重慶水土嘉陵江大橋橋塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉明志

（林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司，重慶市 401121）

重慶水土嘉陵江大橋橋塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉明志

（林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司，重慶市 401121）

重慶水土嘉陵江大橋?yàn)橹骺?88m高低塔雙索面疊合梁斜拉橋，橋塔采用雙柱式“方尖碑”造型，截面采用不規(guī)則多邊形結(jié)構(gòu)形式，僅在橋面處設(shè)置一道橫梁。通過調(diào)整兩塔肢間距及截面壁厚，減小恒載以及汽車荷載形成的豎向分力對橋塔產(chǎn)生的偏心彎矩；設(shè)置錨拉板，解決索塔錨固區(qū)環(huán)向預(yù)應(yīng)力束布置困難的問題。對整個橋塔及索塔錨固區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果表明橋塔截面的應(yīng)力，強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求。

斜拉橋；橋塔；不規(guī)則多邊形；結(jié)構(gòu)分析

1　概述

重慶水土嘉陵江大橋位于重慶兩江新區(qū)，是連接水土產(chǎn)業(yè)區(qū)與蔡家片區(qū)的重要過江通道。橋梁全長972 m，其中主橋?yàn)?1 m+199 m+388 m+128 m的高低塔雙索面斜拉橋，主橋最大縱坡0.7%，雙向6車道，主梁采用鋼混疊合梁，全橋?qū)?1.8 m（含拉索錨固區(qū)），全橋采用墩、塔、梁固結(jié)體系，見圖1。

2　橋塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋塔采用雙柱式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，整個橋塔由上、下塔柱及橋面處橫梁組成。下塔柱采用C50混凝土，橫梁及上塔柱均采用C55混凝土，在拉索錨固區(qū)內(nèi)添加鋼纖維以改善拉索區(qū)混凝土工作性能。橋塔承臺采用C40混凝土，樁基礎(chǔ)采用C30水下混凝土。

高塔P5高201 m，截面尺寸沿高度分四段變化，塔冠由3.5 m×7.0 m（橫橋向×順橋向）變化7.0 m×7.0 m，拉索區(qū)為等截面均為7.0 m×7.0 m，拉索區(qū)到橋面區(qū)段，塔柱由7.0 m×7.0 m線性變化到8.0 m×8.2 m（橫橋向×順橋向）；下塔柱由8.0 m×8.2 m線性變化到13.0 m×8.5 m。橋塔橫梁寬8.2 m，橫梁中部高7 m，與塔柱相交段截面高8 m，截面采用單箱單室截面，中間設(shè)置一道50 cm厚的隔板。P5索塔基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁形式，單幅承臺下布置9根3.0 m鉆孔灌注樁，樁長16 m，承臺采用17×17 m的矩形截面，承臺高6 m，承臺中心間距36.22 m，見圖2。

矮塔P6高154 m，截面尺寸沿高度分四段變化，塔冠由3.0 m×6.0 m（橫橋向×順橋向）變化6.0 m×6.0 m，拉索區(qū)為等截面均為6.0 m×6.0 m，拉索區(qū)到橋面區(qū)段，塔柱由6.0 m×6.0 m線性變化到6.7 m×6.5 m（橫橋向×順橋向）；下塔柱由6.7 m×6.5 m線性變化到10.5 m×7.0 m。橋塔橫梁寬6.7 m，橫梁中部高6 m，與塔柱相交段截面高7 m，截面采用單箱單室截面，中間設(shè)置一道50 cm厚的隔板。P6索塔基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁形式，單幅承臺下布置5根3.0 m鉆孔灌注樁，樁長11 m，承臺采用13.5×13.5 m的矩形截面，承臺高6 m，承臺中心間距34.5 m，見圖3。

3　設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)［1-5］

水土嘉陵江大橋受兩側(cè)地形因素影響，主橋邊跨不等且南側(cè)邊跨偏小（128 m），為滿足結(jié)構(gòu)受力需求，兩側(cè)橋塔度不一致。同時出于美學(xué)景觀及行車通透性的考慮，兩側(cè)橋塔僅在橋面處設(shè)置一道橫梁，均未設(shè)置上橫梁，而P5橋塔在橋面以上高達(dá)128 m，P6橋塔在橋面以上亦高達(dá)76 m，加之橋塔“方尖碑”造型，決定了橋塔截面為非對稱、不規(guī)則多邊形截面，因此確保恒載及汽車荷載不產(chǎn)生橫向偏心彎矩是橋塔設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)之一。

結(jié)構(gòu)恒載和汽車活載是通過拉索傳遞到主塔的，如果能夠保證拉索荷載傳遞路線與橋塔結(jié)構(gòu)豎向重心一致，那么這個問題就解決了。首先拉索布置為豎直無橫向偏位（與塔截面一側(cè)壁平行），根據(jù)索梁錨固區(qū)整體受力以及拉索張拉空間需求確定索塔錨固區(qū)截面（等截面）重心位置，增加截面尺寸（橫橋向?yàn)橹鳎瑫r調(diào)整截面內(nèi)壁厚，保證從索塔錨固區(qū)到橋面處截面剛度增大的同時上下截面重心無橫向偏位，以滿足塔肢抗風(fēng)需求；其次根據(jù)索梁錨固體系確定拉索間距為30.5 m（此間距即為兩塔肢截面豎向重心線的距離），調(diào)整塔柱的橫向距離（塔柱局部侵占人行道，保證其離車行道距離不小于50 cm，人行道采用外繞方式處理），實(shí)現(xiàn)兩塔肢重心距離為30.5 m，見圖4、圖5。

圖1　重慶水土嘉陵江大橋總體布置圖（單位：cm）

圖2　P5橋塔一般構(gòu)造圖結(jié)構(gòu)（單位：cm）

對于非對稱，不規(guī)則多邊形橋塔截面，設(shè)計(jì)一般考慮采用鋼錨箱（或鋼錨梁）的索塔錨固方式，其最大的理由是不規(guī)則的截面形狀導(dǎo)致環(huán)向預(yù)應(yīng)力布置困難，施工質(zhì)量不易保證，但鋼錨箱造價高，后期養(yǎng)護(hù)繁瑣，費(fèi)用高。鑒于此點(diǎn)，水土嘉陵江大橋業(yè)主更傾向于環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固方式，因此非對稱，不規(guī)則多邊形橋塔截面環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固方式的實(shí)現(xiàn)是橋塔又一關(guān)鍵技術(shù)。

圖3　P6橋塔一般構(gòu)造圖結(jié)構(gòu)（單位：cm）

圖4　橋塔橫向偏心處理措施（單位：cm）

圖5　恒+活載，橋塔橫向彎矩圖（單位：KN·m）

環(huán)向預(yù)應(yīng)力束配置主要是克服斜拉索水平分力對塔壁的不利影響，因此鋼束配置的有效性是關(guān)鍵，而水土橋橋塔截面為非對稱的多邊形，同時為了保證拉索與截面豎向重心一致，截面的壁厚也不一致，這就導(dǎo)致常規(guī)方式的配束（常規(guī)橋塔均為矩形截面）在此截面上是失效的，經(jīng)過反復(fù)研究，發(fā)現(xiàn)在塔壁內(nèi)設(shè)置一道混凝土錨拉板，讓配束問題又回到常規(guī)橋處理方式，就很好解決此問題，同時便于拉索張拉，錨拉板在每個拉索處設(shè)置1.2 m高過人孔，見圖6。

圖6　橋塔索塔錨固一般構(gòu)造圖結(jié)構(gòu)（部分節(jié)段）

4　結(jié)構(gòu)分析

采用大型通用有限元軟件，對橋塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，主要分為兩大部分：第一部分為橋塔在施工階段、成橋運(yùn)營階段的極限狀態(tài)計(jì)算；第二部分為索塔錨固區(qū)復(fù)雜細(xì)節(jié)的局部實(shí)體分析，見圖7。

圖7　全橋三維空間有限元模型

在荷載組合下，橋塔控制性驗(yàn)算結(jié)果見表1。

表1　橋塔結(jié)構(gòu)主要驗(yàn)算結(jié)果

橋塔整體分析是無法反應(yīng)索塔錨固區(qū)復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，為此，對整個索塔錨固區(qū)建立三維實(shí)體有限模型驗(yàn)證混凝土錨拉板及環(huán)向預(yù)應(yīng)力束配置的有效性，見圖8。索塔主要分析結(jié)果見表2。

圖8　索塔錨固區(qū)三維實(shí)體有限元模型

表2　索塔主要分析結(jié)果

5　結(jié)語

重慶水土嘉陵江大橋橋塔造型優(yōu)美獨(dú)特，設(shè)計(jì)通過偏移塔肢橫向距離和局部調(diào)整塔壁厚度解決恒、活載產(chǎn)生偏心彎矩及塔肢抗風(fēng)問題，同時在索塔錨固區(qū)設(shè)置混凝土錨拉板解決非對稱、異形截面環(huán)向預(yù)應(yīng)力布置困難的問題。通過計(jì)算分析，其計(jì)算結(jié)果均滿足相關(guān)規(guī)范要求，證明橋塔整體構(gòu)造設(shè)計(jì)合理，可作為同類橋塔設(shè)計(jì)參考。

［1］林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司.重慶水土嘉陵江大橋施工圖設(shè)計(jì)［Z］.2014.

［2］林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司.重慶水土嘉陵江大橋抗震設(shè)防專項(xiàng)論證報(bào)告［R］.2013.

［3］彭曉彬，陳杏枝.鄂東長江公路大橋橋塔設(shè)計(jì)［J］.橋梁建設(shè)2009（5）: 40-48.

［4］李剛.萬州長江三橋橋塔設(shè)計(jì)［J］.橋梁建設(shè)，2015，45（5）:94-98.

［5］金增洪.厄勒桑特橋的設(shè)計(jì)和施工［J］.中外公路，2004，24（2）:25-29.

U448.27

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1009-7716（2016）06-0122-04

2016-2-23

劉明志（1984-），男，湖北武漢人，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。