联塔分幅混凝土独塔斜拉桥设计

2020-06-07李邦映胡小康

工程与建设 2020年6期

李邦映，胡小康

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司；公路交通节能与环保技术及装备交通运输行业研发中心，安徽合肥 230088)

0 引言

随着社会经济的快速发展，公路的交通量不断上涨，车道数逐渐增加，道路功能也不断完善，特别是城市周边或市政桥梁，考虑非机动车道和人行道后，桥面宽度能够达到40～50 m，超宽桥梁不断涌现。如采用常见的整幅式桥梁，则会带来空间效应突出、内力状态复杂、裂缝难以控制等问题，因此一般采用平行设置、完全独立的双幅桥梁。对于斜拉桥来说，采用联塔分幅方案比较少见[1-4]。

该文以G237 蒙城绕城段一级公路改建工程涡河特大桥为例，详述该桥桥型方案和构造的确定，供类似工程参考。

1 工程概况

G237 蒙城绕城段一级公路改建工程利用蒙城县规划东外环线位，城镇交通将十分繁忙，同时也是蒙城县重要的对外交通通道，将吸引大量的过境交通。

涡河特大桥位于该项目与涡河的交汇点，如图1所示。涡河现为Ⅳ级航道，航道繁忙，周边总体地势平坦，自然环境良好，现状以农田和工业用地为主。根据工程地质调绘和钻孔揭露情况，桥位区地层主要为淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉土及粉砂，未揭露到基岩。

图1 桥位平面图

2 主要技术标准

(1)道路等级：一级公路兼具城市道路功能。

(2)设计车速：60 km/h。

(3)汽车荷载：公路-I级[5];人群荷载：2.5 kN/m2。

(4)设计基准期：100年。

(5)通航等级：天然和渠化河道Ⅳ级，通航净高不小于8 m，最高通航水位26.13 m，最低通航水位16.34 m。

(6)桥面宽度：2×23.75 m。

3 总体设计

3.1 桥跨布置与桥型方案选择

该桥跨越Ⅳ级航道，通航净宽不小于90 m，由于受道路线位限制，桥位处于航道弯曲段，航道半径为330 m，路线法线与航道交角为17°，考虑弯道和横向流速加宽、桥墩防撞设施和紊流影响以及桥墩碍航宽度后，通航孔跨径不小于163.5 m，主跨跨径取整采用165 m是满足通航安全要求的。

由于该桥位于城市外环，跨越涡河滨水风光带，景观要求较高，通过对适用的部分斜拉桥、系杆拱桥、自锚式悬索桥、双塔三跨斜拉桥和独塔不对称斜拉桥进行方案比选，并结合地方意见，最终选择景观效果突出而又造价经济、养护较易的混凝土独塔不对称斜拉桥。

由于边跨位于基本无水的河道漫滩，施工方便，为满足混凝土斜拉桥平衡受力需求和经济性要求，结合跨堤引桥跨径布置，边跨采用123 m的较小跨径，边中跨比为0.745，为了提高整体刚度，在边跨设置了一座辅助墩。

综上所述，斜拉桥跨径组合为(165+83+40)m，采用混凝土独塔不对称方案，如图2所示。为平衡边中跨水平力，采用塔梁固结体系。

图2 桥型布置图(单位：m)

3.2 主梁

标准桥面宽度为2×23.75 m，考虑两侧拉索锚固区宽度后桥梁宽度超过50 m，如采用整幅式断面，因梁高受横向控制，将导致主梁混凝土方量大幅增加，基础、塔、梁、斜拉索工程量增加，施工困难、施工措施费用提高，从而导致工程造价显著提高；主梁空间效应明显[1]，不利于拉索轴力全截面扩散，也会引起局部应力集中，不利于结构受力；横向受力复杂，收缩、徐变引起的混凝土裂缝难以控制[3]，因此，主梁推荐采用分幅式断面，如图3所示。

图3 主梁标准断面图(单位：cm)

单幅主梁全宽26.35 m，主梁中心处梁高2.6 m，桥面2%横坡通过主梁整体旋转实现；标准段采用刚度较大、预应力容易布设的双边箱梁断面，主梁顶板厚0.3 m，底板厚0.35 m，斜腹板厚0.3 m，直腹板厚0.4 m；边跨现浇段由于配重需要采用单箱四室断面，底板厚度0.6 cm。主梁标准节段长8 m，每8 m设置一道横梁，横梁箱室内厚0.5 m，箱室外厚0.4 m，横梁底部采用马蹄型断面；边跨现浇段横梁间距为6 m和3.4 m，横梁厚0.5 m。主梁采用C55混凝土。

3.3 主塔

对应主梁分幅，如果主塔左、右幅完全独立设置，将会导致工程量增大、占地增多、造价提升等问题，景观效果也较差，由于处于航道弯曲段，碍航宽度会进一步加大，影响通航安全性，因此，主塔推荐采用联体方案。

主塔采用简洁古朴的三柱式联体宝鼎形塔,如图4所示。塔柱竖直，塔柱总高98.824 m，中塔肢下塔柱高21.324 m，上塔柱高77.5 m；边塔肢下塔柱高20.824 m，上塔柱高78 m，塔柱采用矩形截面。顺桥向，上塔柱宽6.5 m，中塔肢壁厚1 m，边塔肢壁厚0.7m；下塔柱宽由6.5 m直线变化至塔底8 m，为降低对水流的影响，倒角由半径0.3 m变化为2 m，中塔肢壁厚1.2 m，边塔肢壁厚0.9 m，塔底设置3 m厚实心段。横桥向，中塔肢上塔柱宽6 m，边塔肢上塔柱宽5 m，壁厚均为1.2 m；中塔肢下塔柱宽由6 m直线变化至塔底8 m，边塔肢下塔柱宽由5 m直线变化至塔底7 m，壁厚均为1.3 m。塔肢之间设置上横梁和下横梁，横梁采用单箱单室断面，塔顶设置4.6 m高塔冠。

图4 主塔立面图(单位：cm)

每根塔肢下均设置矩形承台，承台高6 m，中塔肢承台横、顺桥向宽均为22.95 m，边塔肢承台横、顺桥向宽分别为16.7 m和22.95 m，承台之间通过系梁连接形成整体，全桥共设置42根直径2.5 m的钻孔灌注桩。

塔柱采用C50混凝土，承台采用C35混凝土，桩基采用C30水下混凝土。

3.4 斜拉索

相比于平行钢丝斜拉索，钢绞线斜拉索具有运输和安装方便、造价较低、耐久性较好、后期能够单根换索、养护难度较低等优点[6]，因此针对该桥推荐采用钢绞线斜拉索。

斜拉索采用四索面扇形布置，单幅主梁斜拉索边、中跨侧各19对，全桥共76对，拉索型号有34、37、43、55、61、73六种，梁上标准间距为8 m，塔上标准间距为2 m，均采用齿块方式锚固。斜拉索采用标准强度1 860 MPa、公称直径15.2 mm的单丝涂覆环氧涂层钢绞线。斜拉索表面采用抗风雨振措施，拉索外护套采用双螺旋线型HDPE圆管外护套。根据斜拉索自振频率，M3～M19、S3～S19拉索在主梁处设置减振阻尼。

3.5 辅助墩、过渡墩

辅助墩和过渡墩均采用双柱式桥墩，墩身为矩形截面，横桥向墩柱顶宽2.7 m、墩柱净距7.3 m，墩柱底宽2.2 m、墩柱净距5.6 m，通过墩顶6.15 m高度范围进行变化；顺桥向辅助墩墩柱宽3 m，过渡墩由于支座安装需要，墩柱顶宽4 m、底宽3 m，通过墩顶4 m高度范围进行变化。为降低对水流的影响，墩身设置半径0.6 m的圆弧倒角。距墩顶0.5 m设置一道系梁。墩底设置哑铃型承台，下设4根直径2 m的钻孔灌注桩。

墩身采用C40混凝土，承台采用C30混凝土，桩基采用C30水下混凝土。

4 结构分析结果

4.1 总体分析模型

由于结构受力不对称，斜拉桥总体分析需要建立空间模型，如图5所示。主梁和主塔采用梁单元，斜拉索采用桁架单元，斜拉索通过刚性连接与塔、梁进行固定。该桥采用先塔后梁、主梁挂篮悬浇的常规施工方案，计算模拟了整个施工流程，根据施工过程施加对应边界条件，并按照m法考虑桩-土作用[7]。

图5 总体计算模型

除了恒载、汽车和人群荷载以及收缩徐变外，模型中还考虑了以下主要作用[1,8]：

(1)均匀温度：合龙温度取20℃，体系升温14℃，体系降温-23℃；

(2)主梁竖向梯度温度：主梁上、下缘温差采用非线性梯度温度14℃、5.5℃、0℃，反温差取正温差的-0.5；

(3)斜拉索与塔、梁间温差：±10℃；

(4)主塔梯度温度：考虑塔柱正温差5℃，负温差-5℃影响；

(5)基础变位：辅助墩、过渡墩基础沉降0.005 m，主塔基础沉降0.015 m。

(6)风荷载：按照《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T D60-01-2004)进行取值。

4.2 主要分析结果

(1)主梁。正常使用极限状态频遇组合下，主梁上、下缘正截面压应力最小值均为1.3 MPa，主梁正截面抗裂满足全预应力混凝土构件要求；使用阶段主梁上、下缘正截面压应力最大值分别为15.4 MPa和16.5 MPa，混凝土正截面压应力均不超过C55混凝土抗压强度标准值的0.5倍即17.7 MPa[9]。

主梁在车道荷载(不计冲击力)作用下的最大竖向挠度为0.073 m，小于主跨的1/500即0.33 m[8]，主梁刚度是足够的。

由于采用分幅结构，结构非对称带来的恒载不平衡造成主梁横桥向最大水平位移仅为2.9 mm，对主梁的受力影响可以忽略不计；汽车荷载下主梁横桥向最大水平位移达到12.8 mm，但由于汽车荷载下的主梁应力水平比较低，对主梁受力影响很小。因此，结构分幅对主梁受力影响比较小。

(2)主塔。内侧斜拉索锚固在中塔肢，外侧斜拉索分别锚固在两侧边塔肢上，中塔肢受力要显著大于边塔肢，但基于美观考虑，边、中塔肢外观尺寸上比较接近，通过壁厚调整，边、中塔肢应力水平控制在同一水平上，但仍具有一定差异；在活载作用下边、中塔肢顺桥向位移基本保持一致，两者相差仅为0.2 mm。因此，联塔分幅对主塔受力影响较大，应通过塔柱构造优化予以改善。

(3)斜拉索。运营阶段外侧斜拉索最大拉应力为732 MPa，内侧斜拉索最大拉应力为721 MPa，安全系数均超过2.5[8]。恒载不平衡造成内、外侧斜拉索索力差值达到14 MPa，距离索塔越远，索力差值越小，斜拉索选型、下料及导管设计与预埋时应注意。

(4)整体稳定性。第一类稳定安全系数为25.7，结构整体稳定性满足要求[8]。