雙斜塔斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計要點分析

裴 濤，李群朋，杜英輝，劉慕清

（1.唐山曹妃甸發(fā)展投資集團有限公司，河北 唐 山 0 63200；2.華夏幸?；鶚I(yè)股份有限公司，河北 唐 山 0 63000；3.唐山曹妃甸筑城工程管理有限公司，河北 唐 山 0 63200；4.建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計院有限公司，北京市 1 00007）

雙斜塔斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計要點分析

裴 濤1，李群朋2，杜英輝3，劉慕清4

（1.唐山曹妃甸發(fā)展投資集團有限公司，河北 唐 山 0 63200；2.華夏幸福基業(yè)股份有限公司，河北 唐 山 0 63000；3.唐山曹妃甸筑城工程管理有限公司，河北 唐 山 0 63200；4.建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計院有限公司，北京市 1 00007）

曹妃甸2#橋采用“高低塔無背索斜拉橋”這一獨特的結(jié)構(gòu)型式，跨徑組合為166 m+104 m。充分分析其結(jié)構(gòu)行為特征，對結(jié)構(gòu)體系和主要受力構(gòu)件進行詳盡的設(shè)計處理，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)受力與景觀要求的有效統(tǒng)一，為今后同類橋梁的設(shè)計、施工提供了寶貴經(jīng)驗。

景觀橋梁；橋梁美學；混合梁；斜塔斜拉橋；高低塔斜拉橋；無背索斜拉橋

0 引 言

曹妃甸工業(yè)區(qū)2＃路南起鋼廠北路，北至北環(huán)路，全長約11 km。2＃橋工程即為2＃路跨納潮河段，位于工業(yè)區(qū)中部，是連接納潮河南北兩岸的重要交通通道。

經(jīng)過結(jié)構(gòu)體系的比選、優(yōu)化以及與業(yè)主和景觀專業(yè)的協(xié)調(diào)溝通，確定主橋采用高低塔無背索斜拉橋，墩、塔、梁固結(jié)體系，跨徑布置為166 m+ 104 m。高、低塔順橋向成V形，夾角69°，橫橋向均為A形塔，采用鋼筋混凝土矩形箱形結(jié)構(gòu)，其中高塔塔高134.03 m，低塔塔高97.82 m。主梁梁高4.0 m，根據(jù)受力需要采用混合梁形式，其中在兩塔柱附近56 m采用預(yù)應(yīng)力混凝土斷面，其余主梁（主跨138 m，邊跨76 m）均采用鋼箱梁斷面。主橋主跨設(shè)置11對斜拉索，采用單索面布置；邊跨設(shè)置6對斜拉索，采用雙索面布置。大橋基礎(chǔ)采用混凝土承臺+鉆孔灌注樁形式。

高低塔無背索斜拉橋的設(shè)計具有較大的創(chuàng)新和突破，達到同類技術(shù)的國內(nèi)外領(lǐng)先水平，為今后同類橋梁的設(shè)計、施工提供了寶貴經(jīng)驗。

1 工程概況

本橋位于納潮河及兩岸，納潮河河寬1 000 m，呈倒梯形，最深18.93 m，河岸原為淺海，現(xiàn)已填海造地，地形起伏大，海拔標高-18.93～2.97m，相對高差21.90 m；橋位處地震加速度為0.2 g，Ⅲ類場地；橋位處地震動峰值加速度0.15 g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.4 s；場地樁基主要持力層為粉質(zhì)黏土、粉土、軟粉質(zhì)黏土、軟粉土和粉細砂，局部為黏土和淤泥質(zhì)土。橋梁全寬48.2 m，根據(jù)規(guī)劃及現(xiàn)況河道斷面形態(tài)，并結(jié)合橋址周邊景觀環(huán)境定位的需求，該橋設(shè)計為低塔無背索斜拉橋，墩、塔、梁固結(jié)體系，跨徑布置為166 m+104 m，如圖1所示。

圖1 橋梁整體布置圖（單位：cm）

2 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

常規(guī)無背索斜拉橋?qū)で笾魉亓颗c通過斜拉索傳遞過來的主梁重量（包括二期恒載）在塔根部彎矩接近于零。本橋拉索集中錨固于塔上端，索力作用點與塔重心有30 m左右的距離，從而造成需要更大的塔重來平衡索力，同時橋塔重量還在無索區(qū)處形成附加彎矩。因此本設(shè)計提出部分斜拉橋的概念，即主梁承擔部分荷載以彌補塔因景觀要求尺寸增大有限的不足。

2.1 結(jié)構(gòu)體系的選擇

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(jié)體系以及剛構(gòu)體系4種，先將這4種支承體系的優(yōu)缺點及適用條件比較如下，見表1。

表1 結(jié)構(gòu)體系比較

本方案結(jié)構(gòu)體系采用全漂浮受力體系時，主梁無明顯的負彎矩峰值，且可有效降低主塔在地震荷載下的受力；但由于拉索布置受凈空限制，使得高低塔附近主梁無索區(qū)范圍較大（70 m）且主塔兩側(cè)水平力無法平衡，受力明顯不合理。若采用支撐體系，主梁為具有多點彈性支撐的連續(xù)梁，較經(jīng)濟、美觀。此種體系的缺點是，兩跨滿載時，塔柱處主梁負彎矩峰值較大，且由于塔柱兩側(cè)拉索水平力不平衡，需在主梁與塔柱橫梁間設(shè)置止推裝置。若采用塔梁固結(jié)、墩梁分離體系，可有效降低塔墩彎矩，但整體剛度較小，且主塔處支座墩位巨大，支座的設(shè)計、施工、維護及后期更換難度太大，因此不宜采用。若采用塔、梁、墩互為固結(jié)體系，形成跨度內(nèi)具有多點彈性支撐的剛構(gòu)，此種體系的優(yōu)點是既免除了大型支座，又可滿足懸臂施工的穩(wěn)定要求，結(jié)構(gòu)的整體剛度好，主梁撓度小。

2.2 主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

無背索斜拉橋受力特性為依靠主塔重量來平衡通過斜拉索傳遞過來的橋面系重量，因此主梁應(yīng)追求輕型化，以減小橋塔尺寸。本方案主梁考慮到墩、塔、梁固結(jié)需要，同時也考慮鋼混結(jié)合段盡量位于主梁彎矩較小區(qū)域，因此在兩塔柱附近56 m采用預(yù)應(yīng)力混凝土斷面，其余主梁（主跨138 m，邊跨76 m）均采用鋼箱梁斷面。

從表2看，邊跨采用混凝土主梁相對于采用鋼主梁主塔根部彎矩大大增加，因此除了為方便墩、塔、梁固結(jié)需要，兩塔柱附近56 m采用C50現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土主梁，其余主梁（主跨138 m，邊跨76 m）均采用Q345qD鋼材預(yù)制箱梁。

表2 邊跨主梁材料不同時主塔內(nèi)力比較表

單索面斜拉橋鋼主梁可采用全焊鋼箱梁斷面、單箱大懸臂斷面（脊骨架結(jié)構(gòu)）。雙索面斜拉橋鋼主梁可采用雙主梁斷面、全焊鋼箱梁斷面。單從材料本身發(fā)揮效率出發(fā)，單索面斜拉橋應(yīng)采用單箱大懸臂斷面，雙索面斜拉橋應(yīng)采用雙主梁斷面。但是本橋主跨為單索面體系，邊跨為雙索面體系，若主跨采用單箱大懸臂斷面，邊跨采用雙主梁斷面，兩側(cè)拉索產(chǎn)生的軸力在主塔處混凝土梁段都存在不均勻傳遞問題，使得混凝土梁段受力不利。同時采用不同形式的鋼主梁斷面增加了鋼箱梁制作的難度、鋼主梁施工的復(fù)雜性，還造成鋼混過渡段受力不明確，而且還影響了主梁的美觀。因此主跨、邊跨主梁設(shè)計為全焊鋼箱梁斷面，采用Q345qC鋼材。由于全橋?qū)?8 m，梁高受橫向受力控制，中心處梁高4 m?；炷林髁和庑闻c鋼箱梁保持一致，設(shè)計為單箱十室斷面，采用C50混凝土現(xiàn)場澆筑，如圖2所示。

2.3 鋼混凝土結(jié)合段設(shè)計

結(jié)合段內(nèi)鋼梁腹板、端橫隔板混凝土側(cè)、縱向隔板布置剪力釘，縱向隔板側(cè)設(shè)置PBL剪力鍵，底板縱向加勁肋上開孔，鋼筋通過以形成PBL剪力鍵，鋼箱梁過渡段按通高設(shè)置隔板，本方案剪應(yīng)力主要由PBL剪力鍵來傳遞，PBL剪力鍵在國內(nèi)外已經(jīng)有了很多工程實例，如日本鶴見航道橋、廣東佛山平勝大橋、南京長江第三大橋等。鋼混凝土結(jié)合段構(gòu)造如圖3所示。

2.4 主塔結(jié)構(gòu)設(shè)計

主塔為該橋梁結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件，全橋結(jié)構(gòu)恒載及活載通過斜拉索傳遞給主塔，然后經(jīng)由主塔傳遞至下部基礎(chǔ)。本橋主塔線形及斷面形式的確定原則是：

圖2 斷面圖

圖3 鋼混凝土結(jié)合段構(gòu)造圖

（1）主塔的整體線形及斷面尺寸應(yīng)與景觀設(shè)計提供的效果圖相近。

（2）由于拉索及橋塔均為空間構(gòu)件，其布置需滿足行車道及人行道凈寬及凈空的要求。

（3）上塔柱截面設(shè)計應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)受力的要求，同時應(yīng)滿足斜拉索錨固的構(gòu)造要求。

主塔線形及斷面示意圖如圖4所示。

圖4 主塔線形及斷面示意圖

塔傾角的選取主要考慮材料用量、施工及景觀3個方面。從材料數(shù)量來看，在索力及索傾角選定的情況下，索塔的材料數(shù)量直接取決于塔的傾角。設(shè)計對塔的傾角進行了70°、65°、60°3種角度下的材料數(shù)量進行了比較，其用量比值為1.7∶1.3∶1。也就是說塔的傾角越大材料用量越少。但從施工方面來看，若用過大的傾角，對于本橋的具體施工條件，必然導(dǎo)致施工難度的增加。從景觀上看，傾角過大給人以不穩(wěn)定感。因此綜合考慮，本橋高塔塔柱順橋向傾角58°，低塔柱順橋向傾角53°。

本方案高塔塔高134.03 m（橋面上塔高111.63 m，橋面下塔高22.40 m），低塔塔高99.23 m（橋面上塔高76.83 m，橋面下塔高22.40 m）。針對高塔根部尺寸12 m×6 m、端部尺寸7 m×6 m和根部尺寸10 m× 5 m、端部尺寸6 m×5m進行了計算，前者主梁活載撓度16 cm，后者主梁活載撓度18 cm，相對而言單純提高主塔尺寸對主梁整體剛度提高不明顯，且大大增加了自重。因此，高塔與低塔根部固結(jié)處高塔單支柱的順橋向?qū)挾葹?0.0 m線性變化到端部6 m，低塔與高塔根部固結(jié)處低塔單支柱的順橋向?qū)挾葹?.0 m線性變化到端部5 m。高塔與低塔根部固結(jié)處橫橋向距離65 m，橋面以下部分橫橋向?qū)挾扔筛?m變化到墩頂5 m，橋面以上橫橋向?qū)挾葹? m（考慮到主塔爬模施工）。

3 結(jié)語

曹妃甸2#大橋在結(jié)構(gòu)設(shè)計時努力將橋梁結(jié)構(gòu)與建筑藝術(shù)相結(jié)合，因此采用了高低塔無背索斜拉橋結(jié)構(gòu)型式，其主要特點如下：

（1）對于橋面較寬、兩側(cè)不等跨徑、梁體無索區(qū)較長的斜塔斜拉橋，剛構(gòu)體系是較好的選擇。

（2）本工程根據(jù)主塔受力特點，高低塔之間采用混凝土箱梁，其余部位采用鋼主梁，使得結(jié)構(gòu)受力合理，工程經(jīng)濟性好。

（3）本設(shè)計提出部分斜拉橋的概念，即主梁承擔部分荷載以彌補塔因景觀要求尺寸增大有限的不足是無背索斜拉橋設(shè)計的嘗試。

（4）本橋采用高低塔無背索空間斜拉橋，是橋梁結(jié)構(gòu)與橋梁美學結(jié)合的有效嘗試。

（5）橋梁為空間拉索受力結(jié)構(gòu)，限于篇幅，單獨成文分析。

經(jīng)過計算與分析，本橋結(jié)構(gòu)體系是安全可行的，體現(xiàn)了新穎優(yōu)美的橋梁藝術(shù)理念，拓展了斜拉橋結(jié)構(gòu)及建筑型式。

[1]林元培.斜拉橋[M].北京：人民交通出版社，1994.

[2]劉士林，梁智濤，侯金龍，孟凡超.斜拉橋[M].北京：人民交通出版社，2002.

[3]梁志廣，李建中，石現(xiàn)峰.斜拉橋施工初始索力的確定[J].工程力學，2000,17(3):121-126.

[4]陳開利，余天慶，習剛.混合梁斜拉橋的發(fā)展與展望[J].橋梁建設(shè)，2005,35(2):1-4.

U448.27

B

1009-7716（2017）01-0058-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.016

2016-10-08

裴濤（1981-），男，河北唐山人，高級工程師，從事工程管理工作。