分析预应力混凝土无背索斜拉桥设计

2020-01-12王丽娟

黑龙江交通科技 2020年12期

王丽娟

(山东中咨公路咨询设计有限公司，山东东营 257091)

对于无背索斜拉桥，它是对普通斜拉桥在造型上的突破，整体桥型有强大支撑力，能给人以十分深刻的印象。对于普通斜拉桥，会在桥塔的两侧设置斜拉索，在恒载作用下，两侧斜拉索实际水平力可以保持平衡，而主塔则在活载情况下承受水平方向的作用力与弯矩。

1 工程概况

某高科技园区是直接面向于新世纪的以高科技产业为核心的园区基地，是国家级的高新技术产业开发基地，将科技、教育、生产和培训等集为一体。根据城市发展总体战略，该科技园区是今后很长时间的发展重点，南北和东西方向的长度分别为6 km左右和1 km左右。在该地区中的开发地块内，有一座桥梁从河道上直接跨越，是进入到这一开发区中的大门之一。按照开发区整体布局，这一桥梁是开发区中的主要景观，其外观必须具备一定标志性，充分体现出和现代化工业园区良好协调适应的风格。基于此，采用现阶段在我国还很少使用的无背索斜拉结构，使其外观如同一艘帆船，以此表现出未来蓬勃发展和一帆风顺的含蕴。该桥梁结构的设计荷载为城-B，同时按照汽车-20级和挂车-100级进行验算，人群荷载为4.0 KN/m2，桥面布置结构：宽度为0.25 m的栏杆+宽度为3 m的人行道+宽度为8 m的车行道+宽度为2 m的中央分隔带+宽度为8 m的车行道+宽度为3 m的人行道+宽度为0.25 m的栏杆，全宽为24.5 m，桥面设置2%的横坡，梁底标高不小于5 m，地震烈度取6度，桥梁设计中提高一个等级，并进行加强抗震设计，提高墩柱结构延性，并在桩的顶部设置箍筋予以加强。现围绕该桥梁实际情况，对其设计做如下分析研究。

2 设计构思

因开发区中没有跨度相对较大的河道，对于小跨径梁桥，只有桥栏杆可以适当装饰，总体形象很难形成景观。基于此，只能进行人工造景，将桥梁的结构确定为无背索斜拉式，利用桥梁塔身创造制高点，以此充分体现桥梁工程的气势与力度。总体上，该结构不对称，塔身向岸边的方向后倾，能获得新颖且良好的稳定感，将拉索仅配置于跨河其中一侧，通过钢索使桥面被提起，以此能增添惊险刺激之感，形成壮阔画面。纵立面整体造型和船只类似，能表现出良好的寓意。

无背索斜拉桥属于特殊形式的斜拉桥，然而也和斜拉桥相同，因索力处于梁体之外能增加一定力臂，多条索形成的索力能形成一个弹性支承，使梁内弯矩变小，提高梁体跨越能力，并能减小主梁的高度。这样的设计是为了保证景观，所以所选的跨径及结构形式不是最经济的组合。

因该桥所在位置和河道的规划蓝线发生了移位，在施工过程中还没有开河，所以可在岸上进行支架的搭设来完成浇筑，不需要进行悬臂浇筑或采用预制拼装的方法。

拉索的初始拉力需要严格按照塔身下端截面实际弯矩等于零来控制，为了方便实际的设计与施工，应使用四根保持平行位置关系的拉索，每一条拉索的初始应力都要按照完全下相等来考虑。

对于外部结构受力，其中一端采用塔身和主梁与桥台固结，而另外一端采用超静定体系。对于内部结构受力，主梁在拉索部位按照弹性支撑形式的连续梁来充分考虑。

3 总体设计

3.1 桥型布置

桥孔采用单孔跨径为48 m的独塔形式，无背索。在桥上设置一个凸起的竖曲线，曲线的半径为4 000 m。在桥面上设置2%的横坡，总宽度为24.5 m。在独塔以下，1#桥台采用单箱四室截面，而另外一侧的0#台为钢混实体，以上均为方柱基础。

3.2 上部结构

主梁采用单箱双室结构，采用强度等级为C50的混凝土，高度和宽度分别为1.6 m、16 m，边腹板的厚度为40 cm，中腹板的厚度为60 cm，顶板的厚度为22 cm，并设置2%的横坡，底板的厚度为20 cm。同时，采用双向预应力技术，按照10 m的间隔距离设置横梁，其宽度为50 cm。在箱梁的顶板进行横向力筋的设置，其设置间距为50 cm。整桥共采用80根力筋，在每个边腹板中都布置12根力筋，在中腹板中布设56根力筋。所用力筋的标准强度为1 860 MPa，在张拉过程中按照1 395 MPa的应力进行控制。在混凝土的实际强度达到设计要求后，方可开始张拉。

斜塔结构截面为矩形，采用钢混结构，结构的高度为35.4 m，和桥面之间的夹角为60°，主要布置在中央分隔带，整桥仅设置一个斜塔。主要采用为强度等级为C50的混凝土，在塔中纵向布设力筋，在两端同时进行张拉。同时，在周围配置44根力筋。

塔和桥面的纵梁之间设置四根拉索，在水平方向的间隔距离按10 m控制，将横梁的位置作为张拉位置，斜拉索和梁之间的夹角按30°控制。斜拉索为高强镀锌钢丝，其外包一层聚乙烯，为拉索提供有效保护，每根拉索采用85根钢丝。

桥面结构共分为两层，分别为钢筋混凝土和沥青混凝土，其中，钢筋混凝土层的厚度为8 cm，强度等级为C30，沥青混凝土的厚度为20 cm。在桥面上设置2%的横坡，以利于桥面的排水。桥面上的人行道必须比桥面略高20 cm，并设置和桥面相反的横坡，坡度按1%控制。

3.3 下部结构

(1)1#桥台采用单箱四室截面，混凝土的强度等级为C50，台高4 m。桥台和箱梁之间采用刚性连接，通过整体浇筑而成，无需设置支座，其下方均采用方形桩。

(2)0#台为实体台，采用强度等级为C30的混凝土浇筑而成，每一片腹板都设置支座。另外，在桥台和箱梁之间布置伸缩缝装置，其下方均采用方形桩。

4 结构计算与施工顺序

无背索斜拉桥主要通过塔身向后倾适当角度来产生足够弯矩，使主桥的荷载弯矩达到平衡。斜拉索的索力可以通过两者的平衡进行计算。通过计算可知，斜拉索的索力为150t左右。

在本次设计过程中，主要采用由同济大学提出的系统，节点的个数为24个，单元的个数为25个，1#～8#单元是箱梁，9#～11#单元是桥台，12#～21#单元是斜塔，22#～25#单元是斜拉索。

施工过程中的荷载包括：结构自身重量、二期恒载、预应力、各个龄期混凝土发生的收缩与徐变；在运营过程中的荷载包括：汽车、挂车与人群荷载。

施工过程中的计算结果为：(1)箱梁：上缘正应力为8.12 MPa，应力的最大值为17.5 MPa，下缘正应力为7.99 MPa，应力的最大值为17.5 MPa；(2)桥台：上缘正应力为4.42 MPa，应力的最大值为17.5 MPa，下缘正应力为2.68 MPa，应力的最大值为17.5 MPa；(3)斜塔：上缘正应力为2.72 MPa，应力的最大值为17.5 MPa，下缘正应力为2.09 MPa，应力的最大值为17.5 MPa。桥梁所用斜拉索的拉应力为60.9 MPa<62.79 MPa。使用过程中的计算结果为：(1)箱梁：上缘正应力为9.79 MPa，应力的最大值为17.5 MPa，下缘正应力为9.66 MPa，应力的最大值为17.5 MPa；(2)桥台：上缘正应力为4.06 MPa，应力的最大值为17.5 MPa，下缘正应力为2.61 MPa，应力的最大值为17.5 MPa；(3)斜塔：上缘正应力为2.26 MPa，应力的最大值为17.5 MPa，下缘正应力为2.74 MPa，应力的最大值为17.5 MPa。桥梁所用斜拉索的拉应力为61.01 MPa<62.79 MPa。

施工顺序为：桩基施工→支架搭设、钢筋绑扎、模板支设、桥台浇筑→箱梁钢筋绑扎、模板支设、桥台与箱梁浇筑→支设塔身支架、钢筋绑扎、分段浇筑→张拉梁内横向筋→张拉梁内纵向筋→张拉塔下斜拉索→张拉斜塔中力筋→张拉剩下的斜拉索→拆模与支架拆除。