混合式叠合梁独塔斜拉桥总体设计

吴娇媚 杜建华

摘要：通过对地形地质、通航、主跨跨径、主梁刚度及施工工艺等建设条件与主要控制因素进行分析，介绍了混合式叠合梁独塔斜拉橋的结构设计特点，同时通过建立有限元整体计算模型及局部计算模型，对该桥的整体受力及索塔锚固和索梁锚固等关键部位局部受力情况进行分析，并提出该类型桥梁结构需要重点关注的问题。

关键词：混合式叠合梁；独塔斜拉桥；钢混结合段

中图分类号：U422.5    文献标识码：A   文章编号：1674-0688（2023）02-0075-04

0 引言

山区地形地貌环境错综复杂，山脉纵横交错，海拔相差悬殊，特殊的条件使得高原山区公路桥梁施工具有技术复杂、施工难度大、材料设备运输困难、施工周期长等特点［1］。针对山区公路运输条件差，施工困难的特点，混合式叠合梁独塔斜拉桥能发挥自身优势并有效解决上述技术难题。混合体系斜拉桥主跨采用钢梁、叠合梁，具有自重轻、跨越能力大的特点，边跨采用混凝土梁，对中跨具有良好的锚固作用，同时能减小活载应力幅值，能避免边跨产生负反力，解决了主边跨跨径不协调的问题；此外，主塔和边跨混凝土可以同时施工，缩短了工期［2］。本文以复杂条件下索同坡大桥项目为例，并针对桥梁关键部位的建模进行计算分析，可为在复杂环境下采用混合式叠合梁独塔斜拉桥的方案提供参考，并为类似条件下采用此种桥型在整体布置和计算建模方面提供借鉴和指导意义。

1 工程概况

索同坡大桥位于国家级自然保护区内，桥梁跨越黄河，位于水电站蓄水库区，水深较深，两侧均与隧道相连。根据环评要求，路线只能从保护区试验区穿越，受线路的限制，该桥位处桥梁必须分幅设置且路线与河段只能斜交，桥梁轴线与洪水流向夹角约为47°，斜交角度较大。桥位区位于黄河河岸中低山河谷斜坡地段，地形纵向起伏大，局部呈陡坎状、台阶状，属构造剥蚀、冲刷堆积地貌区，附近地面相对高差大于330 m。桥位区位于水电站水库区，正常蓄水期河床中心处水深最深处达64 m，桥位处横、纵向水下地形呈鸡爪形且起伏较大，单幅桥横向地面线高差达37 m。

大桥两端连接隧道，根据桥位处地形条件，桥梁按分幅设计，左幅桥跨布置为［2×30+（260+64+2×48）+4×30］m，桥梁全长609 m， 右幅桥跨布置为［2×30+（260+64+2×48）+6×30］ m，桥梁全长664 m。主桥为主跨260 m单塔双索面混合式叠合梁斜拉桥，引桥为30 m预制小箱梁。桥梁采用0.7%的单面纵坡，平面设计主桥位于直线段上，大桩号侧引桥段位于大半径平曲线上，桥型布置图如图1所示。

2 主要技术标准

道路等级：四车道高速公路；设计车速：80 km/h；桥面宽度：主桥为大桥分幅设置，单幅桥宽16.35 m，桥面组成为1.8 m（索区和检修道）+0.5 m（防撞护栏）+11.75 m（车行道）+0.5 m（防撞护栏）+ 1.8 m（索区和检修道）=16.35 m ；设计基准期： 100年；通航等级： IV 级航道，单孔双向通航。

3 结构设计

单幅主桥为（260+64+2×48）m 单塔双索面混合式叠合梁斜拉桥，斜拉索扇形布置，叠合梁上标准索距为12.0 m，混凝土梁上标准索距为6.0 m，塔上索距为2.05～4.65 m。索塔采用钻石形索塔，群桩基础，索塔总高167 m，空心箱形断面，辅助墩采用整体式空心花瓶墩。

3.1 主梁

3.1.1 叠合梁主梁

叠合梁主梁采用高为2.6 m 的“工”字形钢主梁和0.28 m厚的桥面板组合形式，“工”字形梁的上、下翼缘板宽度为1 200～1 400 mm。考虑到桥面吊机的吊装能力、施工工期，并结合施工方案对叠合梁段进行划分，标准节段长12.0 m。钢主梁标准横梁间距为4.0 m，上、下翼缘板宽度为600 mm，其中上、下翼缘板厚度均为24 mm，腹板厚度为16 mm，在横梁腹板的纵、横向设有加劲肋。桥梁横向跨中设置一道小纵梁，小纵梁高度为400 mm，小纵梁上翼缘板宽600 mm、厚20 mm，下翼缘板宽300 mm、厚12 mm，腹板厚16 mm。叠合梁断面如图2所示。

3.1.2 混凝土梁主梁

混凝土主梁采用C55混凝土，搭设钢管支架现浇施工。混凝土主梁标准断面采用与叠合梁相匹配的“π”形断面，梁肋宽2.4～3.0 m，桥梁中心线处梁高2.9 m，全宽16.35 m，桥面板厚0.32 m，按纵向受力的单向板设计。主梁每个拉索区设置一道普通横隔板，普通横隔板间距为6 m，厚度为0.5 m。混凝土梁断面如图3所示。为保证正常运营状态下，辅助墩和过渡墩的支座不出现上拔力，在辅助墩顶21 m范围内采用箱形断面，并填充铁砂混凝土进行压重。

3.1.3 钢混结合段

主梁钢混结合段设置在边跨侧距离主墩5.0 m处，采用钢主梁埋入混凝土梁内部方式，并钢板上焊接剪力钉，增强钢与混凝土的整体性。主梁钢混结合段长度为5.0 m，其中钢主梁加强段为2.0 m，埋入混凝土横梁长度为3.0 m，在混凝土横梁内通过钢板、预应力、剪力钉和PBL剪力键与混凝土梁黏结，同时混凝土主梁的预应力钢绞线一端锚固于钢主梁56 mm厚的承压板，保证与钢混接触面受压。钢混结合段构造如图4所示。

3.2 索塔及基础

索塔采用钻石形，包括上塔柱、中塔柱、下塔柱和下横梁，采用C50混凝土。索塔含塔座总高167 m，其中上塔柱高67.872 m，中塔柱高60.128 m，下塔柱高37.000 m，塔底座高2 m。索塔在桥面以上高度约123.6 m，高跨比约0.475，塔底左右塔柱中心间距为11.5 m。

塔柱采用空心箱形断面，上塔柱为对称单箱单室，尺寸由7.00 m×6.00 m变化为7.00 m×10.73 m，塔壁厚度为1.20 m，中间设置拉索锚固齿块，采用19Фs15.2规格的环向预应力钢绞线束锚固；中、下塔柱为不对称的单箱单室断面，中塔柱尺寸由7.00 m×4.50 m变化为8.92 m×4.50 m，塔壁厚1.0 m；下塔柱尺寸由8.92 m×7.50 m变化为10.00 m×7.50 m，塔壁厚1.20 m。由于塔柱受力较为复杂，因此在横梁处、人洞及塔柱交汇处等受力较大的区段设置加厚段，下塔柱底部设5 m的实心段，索塔基础采用高桩承台，桥梁建成后，为防止桥墩桩基受水流冲刷引起桥梁安全事故，设计采用抛石防护。

3.3 斜拉索

斜拉索采用1 770 MPa的平行钢丝斜拉索，双索面平行布置，斜拉索在叠合梁上标准索距为12.0 m，混凝土梁上标准索距为6.0 m，在索塔上的间距约7.0 m，每个索面共4对斜拉索，全桥共16根，最长275.2 m，斜拉索采用外置黏性剪切阻尼器拟制风雨振，斜拉索外层护套表面加工成规则排列的花纹，提高表面粗糙度，能有效地破坏拉索表面水路的形成，同时不会提高拉索自身的风阻系数。

3.4 支承体系

（1）竖向约束：过渡墩、辅助墩及主塔下横梁处均设置2个具有竖向抗拉功能的摩擦摆支座。

（2）纵向约束：过渡墩和辅助墩处支座为纵向活动摩擦摆支座；主塔横梁处设置纵向限位的固定摩擦摆支座，约束主梁纵向静力位移；为减小地震作用下下部结构和桩基的受力，主塔横梁处的纵向固定摩擦摆支座为可剪断型，同时设置4个黏滞阻尼器。

（3）横向约束：主塔过渡墩、辅助墩及主塔下横梁处支座为横向限位的固定摩擦摆支座，约束主梁横向静力位移。

4 结构计算分析

4.1 主梁结构计算分析

本桥结构静力计算分析通过建立三维有限元模型按桥梁的实际施工过程进行模拟，对各施工及运营阶段的主梁、主塔、拉索、墩构件等进行受力分析和验算。斜拉索采用空间索单元，主梁和拉索采用鱼骨形连接，主梁、主塔、桥墩和桩基均采用空间梁单元。

采用边跨混凝土现浇施工和钢梁挂篮施工方式进行施工，计算时根据桥梁的实际施工过程分节段进行，应注意经历的多次体系转换，如叠合梁拼装施工、边跨合拢和中跨合拢的转换。计算结果显示主梁结构在施工期间和运营阶段最不利荷载组合下，钢主梁截面上缘最大压应力为178.6 MPa，最大拉应力为181.8 MPa，叠合梁桥面板、混凝土主梁最大壓应力为12.9 MPa、13.5 MPa，均未出现拉应力，各项指标满足规范要求。

4.2 索塔锚固区计算分析

斜拉索通过锚固齿块锚固于上塔柱内壁上，为平衡斜拉索的水平分力，在上塔柱斜拉索锚固区配置了19Фs15.2规格的环向预应力钢绞线束。环向预应力钢束曲率半径很小，预应力管道采用塑料波纹管成型并采用真空吸（压）浆工艺，为防止混凝土崩裂，弯曲钢束沿径向设置防劈钢筋［3］。环向预应力布置时，考虑到拉索导管开孔的影响以及预应力锚头局部承压要求，每个标准阶段间布置6根，采用在顺桥向塔璧外单端张拉的方式施工。

局部计算结果显示，除模型顶底边界和一些局部应力集中区域外，法向应力在预应力阶段为4～9 MPa，在运营最大索力阶段为3～7 MPa，塔壁法向正应力满足要求，主压应力在预应力阶段和运营最大索力阶段最大为12 MPa，主拉应力最大为1.8 MPa，塔壁主拉、压应力均能满足要求。

4.3 索梁钢固区计算分析

拉索在叠合梁上的锚固方式为锚箱式，锚箱安装在主梁腹板外侧，并与其焊成一体。斜拉索拉力通过锚箱的2个锚固板作为剪应力传递给主梁腹板，主梁腹板和承压板内侧设补强板，以利于锚固处的应力合理分散到主梁上，为使承压板的压弯曲较小，要增大承压板及其垫板厚度，将承压板做成四边支承的构造［4］。

采用通用有限元软件，以叠合梁标准节段为研究对象，建立其空间单元模型，选取锚箱附近的应力集中较大的板件进行分析，包括“工”字钢纵梁腹板、“工”字钢纵梁腹板加劲肋、“工”字钢横梁、钢锚箱承压板、钢锚箱支承板和加劲板。分析结构显示，标准组合下，钢锚箱承压板局部最大等效应力为156 MPa，钢锚箱支撑板和加劲板的局部最大等效应力为183 MPa，均满足要求，应力分布如图5所示。

根据项目的特点，主要存在以下关键性问题，为了解决建设、施工及运营期间的技术难题，仍需要展开以下试验研究。

（1）风荷载对大桥的影响。大桥为分幅斜拉桥，桥面宽度较窄，仅有16.35 m，同时主梁为开口截面，扭转基频较低，根据《公路桥梁抗风设计规范》，该桥的颤振稳定性指数If＞4.0，因此需开展主梁的气动选型，并通过节段模型试验、全桥模型试验对大桥施工阶段和运营阶段进行详细的颤振稳定性分析和检验。

（2）主梁钢混接头研究。“工”字钢叠合梁与“π”形混凝土的钢混结合段这种接头形式，其构造设计、力学行为、承载能力等具有一定的特殊性和复杂性，它必须满足结构传力的需要，具有足够承载能力和抗疲劳性能，因此需要从理论分析和模型试验两个方面加以研究。

（3）强震作用下深水基础耦合效应研究。桥位水域属电站水库区域，桥梁基础最大水深为37 m。在地震作用下，水与结构产生耦合动力作用，形成流固耦合振动效应。水中结构的运动会引起结构周围水体的辐射波浪运动，结构与水的相对运动，水会在结构水下部分作用动水压力。该动水压力不仅会改变结构的动力特性，还会影响结构的动力响应。因此，为了满足大桥抗震性能，需要对大桥进行流固耦合效应下的抗震研究。

6 结语

综上所述，虽然混合式叠合梁独塔斜拉桥需要对风荷载、主梁钢混接头、强震作用等关键技术进行针对性的研究，但是就索同坡大桥而言，通过对大桥的主梁、索塔锚固区、索梁钢固区的建模计算分析发现，各项力学指标均满足规范要求。该桥型能在山区地形地貌复杂、技术复杂、施工难度大等技术难题面前提供一个很好的解决方案和桥型的备选方案。

7 参考文献

［1］周剑萍，柏松平.高原山区公路桥梁初步设计阶段关键技术探讨［J］.公路，2012（11）：42-46.

［2］ 彭远诚，刘新华.大跨度混合式叠合梁斜拉桥设计特色与关键技术［J］.中外公路，2017，37（1）：135-138.

［3］李涛.重庆轨道交通环线高家花园嘉陵江专用桥总体设计［J］.公路交通技术，2020，36（6）：72-79.

［4］魏奇芬.钢锚箱在斜拉桥索塔锚固区中的应用［J］.世界桥梁，2008（2）：27-30.