某轉體施工獨塔混合梁斜拉橋設計與創新

支燕武

（中國鐵路設計集團有限公司，天津市 300251）

1 工程概況

本項目為某市政道路上跨鐵路站場工程，道路與鐵路接近正交。主橋結構形式采用獨塔單索面混合梁斜拉橋，橋長255 m，寬32 m（含4 m索區），跨徑布置為90 m+165 m，支承體系采用塔-梁-墩全固結體系。橋梁為整體單幅橋，橫斷面布置為：0.75 m排水槽+0.5 m防撞護欄+2m緊急停車帶+10.75m機動車道（3.5m×2+3.25m+0.5m）+4 m塔區+10.75 m機動車道（3.5 m×2+3.25 m+0.5 m）+2 m緊急停車帶+0.5 m防撞護欄+0.75 m排水槽，總寬32 m。為減少施工期間對鐵路運營安全的影響，主橋采用轉體法施工。主橋立面及橫斷面布置分別見圖1~圖3。

圖1 主橋立面布置（單位：m）

圖2 主橋橫斷面布置（索塔位置）（單位：m）

圖3 主橋1/2橫斷面圖（主跨跨中）（單位：mm）

2 主要技術標準

（1）道路等級：城市主干道。

（2）設計車速：60 km/h。

（3）橋梁設計荷載：跨鐵路孔1.3×城A級。

（4）橋梁安全等級：一級，重要性系數1.1。

（5）橋梁設計環境類別：Ⅱ類。

（6）橋區抗震設防烈度：6度，地震動峰值加速度0.05 g。

3 橋梁方案設計

隨著城市建設日新月異，對橋梁景觀文化內涵的要求也與日俱增。該項目作為城市主干道上跨鐵路橋梁，除滿足基本交通要求、鐵路限界要求以外，還應契合地域特征，使之成為傳承歷史文脈的載體和宣揚城市特色的地標性建筑。橋梁位于城市中軸線之上，在此線位之上已有一座象征太陽的旭日斜拉橋，因此該橋選用獨塔斜拉橋方案，月亮造型放置于索塔塔頂，與旭日橋形成“日月同輝”的呼應效果。橋塔刻意規避了常規斜拉橋橋塔的呆板、生硬感受，使建筑與環境和諧共處，展現了橋梁結構的地標性和建筑美，見圖4。

圖4 橋梁夜景效果圖

4 橋梁結構設計[1-6]

4.1 上部結構

上部結構主梁采用混合梁結構，主跨采用鋼箱梁，邊跨采用預應力混凝土箱梁，在鋼結構和混凝土結構連接處采用鋼-混凝土組合結構連接。設計中心線處梁高為3 m，梁頂設1.5%的雙向坡，梁底水平，其中：

（1）鋼箱梁

采用正交異性板扁平流線形封閉鋼箱梁，總長153.42 m，全寬32.6 m，橋梁中心線處梁高3 m，鋼箱梁鋼結構采用Q345qE，局部受力較大區段采用Q390qE。標準段頂板厚16 mm，除局部范圍內采用板式加勁外，其余均采用U型加勁肋加勁。標準段底板厚14 mm，除局部范圍內采用板式加勁外，其余段均采用U型加勁肋加勁。全橋共設置8道腹板，其中錨腹板厚25 mm，標準段中腹板厚14 mm，并設置縱向及橫向加勁肋。橫隔板一般段厚度均為14 mm，拉索對應位置加強到20 mm，中支點、邊支點位置加強到28 mm。橫隔板標準間距為3 m，橫隔板需設置自身的縱、橫向加勁。

（2）預應力混凝土箱梁

預應力混凝土箱梁采用等截面預應力箱梁，總長101.45 m，采用單箱七室構造，中心線處梁高3 m，采用C50混凝土。頂板厚0.3~0.6 m，底板厚0.25~0.6 m，腹板厚40~90 cm。墩位處及拉索區均設置橫梁，橫梁采用預應力混凝土結構。

（3）鋼-混凝土結合段

本橋結合段采用部分截面連接承壓傳剪式，通過鋼梁端部40 mm厚承壓板將鋼梁端部的力傳遞給混凝土梁。過渡段鋼箱梁將頂、底板加厚至25 mm、腹板加厚至20 mm，并且頂、底板、腹板伸入鋼混結合段2.25 m。采用“U”肋上加焊“T”肋方式進行加勁，通過“T”肋高度的改變，逐漸變化至與鋼混結合段混凝土頂、底板相匹配，以保證傳力連續性。在頂底板、承壓板上布置圓柱鐓頭剪力釘外，還在鋼箱梁頂底板上加焊 PBL傳剪板埋入混凝土內，與焊釘共同起到傳遞剪力的作用。PBL剪力板作為主要連接件，其上開有Ф60 mm的圓孔，貫穿Ф20 mm的鋼筋。結合段預應力設計采用預應力鋼絞線方法，混凝土梁縱向預應力通過承壓板分別錨固在端承壓板上，增加結合段的整體性。

4.2 索塔

計入塔頂裝飾部分索塔全高100 m，塔頂圓形裝飾采用鋼結構，塔身采用混凝土結構，連接部位采用鋼-混凝土結合段。

混凝土部分塔高75.5 m，采用部分變截面設計。其中塔腳截面尺寸為4 m×8 m，順橋向寬度8 m，橫橋向寬度由4 m過渡到3 m，采用空心截面；30 m以上部分采用等截面設計，塔腳截面尺寸為3 m×8m，順橋向寬度8 m，橫橋向寬度為3 m，采用實心截面。混凝土材料標號為C50。混凝土塔施工工藝采用爬模分段澆注施工，因此需搭設勁性骨架作為模板支撐，勁性骨架也可提高混凝土的整體性能。

塔頂部分及月亮造型裝飾采用鋼結構，塔頂部分采用手型塔設計，該部位高3.5 m，底部截面尺寸為 4 m×8 m，采用板肋進行加勁。月亮型造型直徑18 m，底部伸入手型塔頂。鋼-混凝土結合段亦是主塔設計的關鍵部位，長度為2.7 m，采用常見的全截面連接承壓傳剪式，通過塔頂部的超厚承壓板將塔頂部的力傳遞給混凝土塔身，承壓板采用30 mm厚鋼板。過渡段塔壁加厚至20 mm、腹板加厚至16 mm。在側板上布置圓柱鐓頭剪力釘外，還在塔頂結合段設置一定數量的預應力鋼棒，使結合段受力均勻過渡。

4.3 斜拉索及錨固體系

本橋斜拉索采用單索面雙排索布置。塔上斜拉索與主塔交點在豎直方向間距約為4 m，主梁上水平方向索距約為12 m（鋼梁段）及6 m(預應力混凝土梁段)。全橋共有斜拉索24對、共48根。斜拉索采用單層PE防護單絲涂覆環氧涂層鋼絞線斜拉索體系，單根鋼絞線直徑15.2 mm，公稱抗拉強度1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105 MPa。斜拉 索 規 格 為 分 別 為 31-Φs15.2、37-Φs15.2、39-Φs15.2、43-Φs15.2、47-Φs15.2 和 55-Φs15.2，采用鋼絞線拉索群錨體系。每套斜拉索應為包含拉索及兩端錨頭、螺母、減震器、抗滑鍵配套系統、保護罩和防水罩的成套制品。外層防護采用雙層雙螺旋線HDPE護套，護套采用高耐久性的HDPE材料制作加工，雙螺旋線是在光面護套的基礎上加工出雙螺旋線，其外壁凸起的肋條可有效阻止雨水在風的作用下在護套表面形成水線，從而有效降低或阻止因風雨激振對拉索造成的不良振動，具有良好的抗風雨激振性能。

拉索與鋼箱梁的連接采用鋼錨箱構造形式，錨箱式索梁錨固結構主要由一塊承壓板、一塊錨墊板與兩塊承剪板組成。每塊承壓板的外側各設有加勁板，兩承剪板之間設置兩塊U形加勁板。拉索在混凝土梁上設置錨塊進行錨固。斜拉索在塔上的錨固方式采用鋼絞線在塔上通過集束鋼管貫通（索鞍）錨固方式。

4.4 轉體系統

轉體系統轉體結構由轉體下盤、球鉸、上轉盤、轉動牽引系統組成。

（1）轉體下盤。下盤為支承轉體結構全部重量的基礎，轉體完成后，與上轉盤共同形成基礎。下轉盤采用C50混凝土。下轉盤上設置轉動系統的轉體支座、保險撐腳環形滑道及轉體拽拉千斤頂反力座等。

（2）轉體支座。本次設計采用300 000 kN的轉體支座，直徑為Φ4 750 mm，高度為430 mm，是平轉法施工轉動體系的核心，它是轉體施工的關鍵結構。

（3）轉體上盤撐腳與滑道。上盤撐腳即為轉體時支撐轉體結構平穩的保險腿。從轉體時保險腿的受力情況考慮，轉臺對稱的兩個保險腿之間的中心線與上盤縱向中心線重合，使8個保險腿對稱分布于縱軸線的兩側。在撐腳的下方（即下盤頂面）設有1.1 m寬的滑道，滑道半徑為6 m，轉體時保險撐腳可在滑道內滑動，以保持轉體結構平穩。

（4）轉體上盤。上盤是轉體的重要結構，在整個轉體過程中形成一個多向、立體的受力狀態，上盤高4.9 m，布有縱、橫預應力鋼筋。轉臺直徑Φ13 m，高度0.8m。轉臺是球鉸、撐腳與上盤相連接的部分，又是轉體牽引力直接施加的部位。轉臺內預埋轉體牽引索，預埋端采用P型錨具。

5 創新點

（1）橋梁設計不僅僅要滿足使用功能，要隨著經濟和科學技術的發展而發展，在力學規律和美學法則的支配下，將是人文科學、工程技術和藝術三位一體的產物。由于橋梁橫跨交通線路之上而廣受關注，成為審美的對象。索塔塔頂設置月亮造型，通過夜景燈光變換表現月亮盈虧變換，打破了常規斜拉橋橋塔的造型呆板、傳統做法，將橋梁的功能性與建筑美學完美融合與統一，和諧地融入了周圍環境。

（2）將非對稱混合梁斜拉橋與轉體法施工相結合，不但能降低工程造價，而且非常適用于預制場地受限的工程，為以后類似跨鐵路橋梁的設計提供了新思路。為模擬施工階段及成橋運營階段的受力特征及其使用性能，利用有限元軟件模擬結合段在各種工況下的受力模式，有限元計算模型見圖5、圖6。通過計算結果表明結合段各個部位應力分布及過度較為均勻，沒有發生明顯突變，設計較為合理，為精細設計提供了理論支撐。

圖5 鋼混結合段有限元模型渲染圖

圖6 鋼混結合段有限元模型邊界圖

（3）橋梁采用非對稱獨塔混合梁斜拉橋，索塔兩側索力差異較大，采用常規拉索錨固形式均不能滿足使用要求。設計將交叉錨固形式與索鞍錨固形式相結合，采用傳統分絲技術設計索鞍，索塔兩側單根鋼絞線均穿過各自分絲管分別利用抗滑鍵錨固在索塔的相對一側，每一根鋼絞線為均可作為一個單獨的拉索系統，亦可以實現單根鋼絞線換索。在施工過程中，該拉索體系能滿足施工過程各個階段的受力，且施工較為簡便，為一種新型的斜拉橋拉索錨固系統。為了驗證該新型斜拉索錨固系統的安全性，同時驗證施工的可行性，進行了模型試驗進行驗證，見圖7、圖8，試驗取得了滿意的效果。

圖7 模型現場立面圖

圖8 模型現場側面圖

（4）為減少施工期間對鐵路運營安全的影響，主橋采用轉體法施工。轉體部分總重量達2.45萬t，轉體支座型號采用3.0萬t。球鉸的設計與施工、轉動體系布置、轉體施工準備及轉體穩定性控制是橋梁轉體施工中的關鍵技術，是一座橋梁安全、順利建成的保證。而實際上，這些技術在我國的理論研究并不深入，仍有較大的提升空間。目前工業鑄造領域的最大直徑單球鉸達到4.5 m，而直徑更大、噸位3.0萬t的單球鉸尚屬空白，本項目將設計直徑4.75 m，30 000 kN噸位的單球鉸進行安裝實屬首次應用，通過實踐與理論結合，用實踐檢驗理論，將促進我國橋梁轉體施工技術的進一步發展。

6 結語

隨著我國市政、交通建設的快速發展，上跨鐵路橋梁會越來越多，橋梁建設時除了滿足功能性及適用性以外，還要滿足景觀性的要求。希望本文介紹的這座橋梁結構的構造及創新對設計人員在設計類似項目中提供啟發與幫助。