關于市政橋梁結構設計要點的探討

羅永樂

（廣州市市政工程設計研究院 廣東廣州 510060）

關于市政橋梁結構設計要點的探討

羅永樂

（廣州市市政工程設計研究院 廣東廣州 510060）

隨著我國城市化進程不斷地加快，城市的橋梁也在不斷地增加，大量橋梁總體上可以滿足功能要求，但同時也存在著很多缺陷，這給社會輿論、人民生活、城市交通帶來了不好的影響。本文結合工程實例對市政橋梁結構設計的要點進行探究，以供同行參考。

市政橋梁；橋梁結構設計；設計要點

1 工程概況

該工程大橋橋位處的地震加速度為0.2g，Ⅲ類場地；場地樁基主要持力層為細、中砂。橋梁標準段全寬41m，根據規劃及現況河道斷面形態，并結合橋址周邊景觀環境定位的需求，該橋設計為塔高75m的獨塔有背索雙索面斜拉橋，跨徑布置為100m+ 50m。結構為墩、塔、梁固結體系，受力明確、構造簡單。為滿足景觀及受力要求，主塔向邊跨側傾斜約78°。主梁設計為鋼-混凝土組合梁縱向受力體系，有利于平衡主、邊跨跨徑相差較大對整體結構受力帶來的不利影響。主跨側設置8對拉索，梁上拉索間距為9.0m，邊跨側設置2對背索，均錨固于端橫梁處。

2 橋梁結構設計要點

本橋結構設計時，在充分尊重并實現景觀創意的同時，進行了多方案、多種結構形式的論證及比選，實現了力與美的和諧統一。大橋設計過程中，主要進行了結構體系、主塔傾角、主梁形式、飛燕拱肋布置等項目的細節設計及計算驗證，如圖1所示。

圖1 橋梁整體布置（單位:cm）

2.1 結構體系的選擇

斜拉橋上部構造的各種荷載通過支承體系直接傳遞到下部結構，支承體系的布置對斜拉橋的結構性能影響很大，必須在全橋總體布置及構造設計之前予以充分考慮。對于斜拉橋的基本體系按力學性能劃分有漂浮體系、支承體系（半漂浮體系）、塔梁固結體系以及剛構體系四種，這四種支承體系的優缺點及適用條件如表1所示。

表1 結構體系比較

通過上述比較，鑒于本項目對橋梁景觀有特殊要求，綜合考慮多方面因素，確定本橋采用整體剛度較好的并能克服本橋型兩側索力不平衡問題的墩、塔、梁固結體系——剛構體系。

2.2 主塔結構設計

主塔為該橋梁結構的主要承重構件，全橋結構恒載及活載通過斜拉索傳遞給主塔，然后經由主塔傳遞至下部基礎。本橋主塔線形及斷面形式的確定原則如下：

（1）主塔的整體線形及斷面尺寸應與景觀設計提供的效果圖相近。

（2）本橋主、邊跨跨徑差距較大，在折線形的橋塔折點處會出現彎矩峰值。在主梁形式確定后，為保證主跨主梁的受力情況，主跨側拉索索力基本確定，塔柱受力雖然可以通過調整邊跨側拉索索力進行調整，但考慮本橋背索設計為梁端錨固，背索索力可調幅度有限，因此在設計時應保證在塔柱折點處截面具有一定的抵抗強度。

（3）上塔柱截面設計除滿足結構受力的要求外，同時應滿足斜拉索錨固的構造要求。

綜合上述因素，確定主塔采用矩形薄壁空心截面，下塔柱根部截面尺寸為8m×4m，線性漸變至主塔匯合處，尺寸為3.5m× 3.0m，壁厚1.0m，上塔柱尺寸由3.5m×6.0m漸變至塔頂7.5m× 6.0m，壁厚1.2m，主塔線型及斷面示意如圖2所示。

圖2 主塔線型及斷面示意圖

主塔的線形直接影響結構內力的分配及大小，選擇合理的線形，使結構在恒載作用下拉索索力在塔柱與主梁相交處產生的彎矩與主塔傾斜在這一點產生的彎矩相等，這時主塔只承受軸力，而無彎矩及剪力作用，應力均勻，能充分利用材料強度。由此可得本橋主塔的合理傾角β≈80°，而本橋景觀設計塔柱線形為主塔與主梁之間存在約77°的斜交角。考慮到在活載作用下，塔柱受力方向與恒載作用下的方向相反，且塔柱截面較大，自身有較大承載能力，因此主塔傾角仍采用β≈77°。當斜拉索錨固于箱梁梁體時，主梁局部構造復雜且需要較大的箱梁梁高，當錨固于主梁梁體之外時，梁體局部構造復雜且換索時需搭設臨時支架，本次設計，考慮到景觀及結構要求，將斜拉索錨固于上塔柱，為滿足上塔柱受力要求在錨固區內設置環向預應力加強構造。

2.3 主梁結構設計

本橋主跨跨徑100m，邊跨主梁跨徑50m，主、邊跨主梁跨徑差距較大，為保證主梁及塔梁固結處的受力平衡，主跨側拉索索力大于邊跨側拉索索力，而折線型的索塔，在塔柱上、下折點處產生彎矩峰值，由于主、邊跨索力差別較大，塔柱折點處的彎矩峰值也相應增加，由于背索設計為梁端錨固形式，為避免塔梁結合處彎矩過大及邊跨支點出現負反力，背索索力不宜過大，塔柱受力示意如圖3所示。綜合考慮，要求主跨主梁的自重較小，邊跨主梁的自重應較大，這樣方能滿足橋塔折點處受力要求及保證邊跨支點不會出現負反力，主跨主梁材料不同時主塔內力的比較，如表2所示。

圖3 塔柱受力示意圖

表2 主跨主梁材料不同時主塔內力的比較

由于橋型為獨塔雙索面斜拉橋，結構受力對主梁的抗扭剛度要求較低，因此主跨主梁擬采用單箱雙室箱形斷面，以最大限度地減小主梁自重，邊跨主梁擬采用單箱多室斷面，以其較大的自重與主跨主梁相適應。受橋梁跨徑布置（主、邊跨差距大）以索塔形式（折線形索塔）的制約，主跨主梁的自重應小，邊跨主梁的自重應較大，如此方能滿足橋塔折點處受力要求及保證邊跨支點不會出現負反力，因此等高段主跨主梁（長79m）采用Q345qD鋼材預制箱梁，其余主梁采用C50現澆預應力混凝土梁。

由于主跨鋼梁采用雙邊箱形式，為保證主梁剛度過渡平順，結構傳力順暢，與之相接混凝土主梁一般仍采用雙主梁形式，其具體布置見圖4。但混凝土主梁設計需構造簡單和受力相對合理，考慮自重較大，采用整體箱梁較為合理，其具體布置見圖5。

圖4 雙邊箱混凝土主梁構造圖

圖5 整體混凝土箱梁結構圖

邊跨側主梁設計為單箱八室預應力箱梁，C50混凝土，梁高2.50m，在塔根部區域加厚為4m，箱梁底寬33.5m，頂寬41.0m。頂板厚25～40cm，底板厚22～60cm，腹板厚度50～75cm，腹板內設置縱向預應力鋼筋。主跨側主梁采用單箱雙室鋼箱梁，Q345qD鋼材，梁高2.5m，兩片箱梁通過橫梁和橋面板連接形成整體。鋼箱梁頂板鋼板厚14mm，下設U型加勁肋，底板厚16mm，腹板厚12mm，鋼混結合段及拉索錨固區鋼板均采用28mm加強。全橋鋼主梁共長79.0m。

2.4 鋼混凝土結合段設計

結合段設計是混合梁的關鍵部位，要求設計對各種荷載產生的軸力、彎矩、扭矩和剪力的傳遞順暢可靠，在荷載作用下具有一定的承載安全儲備，剛度過渡良好，耐久性好，抗疲勞性能好，力求減小應力集中。

本橋設計結合段為混凝土截面，其腹板與底板外包鋼板與鋼箱梁一致，形成外包鋼箱梁，為了結合段與兩端過渡均勻，在結合段端部設置了過渡段，為保證結構過渡連續，混凝土段的縱向鋼筋伸人結合段，結合段頂板的上層縱向鋼筋與橫向鋼筋焊接。結合段內鋼梁腹板、端橫隔板混凝土側、縱向隔板布置剪力釘，縱向隔板側設置PBL剪力鍵，底板縱向加勁肋上開孔，鋼筋通過形成PBL剪力鍵，鋼箱梁過渡段按通高設置隔板，本方案剪應力主要由PBL剪力鍵來傳遞，PBL剪力鍵在國內外已經有了很多工程實例。

2.5 飛燕拱肋設計

對于常規橋梁，當邊跨重量不足時，一般采用箱內添加配重的形式解決，但由于本橋寬度達41m，拉索錨固間距達28.1m，采用箱內配重時，端橫梁受力巨大，2.5m高截面無法滿足受力要求。該大橋景觀設計為曲頸高歌的天鵝，設置飛燕拱肋后不但使天鵝的形象更加豐滿，其重量也滿足了結構配重要求，且有效改善了端橫梁結構受力，降低了端橫梁的截面高度。

3 結束語

綜上所述，該大橋在結構設計時努力將橋梁結構與建筑藝術相結合，通過本工程的設計，獲得了以下幾點：對于橋面較寬、梁體無索區較長的獨柱折線斜塔斜拉橋，剛構體系是較好的選擇。本工程根據主塔受力特點，主梁分別采用雙邊箱鋼主梁及混凝土整體箱梁，使得結構受力合理，工程經濟性好。創新型的鋼混結合段設計滿足了結構剛度過渡及結構有效的傳力要求。邊跨設置飛燕拱肋，豐富了大橋景觀造型，也對大橋整體結構受力具有較大貢獻，是橋梁結構與橋梁美學結合的有效嘗試。經過計算分析，本橋結構體系是安全可行的，體現了新穎優美的橋梁藝術理念，拓展了斜拉橋結構及建筑型式。

[1]楊俊寧，俞娟.淺議市政橋梁結構設計要點[J].珠江水運，2014（12）：11～12.

[2]王運良.關于市政橋梁結構設計要點的探討[J].科技傳播，2014（02）：17～18.

[3]彭旭升.某市政橋梁結構裂縫普查及結構加固增強技術的應用探討[J].中華民居，2014（04）：21～23.

U442.5

：A

：1673-0038（2015）05-0139-03

2015-1-15

羅永樂（1986-），男，碩士，主要從事橋梁設計方面的工作。