浮山縣丞相河特大橋主橋結構設計

關 偉

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

PC矮塔斜拉橋即部分斜拉橋，其主梁的高跨比值大于一般斜拉橋，其橋型是介于斜拉橋與連續梁之間，整體剛度主要由梁體提供，斜拉索對主梁的剛度起加強作用[1-3]。國內常見的矮塔斜拉橋橋塔多呈“1字”形，斜拉索一般布置于橋面中心線處，多為單索面布置，斜拉索在主梁的抗扭性能方面存在不足[4]，而外傾式雙索面矮塔斜拉橋橋塔呈“Y形”，斜拉索扇形布置于橋面兩側，索面呈外傾狀，斜拉索對主梁的抗扭性能貢獻要優于“1字”形矮塔斜拉橋，加之“Y形”主塔造型獨特，使橋梁結構輕盈靈動、整體美觀效果提升。

1 工程概況

浮山縣丞相河特大橋位于山西省臨汾市浮山縣城柏村附近，是浮山縣城至北王公路改造工程全線中的控制性工程，該橋北接柏村，南連南霍村，橋梁跨越丞相河。丞相河河谷呈“W”形，兩岸沿線地勢陡峻，屬黃土梁塬、峁區，橋址處揭露地層巖性由上至下表現為：黏土、卵石土、泥巖、砂巖，橋址處地形、地質條件復雜。丞相河特大橋橋梁跨徑組成為：4×40 m T梁+（87+160+87）m雙塔斜向雙索面PC矮塔斜拉橋+6×40 m T梁+（87+160+87）m雙塔斜向雙索面PC矮塔斜拉橋 +6×40 m T梁，橋梁全長1.316 km，橋跨在“W”形河谷兩溝分別設置相同結構的雙塔斜向雙索面PC矮塔斜拉橋，主溝、次溝主橋主塔高度分別為111 m、106 m、107 m、94 m，橋梁平面位于直線段上。主溝主橋橋型布置圖見圖1。

圖1 主溝主橋橋型布置圖（立面）（單位：cm）

2 主要技術標準

a）公路等級：一級公路；b）設計速度：80 km/h；c）橋面寬度：橋面全寬28 m，其中拉索區2×1.0 m，人行道2×2.5 m，車行道2×9.5 m，中央分隔帶2.0 m；d）汽車荷載等級：公路 -I級；e）人群荷載：3.5 kN/m2；f）設計基本風速：27.7 m/s（重現期 100年）；g）地震動加速度峰值：0.20g，基本烈度Ⅷ度；h）設計洪水頻率：1/300；i）通航要求：無。

3 主橋結構設計

3.1 主橋結構力學平衡機理

主橋結構力學元素主要由三大部分組成，即主梁、斜拉索、外傾式主塔。取橫橋向1/2主塔結構對主橋結構力學平衡機理進行分析，主橋結構梁、索、塔空間位置見圖2，主梁、主塔空間受力見圖3、圖4。

圖2 主橋梁、索、塔空間位置圖

圖2中主塔上塔柱塔肢軸線CN與橋梁中心線夾角α為主塔外傾角度，斜拉索軸線Sx、Sd與主塔上塔柱塔肢軸線CN相較于點C，A1、A2點為斜拉索在主梁翼緣外側的錨固點，A1CA2三角形所形成的面為斜拉索索面，θ角為主塔塔肢軸線CN與斜拉索索面A1CA2間的夾角，主橋結構的力學平衡主要依靠斜拉索索面A1CA2與主塔上塔柱塔肢軸線CN所形成的夾角θ來平衡，θ角的存在使主橋結構在力學和橋梁美學上達到了完美的融合，致使主橋結構主梁、斜拉索、主塔三者的結構平衡，且使橋塔結構造型美觀、橋塔外傾橋面視野開闊。

從圖3可以看出，由于主塔塔肢外傾，斜拉索Sx、Sd對主梁索梁錨固點 A1、A2處的作用力 Fx、Fd可以分解為沿橫橋向的分力Fh1、Fh2,沿縱橋向的分力Fz1、Fz2，沿豎橋向的分力 Fs1、Fs2。橫橋向分力對稱于橋梁中心線向橋面外側，橫橋向分力使主梁橋面板橫向受拉，在索梁錨固點A1、A2附近設置橫隔梁就很有必要了，且在橫隔梁中可根據主梁結構橫向實際受力設置一定數量的預應力?？v橋向分力對稱于主塔中心線且指向主塔中心線，在主梁懸臂澆筑過程中，隨著主梁長度的增長，塔梁交界部處主梁截面的壓應力會逐漸增大，靠塔側無索區梁段設計為變截面對主梁的安全、穩定就顯得重要了。豎橋向分力對主梁的抗彎剛度起輔助增強作用，可承擔梁體承載能力部分的荷載效應[5]。斜拉索對主梁的力主要依靠橫隔梁傳遞到箱梁腹板上，在主梁箱梁懸臂板外側設置縱梁及在橋面板下設置橫隔梁就很有必要了。

圖3 主梁空間受力圖

圖4 主塔空間受力圖

從圖4可以看出，斜拉索Sx、Sd在主塔塔肢軸線CN上錨固點C處的作用力Fx、Fd可以分解為沿縱橋向的分力Fx1、Fd1及沿A1CA2索面內的分力Fm1、Fm2，Fm1、Fm2兩分力的合力可分解為沿主塔軸線CN向下的壓力Ft和垂直于主塔軸線向橋梁中心線方向的拉力Fp壓力Ft對主塔結構“瘦腰”段（即橋塔中橫梁處塔肢部位）處塔肢截面應力影響較大，這在設計時應予以高度重視。拉力Fp對主橋成橋階段主塔的安全、穩定性起到關鍵性作用，但在主塔施工完成階段主塔的安全、穩定性還需設置臨時塔冠橫橋向預應力束來保證，所以外傾式矮塔斜拉橋主橋結構斜拉索索面A1CA2與主塔塔肢軸線CN間的夾角θ對主塔結構的力學平衡具有重要意義。

3.2 主梁設計

主梁采用單箱雙室箱形截面，采用C55號水泥混凝土，箱梁頂板以箱梁中心線向兩側設置2%人字形橫坡。箱梁中心線處主梁根部梁高為5.0 m，跨中及拉索區段梁高均為3.5 m。箱梁頂板厚度為0.28 m，底板厚度為0.28～1.35 m，腹板采用直腹板，其厚度為0.6～1.2 m，懸臂板長度5.0 m。主梁以主塔對稱向兩側分為3個區段：靠塔側無索區梁段（主梁為變截面）、拉索區梁段（斜拉索主梁錨固區，主梁為等截面）、跨中側無索區梁段（主梁為等截面）。靠塔側無索區梁段設置成變截面箱梁不僅基于梁體掛籃懸澆施工、斜拉索施工完成后及成橋運營后梁體受力需求，且顧及橋梁主梁景觀效果的需求，靠塔側無索區梁段范圍內主梁高度按1.7次拋物線變化。主梁每隔4 m在縱橋向設置橫隔梁一道，橫隔梁厚度在無索區厚0.25 m，在有索區厚0.55 m。上部結構主梁采用三向預應力體系，在拉索區梁段橫隔梁中設置橫隔梁橫向預應力。主梁在0號塊橫隔板及兩邊跨現澆段底板上設置人孔。上部結構主梁典型橫斷面及拉索區主梁典型橫斷面見圖5。

圖5 主梁典型橫斷面圖（1/2跨中及根部）（單位：cm）

3.3 主塔設計

圖6 主塔一般構造圖（5號主塔）（單位：cm）

主塔造型橫橋向呈“Y字形”，采用C50混凝土。主溝、次溝主橋主塔外形一致，主塔一般構造圖見圖6。主塔橫橋向布置左右兩肢，用上、中、下3道橫梁進行連接。主塔截面可分為3部分：上塔柱有索區、上塔柱無索區及下塔柱，上塔柱有索區為實心圓角矩形截面，上塔柱無索區及下塔柱均為空心箱形截面，主塔倒角半徑為20 cm，主塔上塔柱高為25 m。主塔上塔柱左右肢軸線相交于橋面以下28.718 m處，主塔外傾角度為22°。上塔柱塔肢橫橋向寬度2.5 m，縱橋向寬度4 m，塔底截面橫橋向寬3.932 m，縱橋向寬5.908 m，橋塔塔肢間距為10 m。橋塔承臺采用實體式承臺，其尺寸為（18.5×26×4.5）m，基礎采用直徑2.0 m鉆孔灌注樁基礎，平面布置18根樁基，主塔構造見圖6。

3.4 斜拉索設計

主橋斜拉索扇形布置于橋面兩側，索面呈外傾狀，全橋共布置128根斜拉索，斜拉索采用61-Φs15.2 mm和73-Φs15.2 mm環氧噴涂鋼絞線，單股鋼絞線規格直徑為15.2 mm，鋼絞線標準強度fpk=1 860 MPa。拉索錨具采用可換索式250型15.2-61和250型15.2-73群錨體系。主梁拉索錨固縱橋向索距4 m，主塔拉索錨固豎橋向索距1.5 m。主塔上斜拉索通過索鞍貫通，主塔側設置抗滑裝置，主梁上設置斜拉索混凝土錨固塊，在主梁錨固塊處對斜拉索進行張拉。環氧噴涂鋼絞線采取3道防腐措施，即環氧樹脂層、防腐油脂層、HDPE層確保了環氧噴涂鋼絞線的防腐蝕。

4 主橋結構計算

4.1 有限元建模

主橋結構采用有限元軟件建立橋梁模型計算，斜拉索采用桁架單元模擬，通過設置剛性桿件模擬主梁與斜拉索之間、主塔與斜拉索之間的連接。主塔墩底采用固結約束，主梁與主塔上橫梁采用固結約束，拉索與主塔及拉索與主梁錨固點處采用固結約束，主梁伸縮端下設3個抗震盆式支座，邊支座為雙向活動支座，中支座為單向活動支座。主橋結構空間模型見圖7。

圖7 主橋結構空間模型圖

4.2 靜力計算

主橋斜向雙索面矮塔斜拉橋結構體系為剛構體系，即塔、墩、梁固結體系，主橋主梁采用懸臂澆筑法施工，主橋結構按照實際施工流程對結構進行施工階段及成橋階段的計算，綜合考慮結構恒載、預應力、混凝土收縮徐變、活載、溫度荷載、風荷載等對結構效應的影響，按照規范對承載能力極限狀態及正常使用極限狀態進行計算，及裂縫、撓度、應力等各項規范要求的指標進行計算，通過計算各項指標均滿足規范要求[6]。

活載作用下主橋結構豎向撓度5.3 cm，撓跨比為1/3 018，滿足規范規定的1/600限值要求[7]。

主梁靜力計算時容易忽略的計算荷載為斜拉索重量及索梁、索塔間的溫差，這在設計中應當予以重視，因從計算結果中可知索塔連接點、索梁連接點兩點的索力是不一樣的，這對橋塔索鞍局部應力分析具有重要意義，以確保橋塔索鞍的安全。主橋結構靜力計算關鍵點是對斜拉索索力與主梁預應力的掌控，為得到理想的斜拉索布設及預應力布置軌道，需要反復調整斜拉索初張力及預應力的配置，以便使結構受力、變形合理且滿足規范要求[8]。

4.3 動力計算

4.3.1 抗震計算

根據《公路橋梁抗震設計細則》（JTG/T B02-01—2008）、橋位地質勘查報告、工程場地地震動參數復核報告，橋梁抗震設防類別為A類，橋址處場地類別為Ⅲ類，抗震設防烈度為8度，地震動反應譜特征周期為0.40 s。E1、E2地震水平設計加速度反應譜最大值分別為4.414 5、7.504 6。通過計算主橋結構動力特性前4階結構自振頻率及振型特征見表1。

表1 主橋結構前4階自振頻率及振型特征

主橋結構采用反應譜方法進行抗震分析，采用永久作用+E1地震荷載及永久作用+E2地震荷載兩種荷載組合對結構進行承載能力極限狀態驗算，通過計算主橋結構各項指標均滿足規范要求。

4.3.2 抗風計算

對主橋結構施工階段最大懸臂狀態及成橋狀態分別進行了風致顫振穩定分析，橋梁顫振臨界風速均大于顫振檢驗風速，滿足規范要求[9]。由表2主橋風致顫振穩定計算結果可知主橋結構風穩安全。

表2 主橋風致顫振穩定計算結果 m/s

4.4 穩定性計算

根據主橋施工過程和成橋運營后的實際情況對結構進行第一類穩定計算[10]，分別計算主橋在工況1～工況5情況下的結構穩定安全系數和失穩模態特征。

a）工況1 單個主塔施工完成結構自重；

b）工況2 最大懸臂施工階段結構自重；

c）工況3 成橋階段結構自重；

d）工況4 成橋階段結構自重+二期恒載；

e）工況5 成橋階段結構自重+二期恒載+風荷載；

f）工況6 成橋階段結構自重+二期恒載+車道荷載+人群荷載。主橋穩定安全系數λ見表3。

表3 主橋穩定安全系數λ

由表3可知：從工況1～工況6結構穩定安全系數及結構失穩模態來看，外傾式雙索面矮塔斜拉橋第一階失穩模態主塔均表現為主塔縱橋向側彎，尤其在最大懸臂施工階段時，結構穩定安全系數為5.1，相比其他工況為最小，所以該種橋型Y型主塔在構造設計時應予以重視，結構第一類穩定性為荷載對結構剛度影響的問題，必要時可以增強結構的彈性剛度，即加大主塔的縱橋向構造尺寸，使結構的穩定安全系數增大。

4.5 主橋塔梁結合部計算

主橋塔梁結合部構造及受力復雜，此處桿系結構分析已失真，所以必須對塔梁結合部進行三維實體分析，以便掌握結構此處的真實應力狀況。通過塔梁結合部實體模型計算，結構各項應力指標滿足規范要求。在塔梁結合部構造設計中，主塔下橫梁設置成弧形，不僅使結構受力更加合理，可以降低上橫梁跨中截面的拉應力，且使主塔美觀效果得以提升。

5 結語

浮山縣丞相河特大橋作為浮山縣丞相河生態綜合治理工程中的景觀橋梁，Y形主塔是同類PC矮塔斜拉橋中少見的形式，其結構新穎、造型美觀、構思巧妙，主塔呈Y字形并向橋面兩側傾斜，似人雙臂張開呈迎接美好未來之勢，寓意浮山縣人民厚德載物，有容乃大之意。加之斜拉索似彩帶般迎風飄揚，給人以“靜中有動，動中有靜”的感覺，橋型效果有明顯的標識性。斜拉索外傾將主塔向內拉起，利用斜拉索索面與主塔塔肢軸線形成的夾角確保了橋塔結構的穩定。四塔兩兩成對，遙相呼應，更顯橋梁的優美輕盈。目前該橋正在進行主塔樁基施工，該橋建成后將成為浮山縣丞相河上的一座標志性建筑，同時該橋梁的結構設計也可供同類型橋梁在方案設計時參考。