雙塔雙索面支座體系混合式結合梁斜拉橋設計

謝 波 程應剛

（中鐵大橋勘測設計院集團有限公司 武漢 430050）

洸府河大橋位于濟寧市城市主干道太白樓東路和河東規劃的詩仙路上，橫跨洸府河、九九集團鐵路專線及日菏電氣化雙線鐵路，是濟寧市完善城市路網結構，形成貫穿東、西城區的城市中軸線的重要通道。

1 工程建設條件

橋位處洸府河河面約70 m，該河段平時水深較淺，現狀不通航，遠期規劃為V級航道。

橋位處日菏鐵路和九九集團專線共有3股鐵軌平行布置，路基總寬約60 m。

橋址區地層主要以沖洪積粘性土及砂土為主，地層穩定，工程性能較好，適宜開展工程建設。

2 主要技術標準

（1）道路等級：城市主干道。（2）設計荷載：城-A級。

（3）設計行車速度：60 k m／h。（4）地震烈度：基本烈度6度，按7度設防。（5）橋面寬度：全寬40 m，雙向6車道，兩側設人行道和非機動車道。

（6）橋下凈空：上跨鐵路凈高不小于7.96 m。

（7）橋梁坡度：考慮非機動車及行人通行需要，縱坡不大于2.5%；橫坡為雙向2.0%。

（8）通航標準：V級航道，通航凈寬不小于45 m，凈高不低于5 m。

（9）水文：最高通航水位＋36.29 m，設計水位＋41.50 m。

3 總體設計

3.1 平面設計

橋梁中線位于平面直線段上，與洸府河夾角約73°，與3股鐵路線夾角約18°。

3.2 縱斷面設計

縱斷面設計主要控制因素有3點：

（1）上跨洸府河時能滿足水利防洪及V級航道通航要求。

（2）上跨3股鐵軌時軌頂至鐵路建筑限界頂不小于7.96 m。

（3）施工時主橋梁底需要的操作空間及運營期間梁底檢查維修設備空間，綜合考慮按2 m預留。

3.3 橫斷面設計

主橋橫斷面全寬40 m，具體布置為：0.25 m欄桿＋2 m人行道 ＋3 m非機動車道 ＋3 m拉索區＋23.5 m機動車道＋3 m拉索區＋3 m非機動車道 ＋2 m人行道＋0.25 m欄桿。

4 主橋設計

4.1 橋跨布置

基于鐵路運營安全考慮，主橋需一跨跨越3股鐵路線，橋墩位于路基邊坡以外。由于橋梁中軸線與鐵路斜交角僅18°，主跨跨徑須布置在320 m左右才能滿足一跨跨越鐵路線的要求。主橋邊跨主要服從結構受力要求，兼顧河道行洪、通航及景觀。綜合比較，主橋主跨選擇320 m合理且經濟，具體孔跨布置為（60 m＋80 m＋320 m＋80 m＋60 m）＝600 m，邊跨在靠近主塔80 m處設輔助墩。主橋立面、平面布置見圖1。

圖1 主橋立面、平面布置圖

4.2 橋型方案及結構體系

對于橋型方案的選擇，根據前期研究的成果，綜合考慮經濟、技術及景觀等因素，確定采用雙塔雙索面斜拉橋方案。

主橋上跨3股鐵路線，其施工必須充分考慮鐵路正常運營的要求，以及對鐵路安全行車的影響，經比較，結合梁方案是最為合適的。中跨主梁采用鋼－混凝土結合梁，先逐段吊裝并現場栓接拼裝鋼梁節段，然后施工混凝土橋面板，可以滿足鐵路正常運營需要并最大程度減小對鐵路安全行車的影響。同時橋面瀝青混凝土直接鋪裝于混凝土橋面板上，橋面易于實施、使用和養護。邊跨主梁與鐵路互不影響，主要考慮滿足結構受力及經濟因素，采用混凝土梁。

受限于結構布置，主橋只能選擇塔梁固結、墩梁分離的支座體系，需要重點解決的問題是主塔墩處需選用豎向承載力約160 MN的特大型支座。在本項目之前，京滬高速鐵路南京大勝關長江大橋已成功使用豎向承載力達到180 MN的球型鋼支座，故本橋結構采用支座體系有可靠的技術支撐。主橋確定采用雙塔雙索面支座體系混合式結合梁斜拉橋方案，在國內尚屬首次運用于工程實踐，不僅具有非常鮮明的技術特點，也是一項頗具難度的斜拉橋工程。

4.3 中跨結合梁鋼主梁

中跨鋼主梁由鋼邊箱、鋼橫梁、鋼托架及鋼小縱梁組成。鋼主梁全寬38.5 m，中心線處梁高2.354 m，2片鋼邊箱中心距26.5 m。鋼邊箱節段長10.5 m，順橋向每隔3.5 m設鋼橫梁和鋼托架。鋼主梁標準橫斷面見圖2。

圖2 鋼主梁橫斷面圖（單位：mm）

鋼邊箱為單箱單室截面，中心線處高2 075～2 093 mm，2腹板內側凈寬1 300 mm，頂、底板寬2 060 mm。頂板厚20 mm，鋼混結合段加厚至32 mm，腹板厚32 mm，底板共采用5種厚度：從大到小為50，44，40，36，32 mm。經過對常見的鋼梁上斜拉索的錨固方式研究比選，采用鋼邊箱內部設置鋼錨箱的方式錨固中跨結合梁斜拉索［1－2］。

鋼橫梁采用工字形截面，跨中高2 354 mm，橫梁上翼緣厚20 mm，底板厚28 mm，腹板厚16 mm。為方便制造和運輸，橫梁分成3段，用高強螺栓拼接，橫梁與鋼邊箱也用高強螺栓拼接。

鋼托架設置在鋼邊箱外側，用以承受非機動車道及人行道的荷載，采用變高度的工字形截面，上翼緣厚16 mm，底板厚16 mm，腹板厚12 mm。托架與鋼邊箱采用高強螺栓拼接。

為方便混凝土橋面板縱向濕接縫的澆注，在橫梁間對稱設置3道小縱梁，作為現澆縫的底模。小縱梁高500 mm，采用“工”字形截面，上翼緣厚12 mm，下翼緣厚12 mm，腹板厚12 mm，與橫梁上對應位置的加勁肋采用高強螺栓拼接。

中跨鋼主梁各板件采用Q370q E鋼材；高強螺栓等級10.9S，M24螺栓采用20 Mn Ti B，M30螺栓采用35 VB；設在鋼梁頂面上的剪力釘采用材質為ML15的電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘。

4.4 中跨結合梁混凝土橋面板

中跨混凝土橋面板分為預制部分和現澆部分（濕接縫）。預制部分采用C50混凝土，厚0.23～0.36 m，板邊緣設有鋸齒形剪力鍵。為減少混凝土收縮、徐變對結構的影響，每塊預制板在吊裝上橋之前，必須保證存放6個月以上。現澆部分采用C50微膨脹混凝土，厚0.36 m，通過設在鋼梁頂面的剪力釘與鋼主梁結合在一起。混凝土橋面板采用縱、橫雙向預應力體系，以解決其受拉問題。

為保證預制板與鋼梁頂緣之間的密貼，在鋼梁外緣粘貼有橡膠帶，一防現澆濕接縫砂漿外溢，二防水浸銹蝕鋼梁。

4.5 邊跨混凝土主梁

邊跨主梁采用C50混凝土，為預應力混凝土邊主梁結構，全長146.9 m，伸入中跨7 m。主梁全寬40 m，橋梁中心線處梁高為2.7 m，主塔附近梁高增至3.7 m以滿足結構受力需要。主梁在斜拉索錨固處及斜拉索中間均設有一道橫梁和懸臂托架，間距均為4.5 m。

矩形邊主梁標準寬度3 m，在邊墩、輔助墩及主塔附近加厚至4～5 m。標準頂板厚0.25 m，標準橫梁厚0.3 m，懸臂托架厚0.22 m。矩形邊主梁底設有斜拉索錨固齒塊。混凝土主梁標準橫斷面見圖3。

圖3 混凝土主梁橫斷面圖（單位：c m）

4.6 主梁鋼－混結合段

鋼－混結合段是主梁受力的關鍵部位，位于主塔中心線往中跨一側7 m處。鋼－混結合段采用鋼邊箱埋入混凝土邊主梁的方式，埋入部分長2 m。為確保結合部有效傳力，將鋼邊箱的頂、底板伸入混凝土2 m，腹板及其加勁肋伸入混凝土1.5 m。伸入混凝土的鋼邊箱板件內、外側均布置剪力釘，確保鋼邊箱與混凝土可靠結合［3－4］。主梁鋼－混結合段構造見圖4。

圖4 鋼－混結合段構造圖（單位：c m）

在結合面處設置100 mm厚的承壓板以減小混凝土的局部壓應力，鋼邊箱內設置加勁以將其傳遞來的軸向力分散到承壓板上。鋼邊箱頂板、腹板及底板上均開設多排直徑190 mm的圓孔，方便混凝土的輸送、流動及振搗工作，同時保證混凝土澆注過程中排氣順暢。

4.7 斜拉索

本橋斜拉索無特殊環境要求，主要考慮斜拉索的安裝方便、快捷，采用常規成品高強熱鍍鋅平行鋼絲拉索，鋼絲抗拉強度為1 770 MPa，拉索外用HDPE護套保護，護套外表設螺旋線以抑制余振的產生。主塔旁梁上索距17 m，中跨結合梁上索距10.5 m，邊跨混凝土梁上索距9 m，塔上索距2 m。全橋共有斜拉索112根，分為14種規格，從121絲到349絲。

4.8 主塔

主塔為H形鋼筋混凝土塔，全高77 m。每座主塔設一道開口板式上橫梁，并在上橫梁上部和下部分別設置半橢圓形裝飾構件，上橫梁為壓應力構件。塔柱為四角倒圓的矩形空心截面，等截面布置，橫橋向寬3 m，壁厚0.7 m，縱橋向寬6 m，壁厚1.2 m。塔柱上部矩形箱室內設有斜拉索錨固齒塊，錨固區水平內配置了縱、橫向預應力筋，用以抵抗箱形截面上四壁的拉應力，預應力筋采用直徑32 mm高強精軋螺紋粗鋼筋。

主塔豎向受力主筋采用直徑32 mm鋼筋，直螺紋連接接頭，主塔箍筋直徑為20 mm。

4.9 基礎

主橋主墩采用板式橋墩，橫橋向整體呈U形，分離的2個墩柱與混凝土主梁2個邊主梁對應，墩柱下部為整體。單個墩柱橫橋向寬5 m，順橋向寬19 m。承臺外形尺寸為32.5 m×26.2 m，厚5 m，下設28根直徑2.8 m鉆孔樁。主橋輔助墩和邊墩均采用分離式花瓶形板式橋墩，每橋墩下設6根直徑1.5 m鉆孔樁。

4.1 0 結構計算

靜力計算最不利工況下：中跨鋼主梁最大壓應力158 MPa，最大拉應力48 MPa；中跨橋面板最大壓應力11.3 MPa，最小壓應力0.15 MPa，未出現拉應力。邊跨混凝土梁最大壓應力14.4 MPa，最大拉應力0.7 MPa。主塔根部最大壓應力13.7 MPa，最小壓應力5.8 MPa，未出現拉應力。斜拉索最大應力686 MPa，最大應力幅177 MPa。靜力計算結果表明，結構受力良好，滿足要求。本橋同時進行了動力分析，結果表明其抗風、抗震性能良好，滿足要求。

5 結語

雙塔雙索面支座體系混合式結合梁斜拉橋橋型為國內首創，結構新穎、技術難度大、設計復雜，在國內處于領先水平，其設計及建造技術為相似建設條件下采用斜拉橋方案提供了寶貴的工程經驗。該橋設計方案于2012年3月取得國內實用新型專利，設計方案及施工方法在2013年9月取得國內發明專利。

［1］ 高宗余.青洲閩江大橋結合梁斜拉橋設計［J］.橋梁建設，2001（4）：13-16.

［2］ 李小珍，蔡 婧，強士中.大跨度鋼箱梁斜拉橋索梁錨固結構型式的比較［J］.工程力學，2004（6）：91-97.

［3］ 劉玉擎.混合梁接合部設計技術的發展［J］.世界橋梁，2005（4）：11-14.

［4］ 盧桂臣；鄒宏華.混合式斜拉橋鋼混接合段的優化研究［J］.中外公路，2006（3）：156-159.