寬體矮塔斜拉橋設(shè)計(jì)與計(jì)算

賈 棟，王建光，黃 蜂

（濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山東　濟(jì)南 250101）

寬體矮塔斜拉橋設(shè)計(jì)與計(jì)算

賈 棟，王建光，黃 蜂

（濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南 250101）

矮塔斜拉橋以其優(yōu)美的造型及良好的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，在我國城市橋梁建設(shè)中存在廣闊的發(fā)展空間。以泰安徂徠山汶河景區(qū)泮河大橋?yàn)楸尘埃v述了寬體矮塔斜拉橋設(shè)計(jì)及計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)，有關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供相關(guān)專業(yè)人員參考。

矮塔斜拉橋；寬體橋梁；箱梁設(shè)計(jì)；索塔設(shè)計(jì)；斜拉索設(shè)計(jì)

1　矮塔斜拉橋的概念及特點(diǎn)

矮塔斜拉橋，也稱部分斜拉橋，是介于預(yù)應(yīng)力箱梁橋與斜拉橋之間的橋梁形式。設(shè)計(jì)理念由預(yù)應(yīng)力箱梁結(jié)構(gòu)發(fā)展而來，相當(dāng)于設(shè)置體外束的預(yù)應(yīng)力箱梁橋，由于預(yù)應(yīng)力束偏心量的增大，可以有效減小箱梁截面高度和結(jié)構(gòu)自重；矮塔斜拉橋斜拉索豎向荷載分配率較低，應(yīng)力變化幅度小，根據(jù)對(duì)已建矮塔斜拉橋的調(diào)查，斜拉索豎向荷載分配率約為30%，應(yīng)力變化幅度約為50 M Pa，容許應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)可采用0.6 fpa，與斜拉橋斜拉索容許應(yīng)力0.4 fpa相比，矮塔斜拉橋斜拉索的應(yīng)用效率較高。

2　國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

世界上最早的矮塔斜拉橋是日本于1994年建成的小田原港橋，隨后矮塔斜拉橋在日本、韓國及歐洲均取得了穩(wěn)步發(fā)展。

2001年建成的漳州戰(zhàn)備大橋被認(rèn)為是我國第一座矮塔斜拉橋，隨后矮塔斜拉橋在我國發(fā)展較快，截止2015年，已建和在建的矮塔斜拉橋達(dá)到上百座，但多數(shù)為公路橋梁。近幾年，隨著對(duì)城市橋梁標(biāo)志性和景觀性要求不斷提高，各種橋型在城市橋梁中均得到了應(yīng)用、發(fā)展。但城市橋梁多數(shù)跨徑不大，對(duì)于跨徑200 m以下的橋梁，斜拉橋方案經(jīng)濟(jì)性較差；矮塔斜拉橋以其優(yōu)美的造型及良好的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，在我國城市橋梁建設(shè)中存在廣闊的發(fā)展空間。

3　項(xiàng)目背景

本文以泰安徂徠山汶河景區(qū)泮河大橋?yàn)楸尘啊蛄航?jīng)多方案比選，選定矮塔斜拉橋方案，跨徑布置40 m+65 m+65 m+40 m；橋?qū)?4.5 m，中間22.5 m為機(jī)非混行車道，兩側(cè)各2.5 m設(shè)施帶，8.1 m人行道，0.4 m欄桿基座，橋面寬度大，為寬體矮塔斜拉橋；斜拉索布置采用六塔四索面形式，見圖1、圖2。

圖1　橋梁立面圖（單位：m）

圖2　橋梁橫斷面圖（單位：m）

4　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋梁采用塔梁固結(jié)，梁墩分離，梁底設(shè)置支座的結(jié)構(gòu)形式；泮河非洪水期，流量不大，存在引流條件，施工方案采用滿堂支架施工。

4.1箱梁設(shè)計(jì)

箱梁頂寬44.5 m，采用雙箱四室結(jié)構(gòu)形式，梁高2 m；單箱底寬15.5 m，兩箱凈距9.5 m，箱梁外側(cè)懸臂寬2 m；邊腹板厚45 cm，中腹板厚80 cm。

中橫梁寬3 m；端橫梁寬1.75 m；對(duì)應(yīng)斜拉索錨固位置設(shè)置多道橫隔梁，厚0.5 m，間距5～5.5 m。

主梁中跨跨中設(shè)置合攏段，合攏段長(zhǎng)7m。

4.2索塔設(shè)計(jì)

全橋共設(shè)置6根索塔，其中中塔2根，高18 m，順橋向?qū)? m，橫橋向?qū)?.5 m；邊塔4根，塔高12.25 m，順橋向?qū)?.5 m，橫橋向?qū)?.5 m。

4.3斜拉索設(shè)計(jì)

（1）塔端布置：每根索塔布置8根斜拉索，雙索面布置。斜拉索塔端穿過分絲管式索鞍，通過抗滑錨固裝置固定，中塔豎向錨固間距為2 m，邊塔豎向錨固間距為1 m。

（2）梁端布置：斜拉索梁端為張拉端，錨固于橫隔板與中腹板相交位置，縱向間距為5 m。

5　結(jié)構(gòu)計(jì)算

5.1計(jì)算過程

為節(jié)約時(shí)間，減小工作量，通常在調(diào)索、配束階段建立單梁模型進(jìn)行分析。調(diào)索、配束完成后，建立空間模型進(jìn)行復(fù)核。單梁模型分析過程如下：

（1）初始平衡狀態(tài)（成橋階段）確定

已建矮塔斜拉橋斜拉索豎向荷載分配率約為30%，通常以此為原則，確定斜拉索成橋索力及選定拉索類型，建立成橋模型，見圖3。

圖3　成橋計(jì)算模型

（2）成橋作用效應(yīng)組合分析

成橋狀態(tài)，考慮各種可變作用，完成主梁配束及驗(yàn)算斜拉索最大使用索力、應(yīng)力幅。斜拉索最大使用索力不應(yīng)超過0.6 fpa，應(yīng)力變化幅度建議不大于50 M Pa。

泮河大橋斜拉索計(jì)算結(jié)果見表1。

（3）全橋正裝分析

依據(jù)施工工序，建立全橋正裝分析模型。以擬定的成橋索力為目標(biāo)，采用《M i das Ci vi l2012》未知荷載系數(shù)工具求解斜拉索初始張拉索力。泮河大橋采用此方法求解結(jié)果做正裝分析后，成橋索力及主梁內(nèi)力與擬定成橋目標(biāo)狀態(tài)一致。

5.2箱梁計(jì)算

箱梁縱向計(jì)算、橫梁計(jì)算與預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁計(jì)算方法相同，不再敘述。本文主要講述索區(qū)橫隔梁的計(jì)算方法，包括橫隔梁計(jì)算斷面的確定，邊界條件的確定，恒荷載的加載方式及活荷載的加載方式。

表1　泮河大橋斜拉索計(jì)算表

（1）橫隔梁計(jì)算斷面及邊界條件的確定

橫隔梁計(jì)算斷面考慮翼緣有效寬度，bf=b+ 12hf=3.5 m；拉索錨固位置設(shè)置支承點(diǎn)，見圖4、圖5。

圖4　橫隔梁立面圖（單位：cm）

圖5　橫隔梁斷面圖（單位：cm）

（2）恒荷載的加載方式

索區(qū)橫隔板承擔(dān)的恒荷載總和為恒載狀態(tài)下拉索索力豎向分力Fn，模型中施加的荷載總和F= Fn-G，G為橫隔板自重。參照文獻(xiàn)［5］，荷載加載方式采用修正的腹板剪力法，即恒荷載F的85%由腹板承擔(dān)，15%按均布力施加與腹板之間。各腹板荷載分配采用均分方式，按集中力加載。

（3）活荷載的加載方式

泮河大橋活荷載包括汽車荷載及人群荷載。

汽車荷載：取縱向計(jì)算模型單車道車輛荷載引起的橫隔板處斜拉索索力之和作為橫隔板單車道荷載，在車行道范圍內(nèi)根據(jù)實(shí)際車道數(shù)采用橫向加載方式布載。

人群荷載：取縱向計(jì)算模型人群荷載引起的橫隔板處斜拉索索力之和作為橫隔板人群荷載，在人行道范圍內(nèi)采用橫向加載方式布載。

5.3索塔計(jì)算

索塔為小偏心受壓構(gòu)件，主要計(jì)算內(nèi)容包括索塔強(qiáng)度驗(yàn)算及索塔穩(wěn)定驗(yàn)算。泮河大橋索塔穩(wěn)定性驗(yàn)算采用《M i das Ci vi l2012》屈曲分析功能分別驗(yàn)算了移動(dòng)荷載臨界荷載系數(shù)及風(fēng)荷載臨界荷載系數(shù)。

6　結(jié)論

（1）矮塔斜拉橋造型優(yōu)美，且經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較低，泮河大橋造價(jià)約0.6萬元/m2，矮塔斜拉橋在城市橋梁建設(shè)中存在廣闊的發(fā)展空間。

（2）矮塔斜拉可應(yīng)用于寬體橋梁結(jié)構(gòu)。為有效控制扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，寬體矮塔斜拉橋橫橋向建議采用多塔多索面形式；考慮橫隔梁受力及減輕箱梁自重需要，箱梁建議對(duì)應(yīng)斜拉索索面采用多箱結(jié)構(gòu)形式。

［1］嚴(yán)國敏.試談“部分斜拉橋”-日本屋代南橋、屋代北橋、小田原港橋［J］.國外橋梁，1996（1）:47-50.

［2］于永強(qiáng)，李敏，陳亨錦.漳州戰(zhàn)備大橋主橋設(shè)計(jì)［J］.橋梁建設(shè)，2002（1）: 5-7.

［3］張宏偉，鄭海東，鄭一峰.部分斜拉橋構(gòu)造設(shè)計(jì)［J］.公路，2005（5）: 52-56.

［4］盧春剛，楊冬春.部分斜拉橋拉索區(qū)橫梁計(jì)算方法討論［J］.工程與建設(shè)，2012，26（5）:627-630.

［5］周昭慧.配筋混凝土寬箱梁橋預(yù)應(yīng)力橫梁計(jì)算方法［J］.山西建筑，2007，33（5）:357-339.

圖7　第三施工階段示意圖

6　結(jié)語

本文從橋型方案構(gòu)思，結(jié)構(gòu)尺寸的擬定到結(jié)構(gòu)計(jì)算，施工方案，對(duì)一座由中小跨徑組成的不等跨連拱拱橋做了比較全面的介紹和分析。該類橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)在于確保墩臺(tái)從施工到成橋運(yùn)營(yíng)整個(gè)過程中的縱向穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)橋墩的縱向推力及彎矩，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上以三五孔為一聯(lián)。聯(lián)與聯(lián)之間必須設(shè)置抗推墩，并計(jì)算抗推墩在單向推力作用下，橋墩的縱向穩(wěn)定性，確保縱向位移不超過規(guī)范允許值。本文通過對(duì)拱圈承載能力，橋墩的穩(wěn)定性進(jìn)行校核計(jì)算，驗(yàn)證了方案的合理性，為后續(xù)該類橋型的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

［1］趙崇臣，胡達(dá)和.考慮樁土共同作用的連續(xù)拱橋計(jì)算［J］.市政技術(shù)，2006，（3）:91-94.

［2］王國鼎.拱橋連拱計(jì)算（第三版）［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［3］JTG D63—2007，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

U448.27

B

1009-7716（2016）09-0132-03

2016-06-13

賈棟（1982-），男，山東濱州人，工程師，從事路橋設(shè)計(jì)工作。