鄭東新區龍湖內環路跨北引水渠橋的方案設計

艾伏平，徐 俊，廖崇慶

（上海市政交通設計研究院有限公司，上海市 200030）

鄭東新區龍湖內環路跨北引水渠橋的方案設計

艾伏平，徐 俊，廖崇慶

（上海市政交通設計研究院有限公司，上海市 200030）

現先介紹鄭州市鄭東新區龍湖內環路跨北引水渠橋的工程概況。接著，詳細論述其初設階段的橋梁總體設計、結構比選，以及結構設計。最后，對橋梁主體構造的強度、剛度、應力進行計算分析。結果表明：該設計方案各主要構件的強度、剛度、裂縫寬度及結構的整體穩定性均能滿足規范要求。

鼎盛中原斜拉橋；結構比選；結構設計；結構計算

1　概述

最大的司母戊鼎出土于河南，設計以中原“鼎”文化為構思，打造龍湖最大最高的獨塔斜拉橋，展現了鄭州厚重的地域文化。“鼎盛中原”方案為中標方案。橋梁采用（95+20+95）m獨塔斜拉橋，橋梁全長210 m，寬53 m。主塔造型上呈“鼎”的形態，由四根塔柱組成，橋面以上塔高約92 m；拉索采用空間雙索面輻射狀布置（見圖1）。

圖1　橋型效果圖及布置圖（單位：m）

2　結構比選

2.1結構體系比選

該橋為四塔柱獨塔鋼箱梁斜拉橋，如采用塔梁墩固結的剛構體系，下塔柱在整體溫度和地震作用下的受力不利，且固結處的構造處理困難，施工難度大，不宜采用。墩塔固結、塔梁分離的漂浮體系的優點是主跨滿載時，塔柱處的主梁無負彎矩峰值，但施工需臨時固定，解除固定時會縱向移動，也不宜采用。塔墩固結、塔梁分離的半漂浮體系與全漂浮體系相比，在塔墩上設置豎向支承對結構總體剛度和靜力反應影響不大，僅對支座位置主梁局部彎矩有一定影響。綜合考慮結構在汽車活載、風荷載、溫度作用和地震作用下的強度、剛度和穩定性，結構采用三跨連續半飄浮體系。即主梁在近塔柱及橋臺處設置豎向支承，采用隔震球型支座；主梁和索塔之間：橫橋向設置側向限位支座，順橋向設黏滯阻尼器系統；橋臺設橫向抗震擋塊（見圖2）。

圖2　橋梁約束系統布置示意圖

2.2主梁結構比選

橋梁橫斷面布置為：3.0 m（人行道）+7.0 m（非機動車道）+5.0 m（索塔錨固區）+23 m（機動車道）+ 5.0 m（索塔錨固區）+7.0 m（非機動車道）+3.0 m（人行道）=53.0 m（見圖3）。近年來國內斜拉橋工程實例表明：對于橋寬大于30 m的主梁采用鋼箱梁或疊合梁。且橋面太寬主梁受力以橫向控制為主。而疊合梁的缺點是鋼混凝土結合面受力較為復雜，且混凝土橋面板的受拉開裂問題難以解決。通過景觀、結構構造、受力性能、施工、養護、耐久性等多方面綜合考慮，該工程推薦采用大挑臂梁格體系鋼主梁方案。

圖3　主梁橫斷面圖

2.3主塔結構比選

斜拉橋采用混凝土主塔和鋼主塔都很常見。但鋼塔的受壓穩定性差；拉索錨固區構造特別復雜；景觀限制了塔的外形尺寸導致鋼塔塔上張拉操作困難；鋼混結合段構造措施復雜；塔高104 m導致吊裝和高空拼裝困難；后期養護困難且費用高。經過詳細經濟性比較，混凝土塔建安費：鋼塔建安費=1：1.2。綜合上述因素，推薦混凝土塔。

2.4樁基結構比選

由于該橋樁基承載力主要由樁周摩擦力提供，因此較小樁徑更有利于承載力的提供。但是該橋基礎規模較大，太小的樁徑施工周期加長，且地震下最小軸力與最大彎矩工況難以滿足要求，故不宜采用太小樁徑。而樁徑太大，成樁難度大，且工程量增大。綜上所述，該橋樁基直徑推薦采用1.8 m（見表1）。

表1　主塔基礎鉆孔灌注樁樁徑比選表

3　結構設計

3.1主梁結構設計

經過計算，梁高為2.5 m、3 m、3.2 m的運營階段應力分別為153 MPa、100 MPa、86 MPa，而相應的材料用量比為0.983：1：1.011，所以綜合材料用量、應力和景觀，采用3 m梁高。此外，閉合鋼箱的寬度分別取4.6 m、5.8 m、6.4 m進行計算得到的運營階段應力分別為129 MPa、100 MPa、87 MPa，而相應的材料用量比為0.975：1：1.021，所以綜合材料用量和應力，采用的5.8 m的鋼箱寬度。雙主梁之間設3 m一道橫梁連接，橋面板為正交異性鋼橋面板［1］；雙主梁外設3 m一道的大挑梁，人非通道區設置正交異性鋼橋面板，大挑梁設縱向腹板；索梁錨固區則采用中空網格布置，不設縱向連續的橋面板；在主梁兩端和橋塔側將底板貫通成為橫梁，即兩道端橫梁和兩道橋塔側橫梁為箱型斷面，箱室寬度分別為2.85 m和5 m。圖4為主梁平面圖。

圖4　主梁平面圖

橋面系采用U肋栓接橋面焊接的形式，鋪裝采用白色（纖維細石子混凝土）加黑色（瀝青混凝土）鋪裝［2］。

3.2主塔結構設計

橋塔分為下塔柱、中塔柱、上塔柱、頂塔柱，且長度滿足景觀要求的黃金分割比例，在中塔柱和上塔柱交界，以及上塔柱和頂塔柱交界設了橫梁。在上塔柱索塔錨固區為平衡斜拉索的水平力設置了水平拉桿。所有塔柱的截面都與道路中心線成15°夾角。圖5為塔柱斷面圖。

圖5　塔柱斷面圖

由于塔柱尺寸小，只能考慮斜拉索穿過塔柱錨在塔柱的側面上。為保持塔柱外形一致可考慮兩種錨固形式，一種是將截面單側挖空0.9 m（可保持外形一致），斜拉索通過齒塊錨固在挖空的側面上；另一種是截面不挖空，斜拉索通過槽口錨固在截面的側面上。如果采用截面不挖空開槽口的方法，則在塔側面上槽口的最大長度約為1.6 m，同時需滿足千斤頂操作空間，對塔側面的削弱較大，因此采用挖空截面、齒塊錨固的方法。斜拉索最大索力約為600 t，在上塔柱上產生巨大的水平分力對塔柱是非常不利的，因此設置水平拉桿來平衡斜拉索的水平分力。水平拉桿采用鋼箱截面，內置預應力。在施工完橋塔后先張拉預應力使得鋼箱截面受壓，成橋階段下斜拉索的水平分力作用使鋼箱梁截面壓力減小（但保持壓應力），鋼箱可以不伸入塔柱截面進行受拉錨固，可避免鋼箱伸入塔柱混凝土割裂混凝土和主筋。此外預應力鋼筋的管道需要避開斜拉索的套筒。圖6為槽口、齒塊錨固及拉桿示意圖。

圖6　槽口、齒塊錨固及拉桿示意圖

3.3斜拉索設計

該橋采用平行鋼絲斜拉索。平行鋼絲斜拉索鋼絲標準強度1 670 MPa，錨具采用冷鑄錨。斜拉索在梁上順橋向標準索距12 m，塔上豎向標準索距3.3 m/2.7 m，橫橋向設雙排拉索。每個塔柱共布置7根斜拉索，全橋共7×4=28根斜拉索，最大斜拉索長度約112 m。斜拉索規格最小為PES7-187，最大為PES7-211。

4　結構計算

4.1靜力計算

施工階段分為兩個階段：塔柱施工完畢，橫梁預應力和拉桿預應力均已張拉，此時主要考察拉桿應力大小及上塔柱混凝土拉應力是否超標；成橋狀態，主要考察拉桿、主梁、塔柱應力水平。橋塔施工完成后，拉桿預應力已經張拉，上塔柱承受彎矩作用，其截面拉應力為0.97 MPa，整個混凝土塔（含橫梁）截面壓應力最大為5.8 MPa。橋塔施工完成后，拉桿預應力已經張拉，拉桿鋼箱全截面受壓，壓應力為17～96 MPa。成橋階段，上塔柱的截面拉應力為0.91 MPa，整個混凝土塔（含橫梁）截面壓應力最大為6.8 MPa。成橋階段，拉桿鋼箱全截面受壓，壓應力為11～52 MPa。上述指標都滿足要求。

運營階段，上塔柱的截面拉應力為-1.03 MPa，整個混凝土塔（含橫梁）截面壓應力最大為7.7 MPa。運營階段，拉桿鋼箱全截面受壓，壓應力為4～61 MPa。斜拉索最小安全系數2.7，均大于2.5，滿足強度要求；在汽車及人群荷載作用下應力幅最大值為159 MPa，小于200 MPa。運營階段，主梁應力范圍為-64 MPa～100 MPa，主梁應力水平較低。半跨布載（一期恒載+二期荷載+半跨布載）下的橋塔整體穩定系數為31.2。取3 m橫梁做橫向計算，工字鋼橫梁根部最大應力為140 MPa，車行道跨中最大應力為141 MPa。上述指標都滿足要求。圖7為運營階段主梁應力圖。

圖7　運營階段主梁應力圖（標準組合，單位：MPa，拉為正，壓為負）

4.2抗震計算

該橋第一階振型為縱漂，周期為2.795 s（見圖8）。對E1和E2設防水準進行反應譜分析，并驗算墩柱和樁基控制截面的抗震能力，驗算結果表明在E1地震下各控制截面沒有進入初始屈服狀態，E2地震下各控制截面沒有進入等效屈服狀態，均滿足要求。

圖8　第一階振型圖示

4.3抗風計算

根據《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/T D60-01—2004）6.3.1規定，顫振穩定系數可按6.3.4規定，判斷顫振穩定性及檢驗。主橋成橋狀態顫振臨界風速為248 m/s，遠高于橋址處的顫振檢驗風速，具有較高的抗風安全性能（見表2）。

表2　成橋狀態顫振穩定性檢驗表

5　結　語

本文以鄭州市鄭東新區龍湖內環路跨北引水渠橋為背景，闡述了該橋初步設計的橋型方案，說明了初設階段的總體設計和結構設計，給出了結構計算結果。目前該橋正在施工，情況良好，為以后其他類似工程設計提供了參考。

［1］吳沖.現代鋼橋［M］.北京：人民交通出版社，2006.

［2］艾伏平，陶興，熊禮鵬.湖北隨縣烈山湖大橋主橋正交異性橋面板方案設計研究［J］.城市道橋與防洪，2013，（8）.

U442.5

B

1009-7716（2016）07-0140-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.041

2016-04-11

艾伏平（1969-）男，湖北仙桃人，碩士，高級工程師，從事橋梁工程設計工作。