 m梁高。此外，闭合钢箱的宽度分别取4.6 m、5.8 m、6.4 m进行计算得到的运营阶段应力分别为129 MPa、100 MPa、87 MPa，而相应的材料用量比为0.975：1：1.021，所以综合材料用量和应力，采用的5.8 m的钢箱宽度。双主梁之间设3 m一道横梁连接，桥面板为正交异性钢桥面板［1］；双主梁外设3 m一道的大挑梁，人非通道区设置正交异性钢桥面板，大挑梁设纵向腹板；索梁锚固区则采用中空网格布置，不设纵向连续的桥面板；在主梁两端和桥塔侧将底板贯通成为横梁，即两道端横梁和两道桥塔侧横梁为箱型断面，箱室宽度分别为2.85 m和5 m。图4为主梁平面图。

图4　主梁平面图

桥面系采用U肋栓接桥面焊接的形式，铺装采用白色（纤维细石子混凝土）加黑色（沥青混凝土）铺装［2］。

3.2主塔结构设计

桥塔分为下塔柱、中塔柱、上塔柱、顶塔柱，且长度满足景观要求的黄金分割比例，在中塔柱和上塔柱交界，以及上塔柱和顶塔柱交界设了横梁。在上塔柱索塔锚固区为平衡斜拉索的水平力设置了水平拉杆。所有塔柱的截面都与道路中心线成15°夹角。图5为塔柱断面图。

图5　塔柱断面图

由于塔柱尺寸小，只能考虑斜拉索穿过塔柱锚在塔柱的侧面上。为保持塔柱外形一致可考虑两种锚固形式，一种是将截面单侧挖空0.9 m（可保持外形一致），斜拉索通过齿块锚固在挖空的侧面上；另一种是截面不挖空，斜拉索通过槽口锚固在截面的侧面上。如果采用截面不挖空开槽口的方法，则在塔侧面上槽口的最大长度约为1.6 m，同时需满足千斤顶操作空间，对塔侧面的削弱较大，因此采用挖空截面、齿块锚固的方法。斜拉索最大索力约为600 t，在上塔柱上产生巨大的水平分力对塔柱是非常不利的，因此设置水平拉杆来平衡斜拉索的水平分力。水平拉杆采用钢箱截面，内置预应力。在施工完桥塔后先张拉预应力使得钢箱截面受压，成桥阶段下斜拉索的水平分力作用使钢箱梁截面压力减小（但保持压应力），钢箱可以不伸入塔柱截面进行受拉锚固，可避免钢箱伸入塔柱混凝土割裂混凝土和主筋。此外预应力钢筋的管道需要避开斜拉索的套筒。图6为槽口、齿块锚固及拉杆示意图。

图6　槽口、齿块锚固及拉杆示意图

3.3斜拉索设计

该桥采用平行钢丝斜拉索。平行钢丝斜拉索钢丝标准强度1 670 MPa，锚具采用冷铸锚。斜拉索在梁上顺桥向标准索距12 m，塔上竖向标准索距3.3 m/2.7 m，横桥向设双排拉索。每个塔柱共布置7根斜拉索，全桥共7×4=28根斜拉索，最大斜拉索长度约112 m。斜拉索规格最小为PES7-187，最大为PES7-211。

4　结构计算

4.1静力计算

施工阶段分为两个阶段：塔柱施工完毕，横梁预应力和拉杆预应力均已张拉，此时主要考察拉杆应力大小及上塔柱混凝土拉应力是否超标；成桥状态，主要考察拉杆、主梁、塔柱应力水平。桥塔施工完成后，拉杆预应力已经张拉，上塔柱承受弯矩作用，其截面拉应力为0.97 MPa，整个混凝土塔（含横梁）截面压应力最大为5.8 MPa。桥塔施工完成后，拉杆预应力已经张拉，拉杆钢箱全截面受压，压应力为17～96 MPa。成桥阶段，上塔柱的截面拉应力为0.91 MPa，整个混凝土塔（含横梁）截面压应力最大为6.8 MPa。成桥阶段，拉杆钢箱全截面受压，压应力为11～52 MPa。上述指标都满足要求。

运营阶段，上塔柱的截面拉应力为-1.03 MPa，整个混凝土塔（含横梁）截面压应力最大为7.7 MPa。运营阶段，拉杆钢箱全截面受压，压应力为4～61 MPa。斜拉索最小安全系数2.7，均大于2.5，满足强度要求；在汽车及人群荷载作用下应力幅最大值为159 MPa，小于200 MPa。运营阶段，主梁应力范围为-64 MPa～100 MPa，主梁应力水平较低。半跨布载（一期恒载+二期荷载+半跨布载）下的桥塔整体稳定系数为31.2。取3 m横梁做横向计算，工字钢横梁根部最大应力为140 MPa，车行道跨中最大应力为141 MPa。上述指标都满足要求。图7为运营阶段主梁应力图。