矮塔斜拉桥结构设计分析

2020-09-30韩锋

山西交通科技 2020年4期

韩锋

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西太原 030032）

1988年法国工程师Jacques Mathivat提出了矮塔斜拉桥桥型，并随后在桥梁界得到推广。历经多年，矮塔斜拉桥在桥梁跨度、桥宽及结构形式、主梁材料等均朝着多元化发展。该桥型特点较明显，塔矮、梁刚、索集中，属于高次超静定结构，其力学行为取决于梁、塔、索的刚度[1]。当桥梁跨越“U”型沟谷，沟内不允许设置桥墩，结合地形地质等条件，桥梁形式可优先选择“T”型结构。本文以太和矮塔斜拉桥为例，对该类桥型设计要点进行简要介绍[2]。

1 工程概况

1.1 依托工程简介

尧山森林公园位于山西省临汾市浮山县城东隅，是浮山县人民政府在尧庙遗址基础上整合周边旅游资源开发的一处大型景区。项目路线起点为承天门，途经承天门广场、太和桥、石阶步道至环形游步道出入口广场，路线全长333.271 m。太和桥位于景区西侧，经承天门广场与浮山县城尧山路构成景区出入口，桥梁长171.6 m。桥梁采用单塔柱两跨矮塔斜拉桥形式，仅在墩顶负弯矩区段设置变截面，其余截面均采用等梁高形式。

图1 项目地理位置图

1.2 技术标准

a）设计荷载人群3.5 kN/m2；

b）标准宽度桥面净-4 m；

c）地震设防烈度 Ⅷ度，基本地震动峰值加速度0.2g，特征周期0.35 s；

d）设计风速 27.7 m/s。

1.3 建设条件

人行桥为跨越一大型黄土冲沟而设。冲沟深度约50 m，宽度约150 m，两侧沟壁陡峭，沟底较平坦，总体呈“U”形峡谷状。桥址属于黄土冲沟地貌，地层地质以Q2粉质黏土为主。桥址位于临汾地区，新构造运动强烈，历史上曾多次发生大地震，未来也是地震危险区。根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015），桥址地震基本烈度为Ⅷ度，地震动峰值加速度0.2g。

2 桥型选择

本着服务于森林公园，执行“安全、适用、经济、美观”的基本设计原则，并注重桥梁与环境的协调、与尧帝文化主题的协调，桥梁造型宜古朴、大方。根据建设条件和所处环境背景，设计思路有以下几点：

a）桥址地质条件较差，尤其冲沟两岸存在较厚的湿陷性黄土层，不适宜修建拱桥等单孔跨越冲沟、对两岸地质条件要求较高的桥型。

b）桥梁跨越的冲沟深达50 m，架设难度大，桥梁方案需结合施工方案综合考虑，减少施工投入。

c）桥址西侧承天门已建成，其距离桥址较近，考虑桥型方案、施工方案需对其避让。

d）尽量不采用钢结构等现代工业产物，避免破坏景区复古风格。

e）桥面以上建筑，如索塔，不宜高过承天门，否则破坏周围整体环境的协调性。

基于上述思路，对柔性悬索桥、预应力混凝土T构桥、预应力混凝土独塔斜拉桥等方案进行研究论证后，综合结构安全、景观造型、施工难度、工程造价、后期维护等因素，推荐采用预应力混凝土独塔部分（矮塔）斜拉桥，主跨为2×85 m。

图2 推荐方案桥跨布置（单位：cm）

该方案采用两孔跨越冲沟，主要施工工点位于沟底，上部主梁采用对称悬臂现浇施工。利用斜拉桥索塔和拉索造型是本方案特色，索塔仿若古代牌楼，拉索犹如古琴弦，索塔高度尽量降低，以使牌楼造型高、宽比例协调，同时不超过仿古城楼高度，消除高索塔带来的突兀感。工程造价估算831.99万元。

推荐的预应力混凝土独塔部分（矮塔）斜拉桥桥型以主梁为主要受力构件，少量拉索起到辅助作用，施工、养护难度较普通斜拉桥简单、方便；该桥型利用拉索仿古琴弦，用索塔仿古牌楼，把结构受力和造型风格相统一，具有较强的景观效果；采用对称悬臂浇筑施工，适应深谷地形条件，施工工艺成熟、工点集中；该桥型独墩两跨，主要持力基础位于沟底，基础承载力、稳定性优于在沟底、沟壁设基础的单跨或三跨及以上的桥梁方案。

图3 推荐方案效果图

3 结构设计

3.1 主梁

主梁采用预应力混凝土箱梁，单箱单室截面，全宽5.7 m。主梁标准梁高3.5 m，中间支点局部变高至6 m，变高段长23 m（一侧），梁高按1.8次抛物线变化。主梁采用斜腹板，同时底板等宽度设计，因此主梁变高段腹板上段等厚度，下段变厚度。该构造设计具有以下优点[3]：

a）在主梁立面增加一条平直腰线，使主梁具有纤细的视觉引导效果，提升主梁美感。

b）增加腹板面外稳定性，使腹板厚度不受稳定性控制设计，提升结构效率。

c）主梁构造综合了直腹板箱梁和斜腹板箱梁的特征，可施工性较强。

3.2 主塔

索塔采用门形框架式结构，塔肢为实心矩形截面，横桥向尺寸为1 m，纵桥向尺寸由底部3.5 m按3次抛物线渐变至顶部5 m。索塔总高度17 m，塔柱两肢间距4 m，通过横梁连接，单肢横桥向宽1.2 m。

图4 主梁典型断面（单位：cm）

图5 主塔构造（单位：cm）

3.3 斜拉索

斜拉索采用250型-19环氧喷涂钢绞线对称布置于腹板内侧。塔上锚固方式采用贯通锚，索鞍采用分丝管结构。梁上索间距12 m，塔上索间距2.5 m，全桥共计5对拉索。

3.4 主墩与基础

桥墩总高38 m，采用单箱单室箱型截面。截面横桥向尺寸6 m，沿墩高不变；纵桥向尺寸在上部28 m范围内为4 m，在下部10 m范围内由4 m线性变化为5 m。等截面段壁厚0.5 m，变截面段壁厚尺寸按照内轮廓不变的原则变化。桥墩承台采用正八边形，厚度4 m。桥墩基础采用12根D150钻孔灌注群桩基础，桩长58 m。

4 主桥结构计算

本桥采用墩顶设置隔震支座的墩梁分离体系，全桥共20根斜拉索。根据结构布置和结构尺寸，取全桥结构进行分析。结构总体静力计算分析采用空间计算软件midas进行分析，主梁共划分116节点，101单元。

图6 结构计算图示

4.1 结构体系分析

按主梁与墩的约束关系，本桥结构体系可选择墩梁固结或墩梁分离（设支座）。主桥为独墩对称结构，静力荷载作用下上述两种结构体系的结构性能相近，但抗震性能具有较大差异。墩梁固结时，结构刚度大，上部结构惯性力大且全部传递给桥墩；墩梁间设抗震型固定支座时，结构刚度略有降低，但上部结构惯性力仍全部传递给桥墩，两种约束方式均使桥墩地震力巨大，使下部结构工程规模急剧增加。

为减低工程规模，本桥采用减隔震设计，主要设计思路是通过墩顶设隔震支座，减少上部结构惯性力输入桥墩；通过桥台设黏滞阻尼器，限制墩顶隔震引发的梁端纵向大位移，同时消耗地震能量。小震作用下，墩顶隔震支座为固定支座；大震作用下，墩顶隔震支座限位装置破坏，变为双向活动支座[4]。

表1 不同结构体系结构动力特性对比

表2 不同结构体系地震反应对比

综上分析，由于独墩完全由地震力控制设计，为取得最大的结构效率，降低工程规模，本桥结构体系采用墩顶设隔震支座的墩梁分离体系。

4.2 减隔震系统

本桥在墩顶设隔震固定型盆式支座，设计目标为小震情况下保持固定，大震情况下变为双向活动支座。

表3 隔震支座主要技术指标

表4 不同阻尼器参数地震反应

本桥两端桥台与主梁之间设纵向黏滞阻尼器共4套。黏滞阻尼器在缓慢加载的静载作用下，如温度变化、混凝土梁收缩徐变，可自由变形；在地震荷载作用下，黏滞阻尼器产生阻尼力，阻尼力的大小与阻尼器两端相对速度相关，符合关系式：F=CVa，C为阻尼系数，a为速度指数。

通过不同阻尼器参数的地震反应分析可知，由于墩顶已设隔震支座，阻尼器对控制桥墩内力作用较小，但对控制上部结构位移有较大作用。阻尼系数越大，速度指数越高，位移越小，但阻尼力也相应变大，而这部分阻尼力将传递给桥台，对桥台受力不利。本桥选取C=200 kN·s/m，a=1的线性阻尼器，阻尼力较小，成本较低，且线性阻尼器制造难度低，可靠性好[5]。

4.3 上部结构静力计算

上部主梁采用A类预应力构件设计，计算结果如表5。

表5 上部结构主要计算成果表 MPa

拉索应力按《公路斜拉桥设计细则》（JTG/T D65-01—2007）4.3.3条进行验算，拉索容许应力采用0.6fpk，拉索容许拉力2 947 kN，设计最大拉力2 526 kN，满足规范要求。即将出版的《公路斜拉桥设计规范》（JTG-T3365-01—2020）中对斜拉索采用容许应力法计算进行了修订，要求拉索进行承载力计算。在恒活载比例为0.9/0.1～0.7/0.3时，换算后安全系数约为2.48～2.56，与原细则的安全水平基本相当。且矮塔斜拉桥以梁受力为主，拉索贡献相对较小，应力幅也小。