某跨越渠江预应力混凝土矮塔斜拉桥的设计

2020-09-18杨烈军

四川建筑 2020年4期

杨烈军

(中国华西工程设计建设有限公司高新分公司，四川成都 610000)

1 工程概述

省道406线明月渠江大桥位于广安/市华蓥市明月镇，在明月渡口下游250 m处跨越渠江，桥位位于富流滩枢纽库区，距离枢纽大坝28.1 km。本项目路线起于渠江左岸明月镇竹合村顺接省道406线，通过新建桥梁跨越渠江，止于省道406线广安市方坪乡芙蓉村。本项目的建设切实改善渠江两岸的交通条件，改变交通落后的面貌，提高过境交通能力，完善境内路网与国省干道的衔接，促进地方经济的迅速发展。

明月渠江大桥桥跨布置主要受地形、地质、通航及行洪条件影响；主桥采用(110+210+110) m预应力混凝土矮塔斜拉桥，引桥采用40 m预应力混凝土简支T梁。全桥孔跨布置为5×40 m简支T梁+(110+210+110) m预应力混凝土矮塔斜拉桥+4×40 m简支T梁，全桥长799 m、桥宽23 m；主桥立面如图1所示、桥梁总体效果如图2所示。

图1 主桥立面(单位：cm)

图2 桥梁总体效果

2 设计标准

(1)道路等级：一级公路。

(2)设计速度：60 km/h。

(3)汽车荷载等级：公路-I级。

(4)人群荷载：2.5 kN/m2。

(5)桥面宽度：桥梁宽度23 m=2 m人行道及栏杆+0.5 m路缘带+2×3.5 m行车道+0.5 m路缘带+3 m中央分隔带+0.5 m路缘带+2×3.5 m行车道+0.5 m路缘带+2 m人行道及栏杆。

(6)设计洪水频率：1/300，最高洪水位237.17 m(黄海高程)。

(7)桥面横坡：双向2 %。

(8)通航标准：规划内河III-(3)级航道。最高通航水位:230.06 m(黄海高程)，最低通航水位213.4 m(黄海高程)。净高(最高设计通航水位以上)不小于10 m，净宽不小于180 m。船舶撞击力：主墩横桥向800 kN，主墩顺桥向650 kN。

(9)桥梁抗震设防类别：A类。地震动峰值加速度0.05g，基本地震烈度VI度，抗震设防措施等级7度。

(10)设计基本风速：百年一遇10 min平均最大风速24.3 m/s。

(11)结构安全等级：一级。

3 主桥结构设计

主墩、主梁、主塔采用固结形式；交界墩除设置竖向支座外，另设横向限位挡块。

3.1 主梁设计

主桥箱梁为三向预应力结构，按全预应力构件设计。

主梁为C60全预应力混凝土结构，采用变高度单箱三室截面，斜腹板。顶板宽23.0 m，顶板悬臂长度4.00 m，跨中梁高3.20 m，主墩顶梁高7.50 m，梁底曲线按二次抛物线形变化，中跨直线跨长18.00 m，边跨直线长13.80 m。顶板板厚30 cm，底板板厚由跨中28 cm变厚至支点处70 cm，边腹板厚为60 cm，中腹板板厚为45 cm。悬臂板端部厚20 cm，中部板厚37.5 cm，根部板厚75 cm。在支点和斜拉索锚固处设置横隔板，横隔板上设有人孔，中室和边室横隔板厚度分别为50 cm和30 cm。端横梁的厚度为180 cm。

横坡设置：底板水平，顶板设横坡2 %，通过中腹板与边腹板不等高来处理。

主梁零号块长度为12 m，悬臂施工标准节段长度分为4×3.50 m和21×4.00 m两种，全桥共设3个合龙段，其长度均为2.00 m，悬臂施工的节段最大重量为3 201 kN。边跨现浇段长度3.80 m。

3.2 预应力钢束

主桥箱梁为三向预应力结构，按全预应力构件设计。

3.2.1 纵向预应力束

箱梁纵向预应力钢束均采用高强低松弛钢绞线，顶板束采用15φS15.2、19φS15.2，腹板束采用15φS15.2，中跨底板束采用20φS15.2、22φS15.2，边跨底板束采用10φS15.2，中跨合龙段顶板束采用12φS15.2，边跨合龙段顶板束采用17φS15.2。

3.2.2 竖向、横向预应力束

竖向预应力束采用3φS15.2高强低松弛钢绞线、低回缩锚具体系，在箱梁有腹板束的腹板内沿纵向每隔50 cm左右交错布置一束竖向预应力束，其余位置沿腹板中心线纵向每隔50 cm左右布置。箱梁顶板内沿纵向每隔100 cm左右设一道横向预应力束，采用5φS15.2高强低松弛钢绞线。为避免与斜拉索导管产生干扰，在斜拉索导管处水平弯曲。

箱梁0#段和梁端横梁内均设置横向预应力束，采用10φS15.2高强低松弛钢绞线。

3.3 主塔

主塔布置在中央分隔带上，采用钢筋混凝土结构，截面采用矩形。横桥向为2.5 m，纵桥向由有索区段4.5 m渐变为塔底的7.0 m，塔高32.05 m。斜拉索在塔顶的锚固采用分丝管索鞍结构。主塔采用C50混凝土。

3.4 拉索、索鞍

斜拉索为单索面双排索，布置在中央分隔带上，全桥共56对索。塔根附近主梁无索区长度为36.00 m，梁上索距4.00 m，塔上索距0.85 m。

斜拉索采用高强度环氧树脂喷涂钢绞线索，规格为37-φS15.2和 43-φS15.2。其标准强度fpk=1860MPa，设计强度取为0.55fpk=1023MPa。

斜拉索的防腐措施：首先采用环氧喷涂钢绞线(中心丝与边丝各钢丝外表均单独形成环氧树脂涂膜)，然后在单股钢绞线外热挤PE防护，成索后再在外层设PE防护套，其表面采用彩色的PE，颜色由建设单位自行确定。

索鞍采用分丝管结构，拉索中每一根钢绞线穿过对应的导向钢管内，形成分离布置，互不干涉。索塔上鞍座两端设置抗滑锚筒，然后灌注特殊配方的高强环氧砂浆(以满足拉索锚固和抗疲劳的要求)，以实现抵抗索塔鞍座两侧不平衡索力。

3.5 主墩及交界墩

主墩采用单箱双室钢筋混凝土空心薄壁墩桩基承台结构；主墩横向14.0 m×纵向7.00 m，标准段外壁厚0.80 m，内壁厚1 m，在墩顶及墩底加厚，两侧为1 m圆端型。承台桩基纵向按3排布置、横向按4排布置，承台顺桥向长16.0 m，横桥向宽20.5 m，厚5.5 m，一个承台采用12根直径φ2.5 m钻孔灌注桩；基础均按嵌岩桩设计。

交界墩采用矩形空心墩，断面尺寸为13.0 m×3.5 m，壁厚60 cm，四周设置半径5 cm圆角，承台厚3.5 m，桩基为6根直径φ1.8 m钻孔灌注桩，桩基按嵌岩桩设计。

4 主桥结构计算

主桥箱梁按全预应力构件设计，采用软件Midas2015计算，按梁单元进行主梁施工及成桥阶段的结构静力计算，材料按线弹性计。永久作用包括：结构重力、预应力、索力、混凝土收缩及徐变作用、基础变位，可变作用包括：汽车荷载、人群荷载、温度作用。计算中考虑了施工阶段的施工荷载(挂篮等)及使用阶段车道荷载作用下引起的结构内力、应力、位移影响(图3)。

图3 主桥计算模型

4.1 静力计算参数

(1)混凝土、钢筋和钢绞线等材料的弹性模量、设计抗压(拉)强度等基本参数均按规范取值。

(2)主体结构混凝土容重取26.5 kN/m3，铺装取25 kN/m3。

(3)二期恒载包括桥面铺装、护栏等。

(4)不均匀沉降：主墩按2 cm计算，交界墩按1 cm计算。

(5)汽车荷载等级：公路-I级。

纵向计算汽车荷载按单向4车道加载，考虑纵向、横向折减及偏载；汽车荷载的横向分布系数为3.484。

(6)汽车制动力按JTG D60-2015《公路桥函设计通用规范》采用同向2车道计算。

(7)设计合龙温度取15～18 ℃，考虑以下温度影响力：体系升温25 ℃，体系降温25 ℃。

(8)温度梯度按JTG D60-2015《公路桥涵设计通用规范》4.3.10条取值，T1取14 ℃，T2取5.5 ℃。

(9)计算时挂篮自重按1 600 kN考虑(包括模板)，若挂篮重量有变化，将影响内力和标高，应重新根据实际情况计算其内力及标高。

4.2 静力计算结果

4.2.1 主桥110 m+210 m+110 m矮塔斜拉

根据计算，施工阶段主梁上缘最大压应力为17.6 MPa、最大拉应力为-0.3 MPa，主梁下缘最大压应力为20.9 MPa、最大拉应力为-0.5 MPa；主梁正常使用极限状态抗裂验算，频遇组合作用下主梁上缘最小压应力为1.1 MPa、下缘最小压应力为3.5 MPa、最大主拉应力为1.02 MPa；主梁正常使用极限状态应力验算，标准组合主梁上缘最大压应力为18.4 MPa、下缘最大压应力为17.4 MPa、最大主压应力为18.4 MPa；主梁正截面抗弯、斜截面抗剪承载能力均满足要求(图4、图5)。