大跨度刚构部分斜拉桥设计关键技术分析

管泽翔

摘要 大跨度斜拉桥是现代桥梁工程的重要分支，适于超越宽阔水域或复杂地形建设，斜拉索则将桥面悬挂于塔上实现大跨度设计。文章选择案例分析法，以某绿道建设工程的斜拉桥施工中主桥和引桥设计为研究对象，旨在探索大跨度刚构部分斜拉桥的设计与施工技术，提高该类桥梁设计效率、结构稳定性。施工技术包括动力学特性、风振控制、施工技术及荷载分析，结果显示，合理规划斜拉桥设计技术可提升桥梁的稳定性和耐久性。

关键词 大跨度；刚度；斜拉桥；设计

中图分类号 U448.27文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）06-0137-03

0 引言

大跨度刚构部分斜拉桥结构为刚性构件、斜拉索，大跨度刚构部分斜拉桥桥梁设计中桥面由刚性构件支撑，斜拉索则提供额外支持并辅以稳定性，因此实现桥梁跨越距离并保持结构刚性、稳定性的目标。

1 工程概况

某绿道建设工程位于中国云南，该工程包含一条主线和两条支线，总长约286 km。主线长约278 km，起点位于某联络道起点，终点与国道相接。该项目中需设置景观斜拉桥一座（以下简称“该桥”），中心桩号为K14+553.3，主结构为一座168 m长的斜拉桥，一侧岸边设有5×8 m的引桥。

2 施工水文地质条件分析

该区域的立体气候独特，该地区的岩石由上古生界中浅变质岩和侵入岩体组成，受构造运动、岩浆侵入影响。怒江为主要地表水源，流域面积约1 000 km2，河床狭窄，水流湍急，地下水主要分布于第四系松散层和基岩裂隙中。基岩裂隙水主要存在于石炭系玄武岩中，水位受地形控制，地表水和地下水对混凝土结构和钢筋混凝土结构具有轻微的腐蚀性。

3 大跨度刚构部分斜拉桥设计要点

3.1 主桥

该桥主桥长度达168 m，整体桥宽为4 m，包括两侧的栏杆和中间3.5 m宽人行道。主梁采用钢-混凝土混合梁设计，如图1所示。靠近主塔为混凝土段主梁，与主塔固结。混凝土梁段与钢梁段之间通过钢混结合段连接，以实现结构刚度的渐变，保证桥梁的整体强度和稳定性。混凝土标号为C50，而钢梁采用Q345qD高强度钢材，保证结构的坚固耐用。钢梁箱形断面设计使结构稳定性提升，标准梁段长12 m，提供充足支撑力[1]。桥主塔采用弧形门架塔设计，实心截面。塔的尺寸设计符合横桥和顺桥方向的稳定性需求，塔高81 m，底部尺寸顺桥向为12.5 m，横桥向为7.7 m，为整体结构提供支撑。斜拉索采用扇形布置，索采用GJ钢绞线整束挤压式拉索体系，共有三种规格：GJ15A（C）-4、GJ15A（C）-6、GJ15A（C）-9，以满足不同部位的力学要求。此外，主桥还设有两对背索，也采用钢绞线拉索体系，规格为GJ15A（C）-12。索塔的承台设计厚度为3.5 m，顺桥向长度为16.4 m，横桥向长度为11.9 m，下方设有12根直径为1.8 m的钻孔灌注桩，采用钻孔摩擦桩设计。

3.2 引桥

位于小半径平曲线上的引桥采用8 m跨径的现浇混凝土连续板结构，能有效适应地形变化，小桩号侧引桥设计为5 m×8 m跨径，如图2所示。引桥结构采用钢筋混凝土现浇板，板宽4 m，板厚达到50 cm，保证结构强度和稳定性，也能承受交通荷载和环境因素的影响。桥墩设计为柱式墩，墩柱直径为0.8 m，接0.12 m直径的桩基。柱顶设有盖梁以提升结构稳固性。桥台部分采用重力式设计，以提供良好的稳定性。在不均匀地质条件下能有效分散荷载，减轻地基压力。由此可知，引桥的设计要素囊括结构功能性、稳定性和环境适应性。

4 大跨度刚构部分斜拉桥设计施工要点

4.1 混凝土结构

该桥的混凝土结构施工涉及地锚、索塔、引桥等部分，包括预应力混凝土部分，其施工过程需严格控制材料选择和施工技术。混凝土材料方面，主梁和塔柱使用C50混凝土，承台和桩基则采用C35混凝土，而两岸引桥和地锚采用C45混凝土。混凝土施工关键在于控制温度裂缝和水化热，以及保证混凝土结构的均匀性和强度。为此，混凝土表面与接触物的温差在15 ℃以内，低温条件下需采用保温措施。混凝土拆模时间的确定需考虑强度、内外温差，以避免因温度变化过快导致开裂。大体积混凝土施工如承台和索塔需注意入模温度的控制以防止由于温度变化引起的裂缝。钢筋加工、安装和质量验收都需严格遵守《公路桥涵施工技术规范》，施工中需对钢筋的位置进行调整以避免与预应力管道或其他主要构件干扰。此外，施工过程要密切注意施工观测和记录，保障质量检验的准确性，并将观测数据和施工记录写入工程竣工报告，以预防风害并采取环境保护相关措施。

4.2 钢结构

该桥的钢结构元素包括主梁的纵梁、横梁、桥面板以及加劲部分，均采用Q345qD钢材，符合《桥梁用结构钢》（GB/T 714—2015）的规定。焊接材料包括焊条、焊剂、焊丝等，均须匹配母材，遵循相关国标规定，如《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》（GB/T 8110—2008），高强度螺栓为10.9级，满足《钢结构用高强度大六角头螺栓》要求。斜拉索使用标准抗拉强度为1 860 MPa的多根钢绞线，其性能严格控制并满足《预应力混凝土用钢绞线》的规定。斜拉索体和锚头为成品，且外涂防锈油脂，采用三层防腐处理以提高耐久性，斜拉索安装时需采取措施防止外层HDPE护套的划痕和破裂，以及颜色的污染。拉索张拉应确保张拉后每根拉索的索力准确。钢箱梁的制造按照国内相关规程和规范实施，分节段在工厂制造并现场吊装、焊接成桥。钢箱梁共分为13个梁段，最大梁段长为12 m。制造过程采用减小焊接变形和收缩的工艺，所有类型的焊缝需进行焊接工艺评定试验，进场的钢板应进行化学成分和力学性能试验，确保斜拉索使用的钢材符合设计要求。鋼梁的油漆防腐工作应在厂内进行初步处理。由于钢箱梁为全焊结构，结构焊缝所产生的焊接变形和残余应力较大，制造应采用焊接变形小焊缝收缩小的工艺，所有类型的焊缝在施焊前应做焊接工艺评定试验，试验的指导原则：焊缝及其热影响区?20 ℃时V型冲击韧性、屈服强度、抗拉强度不低于对母材的要求。所有要求熔透的对接焊缝及连接焊缝均应熔透并对焊缝打磨，以保证有较高的抗疲劳强度；所有要求熔透的角焊缝，原则上都应熔透，熔透确有困难可开坡口焊接，坡口焊接的角焊缝一般以不小于1.5（t）1/2考虑取值，t为两焊件中较厚焊件的厚度，采用二氧化碳气体保护焊。对进场的钢板均应分批进行化学成分和力学性能的检验，确保斜拉索采用的钢材符合设计力学性能。钢梁前几道油漆防腐应在厂内进行，最后一道到现场待桥面安装完成后一次性全面喷涂。板件组成梁段的步骤：钢－混凝土接合段制造流程：端板—底板—腹板—横隔板—顶板；钢箱梁：底板—腹板—横隔板—顶板。组装必须在胎架上进行，胎架长度不得小于五个梁段的长度，按设计线形及梁段间预留的间隙（还需计入焊接收缩量）使相邻梁段连接断面相匹配，然后施焊组装焊缝。施焊完毕，标记梁段号，将前三个梁段运出堆放，留下最后两个梁段，与下三个梁段进行预拼装。梁段拼装顺序应与吊装顺序相同，吊装时不允许调换梁段号，梁段预拼装线形待桥面吊机重量确定后给出。

5 大跨度刚构部分斜拉桥施工关键技术分析

5.1 动力学特性与风振控制

大跨度刚构斜拉桥具有独特的动力响应特性，该桥的动力学特性分析首先需要考虑结构的自然频率和振型，直接影响桥梁对风荷载的敏感度。风速增大时，桥梁可能遭受较大的横向风振，甚至导致桥面产生大幅度的振动。为有效控制风振，选择流体动力学模拟预测在不同风速和风向下桥梁的动态响应，或可安装阻尼器控制风振，吸收部分结构振动能量，减少由风荷载引起的振动幅度。斜拉桥设计中应在桥塔和斜拉索中合理配置阻尼器，估算桥面板设计对减少风的影响，还需进行风速和风向实时监测，在强风条件下采取相应的安全措施。由此可见，大跨度刚构斜拉桥风振控制策略的设计和实施，是确保其长期稳定性和安全性的关键。综合应用动力学分析、流体动力学模拟和现场监测数据，为桥梁设计提供科学依据，使其在复杂风环境下保持结构安全性。

5.2 施工技术

大跨度刚构部分斜拉桥施工技术的应用是为了确保结构稳定性和施工效率。施工过程中的结构稳定性需通过临时支撑结构和斜拉索有序安装保证。施工策略应保障各阶段结构稳定性和力学性能，避免过度变形或损伤。大跨度刚构斜拉桥设计结构的几何形状、尺寸和位置的控制应达到精细化水平，可使用先进的测量和定位技术，如全站仪和GPS系统，实现施工组件准确对接和定位。此外，施工现场的噪音、扬尘和废料处理需符合环境保护标准[2]，施工安全计划应涵盖潜在危险和应急措施，确保施工人员安全。

5.3 荷载分析

荷载分析是对施工阶段及最终结构承受的荷载综合考量，自重荷载即结构自身重量，是持续作用在桥梁上的主要荷载。施工阶段，此荷载随结构组件安装逐渐增加，施工荷载包括施工人员、设备、材料等重量，需在施工计划中精确计算并合理分配，避免过大应力，施工导致局部超载或不均匀负载，影响结构稳定性。动力荷载如车辆和行人的运动荷载虽不主要，但在设计和施工规划中仍需予以考虑，因其影响桥梁长期使用，对施工安全性产生影响。

6 大跨度刚构部分斜拉桥耐久性与维护

6.1 混凝土结构养护

水泥的选择关键在于使用低水化热、低碱含量的稳定质量水泥，且铝酸三钙（C3A）含量不超过8%，碱含量（按Na2O计）不超过0.6%，同时应选择比表面积不超过350 m2/kg的硅酸盐水泥。细集料应选用级配良好、吸水率低的洁净天然中粗河砂或合格的人工砂，粗集料则应选用坚硬、粒形良好的碎石或卵石，且有害物质含量需严格控制[3]。混凝土用水应清洁且无有害杂质，粉煤灰等矿物掺合料应符合GB/T 1596—2017的规定。外加剂选择应符合GB 50119—2013及相关标准，进行化学成分和剂量适应性试验，参照最佳掺量、缓凝时间等多项指标。

6.2 钢结构涂装

该桥钢结构涂装中钢材组装前必须经过彻底除锈处理，钢箱梁顶面处理符合铺设沥青混凝土要求。除锈采用喷丸除锈技术，钢材表面无油污、氧化皮、铁锈等杂物，清净度达到国标GB/T 8923.4—2013规定的Sa2.5級，表面粗糙度达到25～60 μm。喷丸操作需控制好风压、喷射角和距离，湿度低于85%的环境中，除锈后需在4 h内完成涂装。涂装工作采用高压气喷涂方式以提高涂层的质量和均匀性。涂装过程中需严格控制环境条件，避免在雨雪雾天及高湿度环境下进行，确保涂层的平滑、均匀和无缺陷。涂层膜厚也需遵循涂料技术要求并重视对涂层损伤处的修补，保障涂装质量。涂装材料必须选择性能可靠、附着力强、耐候性好的涂装防护体系，建议外涂装采用水性涂层+油漆涂层，如车间底漆、底漆、中层漆、面漆，干膜厚度分别为20 μm、80 μm、2×80 μm、

2×40 μm。内涂装则采用全油漆涂层，如车间底漆、底漆、面漆，干膜厚度分别为20 μm、50 μm、2×100 μm。钢结构的防腐与涂装还需经严格质量检查及验收，确保除锈和涂装工作达到标准要求。

7 结语

综上所述，大跨度刚构部分斜拉桥的设计综合性较强，未来工程实践应集成上述关键技术，以优化设计方案，提高施工效率，确保工程安全，最终实现结构的长期稳定和经济效益。

参考文献

[1]张明金， 戴逸岩， 喻济昇， 等. 超大跨度斜拉桥横桥向恒载不对称结构合理施工状态研究[J]. 铁道技术标准（中英文）， 2023（6）： 1-9.

[2]曹绍江， 熊飞， 李娜. 大跨度斜拉桥钢-混结合段局部受力预测方法[J]. 山西建筑， 2023（12）： 170-173.

[3]李晓莉， 李小双. 大跨度斜拉桥时程分析输入地震波峰值调整方法[J]. 地震科学进展， 2023（1）： 11-20.