針形獨塔混合梁斜拉橋設計

曹海順

（上海市城市建設設計研究總院，上海市 200125）

1 工程概況

惠平路蘊藻浜大橋位于上海市嘉定區云翔大型居住社區西區，由南向北跨越蘊藻浜和規劃亞鋼路，是溝通蘊藻浜南北兩岸的大型結構，橋軸線與河道順交23.66°。現狀蘊藻浜在該工程范圍內的河寬約62 m，為Ⅴ級內河航道，水上運輸比較繁忙，常水位標高2.6～2.8 m。嘉定區境內地勢平坦，東北略高，西南稍低，平均海拔3.87 m(吳淞零點)。現狀工程附近主要為農田、廠房，屬河網化地區。地基土在鉆探深度80 m 范圍內屬第四紀全新世Q34～上更新世Q23的沉積層，主要由人工回填土、黏性土、粉性土和砂性土等組成[1]。

大橋由主橋、引橋組成，引橋采用預應力混凝土等高度連續梁，主橋為35 m+35 m+158 m+40 m獨塔混合梁斜拉橋，主墩與梁固結、與塔鉸接，橋塔向主跨傾斜18°。主橋橋面總寬35.5 m。主橋立面及橫斷面布置見圖1、圖2。

2 主要技術標準

（1）道路等級：城市次干路Ⅰ級。

（2）設計車速：40 km/h。

（3）橋面坡度：南北側最大縱坡均為4.0%，橫坡2.0%。

（4）設計荷載：汽車荷載為城－A 級，人群及非機動車荷載按《城市橋梁設計規范》（CJJ 11—2011）取用。

（5）水利航道標準：規劃為內河Ⅲ級航道，規劃河口寬120 m，河底寬80 m，河底高程-3.26 m。通航上底寬（b）不小于95 m，通航凈空高（Hm）不小于7 m，設計最高通航水位+3.8 m。

（6）抗震設防標準[2]：地震動峰值加速度0.1g（基本烈度7 度），抗震設防類別甲類，抗震設防措施8 級。

（7）橋面全寬35.5 m：近期為雙向4 車道，4.5 m（人行道）＋3.0 m（非機動車道）＋0.5 m（機非分隔帶）＋8.0 m（機動車道）＋3.5 m（中央分隔帶）＋8.0 m（機動車道）＋0.5 m（機非分隔帶）＋3.0 m（非機動車道）＋4.5 m（人行道）；遠期為雙向6 車道，4.5 m（人非混行道）＋11.5 m（機動車道）＋3.5 m（中央分隔帶）＋11.5 m（機動車道）＋4.5 m（人非混行道）。

3 主橋結構設計

3.1 支承體系[3]

主墩采用墩梁固結、塔梁鉸接的形式，其余墩柱處設LUB 縱向速度鎖定豎向支座，墩柱橫向設抗震擋塊。

墩梁通過以下的措施實現固結：（1）將主墩處的鋼箱梁的橫隔板向下伸入墩身，并焊接剪力釘、開孔鋼板；（2）墩柱的部分主筋向上伸入鋼箱梁內，并與箱內的混凝土粘結；（3）墩柱內布置豎向預應力鋼絞線,錨固在鋼箱梁內的混凝土面上。墩梁固結構造見圖3。

3.2 主梁[4]

該橋采用針形斜塔、塔底鉸接方案。為改善橋塔受力，主梁采用鋼-混凝土混合梁，即主跨采用鋼箱梁，錨跨采用預應力混凝土箱梁，梁高3.0 m。結合段位于錨跨側距主墩10 m 位置處，鋼箱梁總長208 m，混凝土箱梁總長60 m。

3.2.1 鋼箱梁

圖1 主橋立面布置（單位:mm）

圖2 主橋橫斷面布置（單位:mm）

圖3 墩梁固結構造 （單位：mm）

鋼箱梁采用上下行分幅布置，兩幅箱梁之間間隔12 m 以箱型橫梁連成整體，主體結構采用Q345qD 鋼。單幅箱梁為單箱三室斷面，頂寬16.5 m，底寬11.473 m。標準段鋼梁車行道頂板厚16 mm，采用U 形閉口加勁肋，高280 mm、標準間距600 mm；人行道頂板厚12 mm，采用一字加勁肋，標準間距350 mm。底板厚12 mm，采用U 形閉口加勁肋，高250 mm，標準間距800 mm。鋼箱梁在支承、結合段區域，頂底板作加厚處理：頂板厚20 mm，底板厚25 mm，不同厚度的板間拼接處設單邊1∶8 斜坡。鋼箱梁縱向共設4 道腹板：外側腹板厚12 mm，采用U 形閉口加勁肋，高250 mm、標準間距800 mm；內側腹板在主跨拉索區采用厚30 mm 鋼板，其余采用厚12 mm 鋼板，設一字加勁肋；2 道中腹板采用三角形桁架式，節間長度3 m，上下弦桿采用T型鋼板，板厚12 mm，斜腹桿采用φ219×12 mm鋼管，豎腹桿位置為箱梁橫隔板。

12 m 標準梁段上共設置4 道橫隔板，間距3 m。橫隔板均采用實腹式，一般橫隔板板厚10 mm，錨箱、橫梁位置的橫隔板厚12 mm，板上預留過人孔。鋼箱梁橫斷面見圖4。

圖4 鋼箱梁橫斷面 （單位：mm）

3.2.2 混凝土箱梁

因邊跨斜拉索面造型需要將主梁設計為變寬段：輔跨采用雙箱斷面，寬度35.5～38.444 m，兩箱之間以頂板相聯；錨跨采用單箱多室斷面，寬度38.444～45.102 m。箱梁的頂、底板厚250 mm，腹板厚350～400 mm，整體斷面最外邊腹板厚2 m以錨固拉索。在拉索錨固斷面設混凝土橫隔板，板厚600 mm，間距3.5 m。墩頂、結合段處設置橫梁，寬2～2.5 m。箱梁采用C50 混凝土，體內設置縱、橫向預應力鋼束。邊跨混凝土梁橫斷面見圖5。為解決輔助墩的支座受拉問題，在其兩側各15 m 范圍的箱體內灌注壓重混凝土。

圖5 邊跨混凝土梁橫斷面 （ 單位：mm）

3.2.3 鋼-混凝土結合段

鋼-混凝土結合段是混合梁的關鍵部位。該橋結合段的設計采用承壓板方案，即通過鋼梁端部的超厚承壓板將鋼梁端部的力傳遞給混凝土橫梁，承壓板厚60 mm。結合段的鋼箱梁頂板厚20 mm、底板厚25 mm，在各板件的U 肋上面加焊T 肋，T 肋高度從承壓板漸變至標準段，以保持荷載傳遞的連續性。為了保證混凝土梁、鋼梁間的剪力傳遞，防止鋼板與混凝土之間剝離，除在頂底板、外側腹板、承壓板上布置Φ22 mm×200 mm圓柱墩頭剪力釘外，還在中腹板、內側邊腹板處加焊PBL 傳剪板，并將混凝土梁縱向預應力束錨固在承壓板上。結合段構造見圖6。

圖6 結合段構造 （單位：mm）

3.3 橋塔

橋塔為針形，布置于中分帶內，向主跨傾斜（18°），橋塔總高 1 11 m（垂直高度，下同），分為 3段，橋塔布置見圖7。

圖7 橋塔布置 （單位：mm）

下塔柱為厚板與鑄鋼焊接構件，高17 m。柱底部約2 m 范圍用ZG270-480 H 鑄造，其余采用Q345qD 鋼厚板焊接。厚板焊接部分的板厚由上向下從100 mm 增加至150 mm，由3 塊鋼板焊接成等邊三角形，外包裝飾鋼板后形成弧邊三角形截面。下塔柱頂部為厚50 mm 承壓板，板底面設置井字形加勁，中塔柱底的荷載由承壓板傳至下塔柱。柱底開槽口，與鉸支座頂部共同形成鉸接構造，槽口寬630 mm，深100 mm。柱底在槽口上部開有兩排φ25 mm 維護孔。

中塔柱為格構，高76 m。斷面呈等邊三角形，由三根外徑為1 300 mm、壁厚50 mm 的鋼管組成，鋼管內設置豎向加勁肋和環向加勁肋，豎向加勁肋沿管壁均勻布置8 道，環向加勁肋厚20 mm，豎向間距2 m。鋼管彎曲成圓弧線，鋼管間設置橫平聯，豎向間距6 m。橫聯鋼管與塔的各肢鋼管間焊接一塊厚30 mm 鋼板，該鋼板需采用Z 向鋼。有斜拉索錨固的橫聯采用φ1 200 mm ×50 mm 鋼管，管內灌圖5邊跨混凝土梁橫斷面 （ 單位：mm）注C40 補償收縮混凝土,其余橫聯采用φ900 mm ×20 mm 鋼管。

上塔柱為裝飾結構，采用無縫鋼管拼接成格構，高度為18 m。

塔底設鋼鉸支座，用錨栓錨固于混凝土墩頂。鉸支座底板厚100 mm，基座高380 mm，頂部設凸塊，寬600 mm,高225 mm，并在兩側設有卡口。鉸支座的上凸塊與下塔柱的柱底槽口一起工作，實現塔底順橋向鉸接功能。

3.4 斜拉索及其錨固

全橋共22 對斜拉索。主跨采用雙排單索面，布置在中分帶內；邊跨采用空間雙索面，每個索面共11 根斜拉索，呈扭轉狀布置在人行道外側。鋼梁上索距12 m，混凝土梁上索距3.5 m 和2.7 m，塔上索距豎向6 m。

斜拉索為φ7 mm 鍍鋅平行鋼絲成品索，標準強度1 670 MPa，雙層PE 護套。共4 種規格，即：73φ7，121 φ7，187φ7，211φ7。拉索錨具采用冷鑄鐓頭錨，梁端為張拉端，塔上為固定端。

斜拉索在梁端的錨固構造采用兩種型式：混凝土梁端錨固于梁底，鋼梁設鋼錨箱[5]。混凝土梁的邊腹板內預埋鋼管，拉索穿過預埋管后錨固在梁底張拉槽口的錨墊板上。在鋼箱梁邊腹板外側設鋼錨箱，拉索錨固于承壓板上。由于拉索與邊腹板存在偏心距，邊腹板受到一個面外的彎矩，因此邊腹板需采用Z 向鋼。鋼錨箱由承錨板（厚40 mm）、承壓板（厚60 mm）、錨墊板、U 形插板、加勁肋等構件組成。

斜拉索在塔上錨固于橫平聯上，錨固基準點凸出橫聯鋼管表面200 mm。錨墊板通過承錨板將拉索力傳遞給橫聯鋼管。

3.5 下部結構

主墩墩身高約7 m，斷面呈”十”字型：支承鋼箱梁的部分為薄壁墻式，壁厚3.5 m，長11.45 m；支承主塔的部分為實體棱臺式，底寬6.7 m，長約12 m。墩身沿道路中心線徑向布置，承臺順河道斜向布置，基礎采用37 根Φ1 500 mm 鉆孔灌注樁。承臺向主跨設置1.10 m 偏心，以抵消部分恒載彎矩。

其余橋墩為矩形柱框架墩，柱邊長1.6～2.0 m，柱之間設橫系梁，承臺厚2.50 m，基礎為Φ1 000 mm鉆孔灌注樁群樁。

4 結構分析計算

4.1 靜力分析

利用有限元程序建立空間模型：主梁用梁單元建立等效梁格，主墩、主塔用梁單元建模，斜拉索用桿單元建模，承臺底用6 個自由度的彈簧模擬群樁基礎，模型見圖8。

圖8 靜力計算模型

該橋的結構特點決定了主跨拉索的豎向分力不足以抵消主梁的自重，主梁仍需承受較大的彎矩作用。考慮了上述特點后才能得到較優的成橋索力（見圖9）和結構內力狀態（見圖10）。成橋主跨單箱鋼梁的P5 或P6 墩的支點彎矩約1 ×105（kN ·m），主跨的最大彎矩約4.4 ×10（4 kN ·m），頂底板的正應力小于100 MPa。成橋橋塔的正應力小于120 MPa。

圖9 成橋索力(單位：kN)

圖10 成橋主跨單箱鋼梁彎矩

運營階段的分析，計入成橋恒載等永久作用、活載、整體升降溫、體系溫差、靜風荷載和汽車制動力等的作用。按通用規范[6]驗算鋼梁、鋼塔彈性階段的截面應力，鋼梁最大正應力100 MPa(跨中)至150 MPa(支點),鋼塔最大正應力150 MPa，均小于鋼材的容許應力。按公路混凝土規范[7]驗算邊跨混凝土主梁，承載能力及使用狀態均滿足。

主梁在移動荷載作用下的最大豎向撓度為128 mm＜L/400=395 mm(L 為主跨跨徑)，結構整體剛度滿足規范[6]。

4.2 抗震分析

以靜力分析模型為基礎，同時考慮支座、邊墩、輔助墩等下部結構和基礎的影響，采用反應譜法進行抗震分析，以時程分析作為比較和補充。結構自振頻率及振型特性見表1。

表1 結構自振頻率及振型特性

地震分析表明，上部結構的梁、塔不受地震作用控制。主橋由于在邊墩等設LUB 支座與主墩共同承擔地震力，在E1 地震作用下，墩柱和樁身在彈性范圍內工作；在E2 地震作用下，部分墩柱進入塑性；為了使墩柱的強度和變形驗算、樁基的強度驗算滿足規范，需較靜力計算加強配筋。

4.3 穩定分析

穩定分析模型也采用空間梁格，考慮恒載初始內力的影響，以活載（汽車+人群）及風荷載為可變荷載，進行線性屈曲分析。第一階穩定系數為47，前3 階均為下塔柱失穩，結構整體穩定滿足[8]。

5 施工方法

在陸地上施工樁基、承臺、立柱及主墩。邊跨混凝土梁段采用支柱式支架現澆，鋼梁采用工廠分塊制作，在工地的梁柱式支架上安裝，張拉主梁內的縱向預應力形成整體。

主塔在工廠分段制作，在工地拼裝成整體后豎轉施工。施工邊、主跨拉索并成對張拉，拆除主梁支架，然后進行橋面和附屬工程施工，最后全橋調索。

6 結語

惠平路蘊藻浜大橋采用針形獨塔、空間異形索面斜拉橋方案，通過將構造設計與受力構思有機結合，使橋梁設計不僅滿足了功能要求，也達到了預期的景觀效果。目前該橋主體結構已竣工。

[1] ]曹海順，陳瑋，彭俊，等.全焊連續桁梁-桁拱組合鋼結構橋設計[J].橋梁建設，2010（4）：57-60.

[2] CJJ 166-2011，城市橋梁抗震設計規范[S].

[3] 肖海珠，徐 偉，高宗余.安慶鐵路長江大橋設計[J].橋梁建設，2009（5）：6-8.

[4] 孫叔禹，謝蔚鴻.贛州飛龍島大橋斜拉橋設計 [J].橋梁建設，2007（3）：48-51.

[5] 劉士林 王 似舜.斜拉橋設計[M].北京：人民交通出版社，2006.

[6] JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規范[S].

[7] JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[8] JTG/T D65-01-2007，公路斜拉橋設計細則[S]