非对称独塔单索面超宽幅曲线大吨位转体斜拉桥设计与创新

靳 飞

(中土凯明工程咨询有限公司, 北京 100038)

1 工程背景和研究现状

福州市义北路立交工程在K1+127.3、K1+155.937、K1+166.434和K1+180.632处分别上跨昌福铁路上行线路基、合福高铁高架桥(上下行线)和昌福铁路下行线路基，在K1+280.723上跨三环主线与三环辅路，主桥采用(141+110) m两跨中央单索面独塔混凝土斜拉桥[1]，墩底整幅转体施工[2]，转体长度为(136+103) m，两侧后浇段长度分别为5 m和7 m，墩塔梁固结处理，基础采用嵌岩桩，主墩桩基直径2.5 m，边墩桩基直径2 m。

目前国外转体质量最大的桥是1991年在比利时修建的本·艾因桥[3]，该桥为斜拉桥，跨度布置为3×42 m+168 m，转体质量为19 500 t。国内已实施完成的最大吨位转体桥为保定乐凯大街南延工程子母双塔单索面预应力混凝土斜拉桥[4]，主梁位于直线上，转体质量为46 000 t。福州市义北路立交工程主桥转体质量为50 000 t，在目前已实施或正在实施中的转体桥中属最大吨位，同时该桥还叠合了小半径曲线主梁、超宽幅箱梁独塔中央单索面、超大偏心距球铰[5]、较大转体长度和不对称转体、跨越高铁运营线等特点，决定了该桥在设计计算复杂性、施工监控要求精度高和建造技术难度大等方面将处于国内同类桥梁领先水平。

2 工程技术特点

义北路上跨铁路立交工程主桥具有以下7项特点:(1)转体质量约为50 000 t，属于超大吨位，国内外目前已建成或在建转体桥质量均小于此吨位；(2)主梁曲线半径为900 m，在同类跨径斜拉桥中属于最小半径，在转体过程中横向不平衡力矩较大[6]；(3)桥面宽度为38.5 m，拉索锚固端至梁翼缘板悬臂端距离为18.5 m，中央单索面应用于超宽幅桥面，主梁受力复杂[7]；(4)转体状态为非对称平衡转体[8]，转体长度为239 m，转体长度在已建成或在建的转体桥中属于较大转体长度，主跨和边跨在转体状体下悬臂长度差为33 m，属于较大不对称转体；(5)采用墩塔梁固结方案，墩塔梁固结区承受弯、剪、扭共同作用，受力较为复杂；(6)该桥跨越合福高铁，在施工期间对既有线运营安全的防护要求高[9]；(7)该桥位于台风频发区，墩、塔、梁在建造过程中，台风对桥梁构件和转动体系临时固结构造的受力及稳定性影响需要重点研究[10]。

3 技术研究创新

围绕本项目的工程特点，展开了多项研究和技术创新，主要体现在以下6个方面。

(1)针对主梁和主塔实际设计配筋率较高，钢筋混凝土容重高于26 kN/m3，在建立有限元模型时，主梁和主塔钢筋混凝土材料容重均根据实际设计情况进行了修正，提高了模拟转体施工时纵横向平衡力矩、索力和转体质量的计算精度[11]；(2)针对中央单索面超宽幅多箱室箱梁横隔板主拉应力水平普遍较高，且由于横隔板厚度较薄无法布置传统竖向预应力筋，本项目创新采用新型的预应力材料—无粘结预应力钢棒[12]应用于横隔板中，使用后横隔板主拉应力水平显著降低；(3)针对墩塔梁固结区受力复杂等特点，本项目开展了墩塔梁固结区缩尺模型试验，理论分析和实验数据相比较，确保结构设计安全合理；(4)为消除横向不平衡力矩，在墩底设置了偏心距为1.78 m的超大偏心球铰；(5)转体球铰采用分块制造，分块运输，现场拼装成整体后吊装入位，解决了大尺寸球铰运输问题；(6)转体前主梁在铁路运营线旁支架现浇施工，为保证合福高铁既有线运营安全，在铁路线和支架之间设置防护墙[13]，在防护墙设计中创新采用防护墙与主塔、主梁支架连为一体设计，在施工期间，尤其是台风期间，防止防护墙倒塌危及既有线运营安全。

4 主要技术标准

(1)道路等级：城市主干道；(2)设计行车速度：50 km/h；(3)车道数：双向6车道；(4)桥梁宽度：38.5 m；(5)桥梁坡度：双向2%横坡；纵向位于R=4 000 m竖曲线上；(6)汽车荷载：1.3倍城市-A级,人群荷载：5 kN/m2；(7)抗震设防类别：甲类；(8)地震烈度：地震动峰值加速度为0.1g，地震基本烈度7度，按8度设防；(9)桥梁设计安全等级：一级；(10)桥梁结构设计使用年限：100年。

5 总体设计

5.1 桥梁平立面布置

本桥平面位于R=900 m的右偏圆曲线上，主桥立面布置如图1所示。

图1 主桥立面布置(单位：cm)

5.2 桥面布置

跨铁路位置桥梁横断面布置为：1.0 m监测网+0.6 mHA防撞护栏+3.3 m非机动车道+0.6 mHA防撞护栏+(4.25+2×3.5) m行车道+0.5 m路缘带+4 m拉索区+0.5 m路缘带+(2×3.5+4.5) m行车道+0.6 mHA防撞护栏+3.05 m非机动车道+0.6 mHA防撞护栏+1.0 m监测网，桥梁结构总宽为38.5 m，斜拉索在主梁上的横向间距为1.5 m，桥面布置如图2所示。

图2 主桥横断面布置(单位：cm)

6 结构设计

6.1 主梁

斜拉桥主梁采用整体性、抗风性能好、抗扭刚度大、外型美观的倒梯形预应力混凝土整体箱梁，单箱五室结构。综合考虑转体平衡和运营期受力，在密索区段箱梁内部配置永久铁砂混凝土[14]，铁砂混凝土容重为6.2t/m3。主梁中心线处梁高3.565 m，底板宽度为19 m，6 m索区段底板厚度为0.3 m，3 m索区段底板厚度为0.5 m，中腹板厚度为0.4、0.3 m，斜腹板厚度为0.3 m，在每对斜拉索锚固处设置1道横梁，中箱标准横梁厚0.6 m，边箱横梁厚0.4 m和0.3 m。

主梁采用纵、横、竖三向预应力体系，纵、横向均采用预应力钢绞线[15]，考虑到主梁横板板厚度较薄和布置有横向预应力筋，布置传统竖向预应力筋已无空间，该桥采用2φ16 mm无粘结预应力钢棒布置在横隔板内，单根钢棒直径为16 mm，张拉控制应力为932 MPa，预应力钢棒大样如图3所示。

图3 无粘结预应力钢棒大样

6.2 斜拉索

斜拉索采用空间扇形索面布置，索面在主梁处的横向间距为1.5 m、塔上的横向间距为2.0 m、塔上竖向间距为1.5 m和1.8 m。斜拉索采用常用的双层热挤HDPE护套环氧涂层平行钢丝拉索体系[16]，斜拉索外护套设置PVF双层胶带，并在表面设置双螺旋线，钢丝采用φ7 mm环氧涂层高强钢丝(fpk=1 770 MPa)。

6.3 主塔与主墩

主塔采用混凝土宝塔形桥塔[17]，桥塔高度为107.3 m。上塔柱纵横向尺寸为8 m×6 m，横桥向拉索锚固侧壁厚为1.3 m，顺桥向外壁厚为0.75 m，中壁厚为0.50 m，为平衡斜拉索在主塔锚固区产生的拉力，上塔柱设置井字形预应力钢绞线；中塔塔柱纵横向尺寸为8 m×3.5 m，曲线外侧塔柱外侧长边壁厚为0.95 m、内侧长边壁厚为0.75 m，曲线内侧塔柱长外边壁厚为1.2 m、内侧长边壁厚为1.0 m，短边壁厚均为1.0 m；下塔柱纵桥向宽为8～10 m，横桥向宽为4.3～6 m，曲线外侧塔柱长边壁厚为0.75～2 m，短边壁厚为1.5～2.1 m，曲线内侧塔柱长边壁厚为1.2～2 m，短边壁厚为1.7～2.3 m。下塔柱底部设置塔座，塔座与上承台(上转盘)连成整体，塔座高度为8.5 m，主塔与主墩结构示意如图4所示。

图4 主塔和主墩及基础示意(单位：cm)

6.4 转动体系

转体结构设置在主塔塔柱底部，由转盘、球铰、撑脚、环形滑道、牵引系统和助推系统等部分组成。球铰中心向曲线内侧设预偏心178 cm，如图4所示。转动球铰采用钢球铰，球面支撑直径φ=7.58 m，转体球面半径20 m，设计竖向承载力6.0×105kN。在竖向设计荷载作用下，转体球铰的摩擦系数μ≤设计取值[18](设计静摩擦系数为0.1，动摩擦系数为0.06)。考虑到球铰直径较大，存在运输困难，本项目采用分块拼接转体球铰，球铰平分为2块，工厂分块制造，分块运输到桥位，在现场拼装成整体转体球铰，再整体吊装入位。

上转盘撑脚是转体施工时防止转体结构倾覆的保险腿，在牵引圆盘的下部环形对称布置8个撑脚，撑脚中心距球铰中心7.25 m。撑脚为哑铃形钢管柱体，其上部埋入上转盘，下端设厚度为35 mm的钢走行板。哑铃形钢管由2根φ1 300 mm×30 mm 的钢管和2片20 mm 厚的连接钢板组成，钢管及缀板内不灌注混凝土。环形滑道的作用是为上转盘撑脚提供可靠的支撑和滑动面，环形滑道由宽1.6 m、厚度为30 mm 的扇形钢板焊接而成，环形滑道中心线半径为7.25 m。

7 主要施工步骤简要介绍

沿铁路栅栏外侧施工防护墙，主墩桩基础施工，基坑防护，承台、转台、塔座施工，张拉上、下承台、转台及塔座预应力钢束，主墩和塔根横梁采用支架现浇施工，塔柱采用爬模法施工，塔根横梁预应力筋一次性张拉完成后再施工下塔柱和上塔柱，分批张拉塔中横梁预应力筋和上塔柱内井字形预应力筋。主梁采用梁式支架大节段浇筑形成大悬臂，分批张拉主梁各节段纵、横、竖向预应力筋，在主梁密索区箱室内灌注铁砂混凝土，安装并张拉斜拉索，第一次调索。桥面最外侧安装异物监测网，浇筑最外侧护栏，拆除主梁支架及铁路防护墙。进行转体施工，结构顺时针转体66.38°到设计桥位，临时锁定和封铰，同时调整两侧悬臂端位移及线形到设计位置。浇筑一侧后浇段后再浇筑另一侧后浇段，拆除后浇段支架，第二次调索，桥面铺装等剩余二期恒载施工，塔身涂装，安装塔顶避雷针和照明等附属工程，全桥施工完成。

8 总体计算分析

8.1 计算模型及荷载组合

建立全桥三维有限元模型，如图5所示，主梁、主塔、桩基础采用空间梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟，并建立支架节点和仅受压弹性连接模拟主梁支架浇筑的施工过程。参照JTG D60-2015《公路桥涵通用规范》第4.1.5条和4.1.6条规定，采用下列4种荷载组合。

图5 全桥有限元计算模型

(1)承载能力极限状态基本组合：恒载+支座不均匀沉降+汽车荷载+汽车制动力+梯度温度+交通风荷载。

(2)正常使用极限状态频遇组合：恒载+支座不均匀沉降+汽车荷载+梯度温度+交通风荷载。

(3)正常使用极限状态准永久组合：恒载+支座不均匀沉降+汽车荷载+梯度温度+交通风荷载。

(4)标准组合：恒载+支座不均匀沉降+汽车荷载+汽车制动力+梯度温度+交通风荷载。

8.2 主要计算结果

(1)钢筋混凝土容重修正和转体质量计算

在常规计算中，有限元计算模型里钢筋混凝土容重通常采用26 kN/m3，该桥主梁、主塔和防撞墙考虑到配筋率较高，依据实际设计工程数量对混凝土容重进行修正，主梁钢筋混凝土容重修正后数值为26.79 kN/m3，主塔钢筋混凝土容重修正后数值为26.18 kN/m3，防撞护栏钢筋混凝土容重修正后数值为27.22 kN/m3，计算模型中修正容重后的转体质量为50 000 t，比修正前的转体质量增加352 t。

(2)主梁最大活载挠度和塔顶位移

主梁最大相对竖向位移为0.054 m，主梁计算跨径为141 m，容许变形为141 m/500=0.282 m> 0.054 m，因此主梁竖向刚度满足规范要求。成桥状态恒载下塔顶位移为17.71 cm，其中横向位移16.91 cm(偏向曲线内侧)，纵向位移0 cm。塔顶横向位移比纵向位移大很多，使得整个桥塔发生较大的横向位移和偏转[19]，经分析塔顶横向位移对受力影响不大，但仍需在施工监控中予以重视。

(3)主梁和主塔受力验算

主梁在成桥状态恒载作用下全截面受压，主梁上缘最大压应力为8.64 MPa，主梁下缘最大压应力为11.19 MPa。主塔在成桥状态恒载作用下全截面受压，截面最大压应力为13.75 MPa。

(4)斜拉索成桥索力、应力和疲劳验算

为获得一个好的恒载状态作为后续分析的基础，以脱架转体阶段和成桥阶段塔梁合理受力状态为目标，按调优化索力的思路确定初张索力与第二次张拉索力，最终得到恒载下成桥索力如图6所示，其中最大索力为6 781 kN。根据JTG/T D65—01—2007《公路斜拉桥设计细则》3.4.1条，运营状态斜拉索安全系数不应小于2.5，施工状态斜拉索的安全系数不应小于2.0。施工阶段斜拉索最大应力为598.05 MPa，安全系数为2.96，满足规范要求。运营状态斜拉索最大应力为706.5 MPa，安全系数为2.51，满足规范要求。根据JTG D64—2015《公路钢结构桥梁设计规范》第13.2.2条规定，平行钢丝束的疲劳细节Δσc=160 MPa，采用疲劳荷载模型I进行计算，常幅疲劳极限ΔσD=137.28 MPa。在疲劳荷载模型I[20]作用下，40对斜拉索的最大应力幅为11.80 MPa，满足规范要求。

图6 恒载下成桥索力

(5)超宽幅桥面箱梁横隔板采用无粘结预应力钢棒前后的应力水平对比分析

以6 m索区的横隔板受力变化为例，图7为未施加竖向预应力钢棒的横隔板主拉应力云图，可得主拉应力基本控制在2.5 MPa之内，主拉应力较大区域分布于横隔板中部，两侧箱室横隔板主拉应力大于中间箱室横隔板，最大主拉应力为4.7 MPa，出现在横隔板横向预应力筋锚固处，面积很小故不起控制作用。图8为施加双排双股竖向预应力钢棒后的横隔板主拉应力云图，可得横隔板内加入预应力钢棒后大部分区域主拉应力水平有了明显降低，横隔板主拉应力基本控制在1.5 MPa之内。最大主拉应力为4.15 MPa，出现在横隔板横向预应力筋锚固处，建模设定有一定影响，且面积很小故不起控制作用。

图7 6 m索区横隔板未加入预应力钢棒主拉应力图

图8 6 m索区横隔板加入预应力钢棒后主拉应力图

(6)桥梁抗风计算

主梁采用了抗风性能比较好的箱形断面，因此颤振和静风稳定性问题不是很突出，主梁和桥塔采用混凝土材料，阻尼比较大，气动负阻尼不足以克服结构阻尼，一般不会发生涡激共振和弛振，根据公路桥梁抗风设计规范，可不进行涡激共振检验和驰振稳定性检验。桥位处于强台风频发地区，因此悬臂施工状态的风荷载内力是该桥抗风的主要问题。采用有限元分析软件分别计算成桥状态和最大悬臂状态的动力特性，确定成桥和施工状态主梁断面的三分力系数，分析桥梁的颤振临界风速，进行桥梁结构三维静风稳定性分析，分析成桥状态和最长悬臂施工阶段桥梁结构的风荷载内力。

抗风性能数值模拟分析结果表明，该桥在成桥和最长悬臂施工状态颤振临界风速和静风扭转发散风速都远大于相应的检验值，具有很好的颤振稳定性和静风稳定性。悬臂施工状态结构自振频率明显低于成桥状态，结构风荷载响应较大，此风荷载与其他荷载组合进行桥梁结构验算。

(7)桥梁抗震计算

建立空间弹性动力计算模型分析结构动力特性，采用反应谱方法进行地震反应分析，研究结构在两种设防水准地震输入E1地震作用(50年10%)和E2地震作用(50年2%)的地震反应，得出如下结论。E1地震作用：在考虑地震反应方向组合后，主桥所有墩柱、桥塔验算截面及桩基础最不利单桩截面地震弯矩小于其初始屈服弯矩，截面保持为弹性工作状态，满足预期性能目标要求；E2地震作用：在考虑地震反应方向组合后，主桥所有墩柱、桥塔验算截面及桩基础最不利单桩截面地震弯矩小于其等效屈服弯矩，截面基本保持为弹性工作状态，满足预期性能目标要求。

9 结语

福州市义北路上跨铁路立交工程主桥是目前国内转体质量最大的转体桥，该桥还叠合了小曲线半径主梁、大偏心球铰、较大不对称转体长度、中央单索面超宽幅桥面、桥址位于强台风频发区等特点，设计和施工难度均较大。针对该桥的工程特点进行了设计研究和科研攻关，在可拼装式转体球铰、预应力钢棒的应用等方面开展了多项技术创新，本文研究成果可供今后同类大吨位转体曲线斜拉桥设计提供参考和借鉴。