預應力混凝土無背索斜拉橋設計分析

劉 劍，馬 勇

（新疆生產建設兵團勘測規劃設計研究院公路分院，新疆 烏魯木齊 830002）

1 工程概況

農五師工業園區橋位于博樂市農五師工業園區內。此橋擬建位置在農五師南北工業園區之間，橫跨博樂河，北接農五師北工業園區規劃中的幸福路或新市路，南接農五師南工業園區。根據博樂市城市防洪規劃，博樂河防洪遠期規劃為百年一遇，設計洪水流量320m3／s，橋位處河床寬度約90m。下游橡膠壩建成后，博樂河常年蓄水位11.50m，河床底高程6.8m，堤頂高程13.8m，橋位處河流較順直，常年水深約2m。現博樂河綜合治理工程已基本結束，兩岸沿河道路均已建成，兩岸為成片的風景綠化帶。北岸綠地寬約65m，灘地高程在12m左右，綠地外側為濱河路，南岸綠地寬約100m，高程在13m左右。綠地外側幸福路、濱河路均與博樂河平行。由于該橋位置特殊，對美觀要求高，因此農五師交通局采用競標方式選擇橋型方案，經過對4家設計院9種橋型方案的比選，專家最終選擇了新疆生產建設兵團勘測規劃設計研究院的斜拉橋方案（總體布置見圖1）。

圖1 總體布置示意圖

該方案造型新穎、美觀，與周邊環境相協調。橋位處地質從上而下地層差異不大，表面為填筑土和軟塑狀淤泥質土，層厚4～5m，其下為軟硬塑狀亞粘土，層厚11～13m，再下層為硬塑堅硬狀粘土，層厚2～3m，在標高約－10m處進入泥巖，泥巖抗壓強度為0.5～2.5kPa。橋梁平面位于直線上，縱面設2.9%和2.89%雙向縱坡，豎曲線半徑R＝2500m。橋梁跨徑布置為30m＋66m＋30m，橋梁全長131.5m，全寬38m。設計要求如下：

a）荷載 設計荷載為城市A級，人群荷載為3.5kN／m2；

b）抗震烈度 根據《地震動峰值加速度區劃圖》（1∶4000000）博樂市區地震動峰值加速度為0.1g相當于原地震基本烈度Ⅶ度；

c）設計寬度 凈－14m（快車道）＋2×1.5m（分隔帶）＋2×5m（慢車道）＋2×5.5m（人行道），設計橋梁全寬38m；

d）通航標準 橋位處博樂河設計通航標準為Ⅶ級，通航凈高不小于3m，通航凈寬不小于20m；

e）設計行車速度 60km／h。

2 上部結構設計

2.1 主梁

主梁梁體采用梁格式結構，平均梁高2.5m，全橋橫向分5道縱梁，兩主縱梁分別位于快、慢車道分隔帶處，梁上布置斜拉索與橋塔；在人行道與慢車道相連處及橋面中心線處設3道輔助縱梁。5道縱梁采用矩形和T形兩種形式。橋梁橫截面形式見圖2。

圖2 橋梁半橫截面示意圖

縱橋向每隔6m設1道橫梁，全橋共18道，除墩、臺位置外，其余均采用統一結構形式。主梁采用部分預應力混凝土結構，預應力以腹板束為主，輔以部分頂、底板束，每個主縱梁均配有8 束12φj15.24的預應力鋼鉸線束，每個輔助縱梁各配3束12φj15.24的預應力鋼鉸線束。腹板束均全橋通長布置，并設兩道連接器。預應力鋼束采用美國標準（ASTMA416—92a）中270級的低松弛高強度鋼鉸線，全橋錨具均采用YM系列。全橋預應力管道均采用塑料波紋管，并輔以真空壓漿新技術。根據橋位處的地形狀況，主梁設計采用搭滿堂支架分段現澆法施工，施工順序按照預應力的施加先后從主跨中心向兩端進行。

2.2 主塔

主塔縱向設于①號橋墩處，橫向分別位于兩分隔帶處，塔身主體在橋面以上高54.79m，其軸線與橋面呈60°夾角向北傾斜。在塔高30.79m和47.79m處分設兩道橫向聯系梁，梁高3m，梁寬2.5m。塔底與主縱梁固結，在連接處兩側分別采用圓滑曲線過渡。主塔結構形式見圖3。

圖3 主塔縱斷面示意圖

塔內縱向預應力鋼筋采用國標75／100 級，φ32mm高強精扎螺紋粗鋼筋；錨具采用YGM—32系列錨具。為防止塔底圓弧段混凝土開裂，在此處配有單根緩粘結預應力體系的預應力筋。主塔施工在橋面系全部施工完畢后開始，自下而上分節段進行。施工過程中，利用橋面及斜拉索平衡斜塔，無需其它支撐。為突出斜塔的視角效果，斜塔設計涂裝采用紅色。

2.3 斜拉索

斜拉索布置在快、慢車道分隔帶上，為雙面單向索。拉索開始位置在塔身和梁體上均為距塔底梁體中心12m處，縱向共設8根拉索，梁上與塔上標準平行間距6m。斜拉索采用德國標準（Thyssen·A·G）鍍鋅高強鋼絲，163φj7mm鋼絲束，單根鋼絲面積A＝38.48mm2，標準強度Ryb＝1600MPa，錨具采用LM 系列錨具。拉索外套采用蘭色PE護套。

3 下部結構設計

下部結構橋墩采用雙柱式墩、樁基礎，由于橋位處下部地質為泥巖，強度不高，承載力較小，采用大孔徑鉆孔樁既不易鉆進，又大大減弱了側壁摩阻力。根據博樂地區挖孔樁施工的成功經驗，并應業主要求，全橋均采用挖孔樁，鋼筋混凝土護壁，所有挖孔灌注樁均按摩擦樁設計。主塔處①號橋墩墩身高2.0m，承臺長25.25m、寬9.75m、高3m，樁基礎為挖孔灌注空心樁，采用預制涵管成芯，每柱下4根，共8 根，樁徑φ2.50m，樁長36m。無塔處②號橋墩墩身高8.5m，承臺長21.8m、寬6.3m、高2.5m，樁基礎為挖孔灌注樁，每柱下4根，共8根，樁徑φ1.50m，樁長32m。橋臺采用樁柱式橋臺，兩橋臺均采用單排挖孔樁，每橋臺5根樁，分別布置于5 根縱梁肋下支座處，樁徑φ1.50m，樁長29m。

4 結構計算

考慮到本橋橋面較寬的特點，采用三維橋梁結構計算分析通用程序Ansys進行結構分析計算，采用“橋梁博士”計算程序進行校驗。計算內容包括恒載（結構自重、人行道及行車道鋪裝、欄桿等）、活載、溫度力、風力、混凝土收縮和徐變等荷載（或作用）下的截面強度、剪應力及主拉應力等內容。

5 結語

農五師工業園區橋是一座城市橋梁，位于博樂市的“塞納河”上，在進行結構設計時還注重了橋梁的美學效果，力求與周邊環境協調統一、自然和諧，希望使之成為博樂市標志性建筑之一。該橋采用預應力混凝土斜塔無背索斜拉橋結構，具有優美流暢、造型美觀和構造創意獨特等特點。同時，該橋在設計時采用了許多新技術、新工藝，主要有以下幾個方面。

5.1 由于施工困難，斜橋塔一般采用鋼結構，但鋼質橋塔在雨水多、空氣濕度大的地區易銹蝕，造成后期養護工作難度大。本設計考慮博樂地區雨水多、空氣濕度大的特點，采用預應力混凝土結構，并在施工方案安排上采用先梁后塔，利用先期施工的橋面系平衡橋塔技術，即主梁采用搭滿堂支架從跨中心處開始向兩邊對稱分節段現澆施工順序，主塔采用自下而上分節段現澆，索塔內力由拉索及主梁平衡等施工方法。

5.2 預應力束以通長腹板束為主，使預應力與縱梁內力較吻合，減少了二次矩，而且采用塑料波紋管和真空壓漿技術，消除了鋼鉸線與管道之間的磨損，同時也減少了摩擦，使預應力損失減小，壓漿更密實。

5.3 主塔墩基礎采用大直徑人工挖孔空心樁，既減少了樁的自重，又節省了混凝土用量。

5.4 為提高橋梁支座使用的耐久性及可靠度，全橋采用球形鋼支座，同時鑒于橋面較寬，采用固定、單向和多向3種支座，避免了橫橋向溫度變形的影響，使受力更合理。