崇左大橋主橋總體設(shè)計(jì)分析

李春

摘要：文章系統(tǒng)地介紹了崇左大橋的總體設(shè)計(jì)情況，并分析了各重要構(gòu)件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以供類似橋梁工程設(shè)計(jì)借鑒參考。

關(guān)鍵詞：崇左大橋;外傾式橋塔PC矮塔斜拉橋;雙肢實(shí)體墩;景觀特大橋

This article systematically introduces the overall design of Chongzuo Bridge and analyzes the design points of each important component to provide reference for similar bridge engineering design.

Chongzuo Bridge;Extraverted pylon PC lowtower cablestayed bridge;Doublebody physical pier;Landscape bridge

0 引言

崇左大橋位于崇左市西北部，是連接龍峽山西路與名仕大道的一座跨江特大橋。該橋擬打造成為崇左市地標(biāo)性建筑，該橋景觀造型經(jīng)過多次比選，最終成型于方案設(shè)計(jì)階段。橋梁墩塔呈現(xiàn)雙手托舉造型，寓意高舉雙手，歡迎八方來客，體現(xiàn)崇左市開放、包容、熱情好客的城市文化形象。該橋造型優(yōu)美流暢，但也存在結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜的情況。本文圍繞為實(shí)現(xiàn)該橋新穎獨(dú)特的景觀造型，詳述了該橋從總體布置到結(jié)構(gòu)選型，再到各關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)的情況，為同類型橋梁的建設(shè)提供借鑒參考。

1 橋梁總體布置

本橋跨越左江，橋下通航標(biāo)準(zhǔn)為Ⅲ級(jí)航道，雙向通航，通航孔寬110 m。在適應(yīng)航道通航要求的情況下，主墩布置應(yīng)避開深水區(qū)施工，同時(shí)應(yīng)避免岸坡的大面積開挖，綜合考慮兩岸地形以及規(guī)劃道路的情況，橋梁跨徑最終選定在105 m+190 m+105 m=400 m。本項(xiàng)目路線起終點(diǎn)接現(xiàn)狀道路，橋面高程同時(shí)受到通航凈空、三百年一遇洪水以及現(xiàn)狀道路的約束，調(diào)整余地有限，因此該橋主梁高度受到了限制。此外，本橋?yàn)槌鞘兄鞲傻赖囊徊糠郑措p向六車道設(shè)計(jì)，為完整地實(shí)現(xiàn)道路的通行功能，兩側(cè)布置非機(jī)動(dòng)車道及人行道，導(dǎo)致橋面寬度達(dá)到39 m。因此寬橋、矮梁以及外傾式橋塔是主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不可避免的難點(diǎn)。

2 橋梁結(jié)構(gòu)選型

橋梁造型決定了該橋必須采用外傾式橋塔，且橋塔間無橫向聯(lián)系，橋塔本身是一根外傾式懸臂梁，受到材料強(qiáng)度的限制，橋塔高度不能做得太高。從結(jié)構(gòu)受力角度上看，主橋合理的橋型應(yīng)為矮塔斜拉橋，即利用了斜拉索降低主梁高度，也可通過較低矮的外傾式橋塔實(shí)現(xiàn)橋梁的景觀造型。如圖1所示。

大跨徑主梁自重較大，不宜采用大噸位支座;此外考慮減少橋墩和主梁的變形等因素，主橋采用塔墩梁固結(jié)的結(jié)構(gòu)體系。該體系的受力特點(diǎn)為：（1）由橋墩、主梁構(gòu)成連續(xù)剛構(gòu)體系，為全橋主要受力構(gòu)件，承擔(dān)主橋的大部分荷載;（2）在連續(xù)剛構(gòu)體系上增加橋塔及斜拉索，分擔(dān)主梁受力，對(duì)主梁起到輔助受力作用;（3）橋塔與主梁0#塊之間采用一個(gè)鋼混結(jié)合段實(shí)現(xiàn)索塔與主梁的連接，傳遞索塔的荷載;（4）該體系對(duì)溫度變化以及支座沉降較為敏感，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段應(yīng)采取措施降低其不利影響。

3 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

主橋基礎(chǔ)采用樁基接承臺(tái)形式，每個(gè)承臺(tái)設(shè)置14根2.2 m的鉆孔灌注樁，樁基分2排布置。樁基長(zhǎng)約10 m，均按端承樁設(shè)計(jì)，并嵌固于完整基巖中。主橋基礎(chǔ)的不均勻沉降極小，對(duì)于該橋結(jié)構(gòu)體系而言，消除了一個(gè)不利的受力因素。

3.2 橋墩設(shè)計(jì)

橋墩是關(guān)系該橋結(jié)構(gòu)體系是否成立的一個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，橋墩設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下三個(gè)因素：（1）橋墩與橋塔相協(xié)調(diào)的外形;（2）橋墩抗彎、抗推剛度;（3）橋墩縱向、橫向承載能力。橋面高程受現(xiàn)狀道路約束，導(dǎo)致主墩高度僅有22 m，這對(duì)于該橋的結(jié)構(gòu)體系而言是不利因素。由于墩高較矮，橋墩的抗推剛度大，而橋墩抗推剛度與體系對(duì)溫度的敏感性呈正相關(guān)趨勢(shì)。為減少體系降溫、混凝土收縮、徐變對(duì)主梁內(nèi)力的影響，如何選擇橋墩的截面形式成為關(guān)鍵。即橋墩抗推剛度適中，使橋墩與主梁剛?cè)峤y(tǒng)一，又能支承上部結(jié)構(gòu)傳遞的荷載，并確保施工期間的穩(wěn)定性。

橋墩順橋向?qū)挾仁艿浇Y(jié)構(gòu)造型限制僅為5.5 m，除實(shí)體橋墩、箱型橋墩外，本橋創(chuàng)造性地提出雙肢實(shí)體橋墩形式，即把實(shí)體橋墩沿順橋向?qū)ΨQ分為兩部分，兩肢之間留10 cm縫隙，如圖2（c）所示。

經(jīng)有限元分析，同等寬度下雙肢實(shí)體墩抗推剛度約為實(shí)體橋墩的1/4，為箱型橋墩的1/3，且隨著結(jié)構(gòu)尺寸的增加，雙肢實(shí)體墩抗推剛度增長(zhǎng)率較低，因此在結(jié)構(gòu)抗推剛度增加不多的前提下，可較好地提高橋墩的承載力與穩(wěn)定性。至此，該橋兩個(gè)不利受力因素已被解決。經(jīng)計(jì)算比選，該橋采用雙肢實(shí)體墩形式，單肢寬取1.9 m時(shí)，已能滿足施工階段與運(yùn)營(yíng)階段的承載能力和穩(wěn)定性要求，抗震性能與構(gòu)造均符合規(guī)范要求。

3.3 主梁設(shè)計(jì)

對(duì)于主跨190 m的矮塔斜拉橋，選擇合理的主梁截面形式能有效減輕主梁自重，從而提升整橋結(jié)構(gòu)體系受力的合理性及經(jīng)濟(jì)性。箱梁斷面形式應(yīng)考慮以下因素：橋梁寬度、梁高、自重、施工養(yǎng)護(hù)、拉索布置、梁體剛度、承載力與穩(wěn)定性等。經(jīng)比選，箱梁采用單箱四室截面，外側(cè)斜腹板，腹板斜率2∶1，按三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3所示。

主梁墩頂無索區(qū)長(zhǎng)度為33 m，跨中無索區(qū)長(zhǎng)度為17 m;拉索布置區(qū)長(zhǎng)55 m，拉索錨固區(qū)布置于外側(cè)腹板兩側(cè)。主梁寬39 m，箱梁外懸臂長(zhǎng)1.5 m，箱梁底寬由根部28.57 m漸變至跨中33.07 m。主梁根部高8 m，跨中高3.5 m，梁高按1.8次拋物線變化。外側(cè)腹板厚80 cm，中腹板厚50～70 cm。箱梁底板厚度由根部110 cm漸變至跨中32 cm，箱梁頂板厚30 cm。

主梁0#塊長(zhǎng)8 m，每個(gè)T構(gòu)劃分為19個(gè)懸澆節(jié)段，節(jié)段長(zhǎng)度由根部至跨中分別為：2×3 m、2×3.5 m、4×4 m、1×5 m、8×5.5 m、2×6 m。

3.4 橋塔設(shè)計(jì)

橋塔是呈現(xiàn)整座橋梁造型的關(guān)鍵要素，此外橋塔結(jié)構(gòu)也是該橋重要的受力構(gòu)件。該橋采用的外傾式橋塔（見圖4）與常規(guī)橋塔結(jié)構(gòu)在受力上有所不同。由于每根索均為空間索，每根索的拉力方向與索塔軸線的平面夾角不相同，使橋塔在斜拉索與外荷載共同作用下，受力復(fù)雜。設(shè)計(jì)上采取以下兩種措施來改善橋塔受力情況：（1）在確保橋塔外形美觀的前提下適當(dāng)調(diào)整橋塔外傾角度，使其與索力方向基本接近，使橋塔在索力作用下盡可能處于軸力受壓狀態(tài)，減小偏心荷載效應(yīng);（2）在鋼結(jié)構(gòu)橋塔內(nèi)部設(shè)置剪力鍵，并填充微膨脹C50混凝土，使橋塔形成鋼箱混凝土結(jié)構(gòu)。此舉能大幅度地提升橋塔剛度，減少橋塔變形，增強(qiáng)橋塔承載力。

結(jié)構(gòu)計(jì)算表明，橋塔在填筑混凝土后，在車輛與人群荷載作用下，鋼箱混凝土橋塔頂部水平位移較鋼橋塔減少6.7 cm，約降低38%。此外，橋塔為偏心受壓構(gòu)件，鋼箱內(nèi)部填筑混凝土后，不僅解決了鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題，同時(shí)也因鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力迅速下降，可顯著提高橋塔結(jié)構(gòu)承載能力。鋼箱混凝土橋塔與鋼橋塔控制斷面的應(yīng)力對(duì)比如表1所示。

本橋采用鋼箱混凝土橋塔，充分發(fā)揮材料特性。橋塔利用鋼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了橋塔新穎的外形，同時(shí)鋼材良好的受力性能很好地解決了橋塔的復(fù)雜受力問題;利用混凝土自重大、剛度大的特點(diǎn)在鋼箱內(nèi)填筑混凝土提高了橋塔結(jié)構(gòu)承載能力及穩(wěn)定性，鋼箱混凝土橋塔受力性能優(yōu)良，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)良好，是較為合理的結(jié)構(gòu)布置形式（見圖5）。

3.5 斜拉索及其錨固構(gòu)造設(shè)計(jì)

斜拉索采用環(huán)氧涂層鋼絞線成品拉索，每根拉索采用55根s15.24 mm單層PE防護(hù)單絲涂覆環(huán)氧涂層鋼絞線。采用成品斜拉索，具備防腐性能優(yōu)良、索力可調(diào)、拉索可換等優(yōu)點(diǎn)。

全橋共有40對(duì)斜拉索，梁上索間距5.5 m，塔上索間距1.1 m。索塔布置在橋梁人行道外側(cè)，斜拉索利用鋼筋混凝土錨固齒塊錨固在主梁外側(cè)斜腹板上。斜拉索在索塔處的錨固采用利用了分絲技術(shù)的新型鞍座，每對(duì)斜拉索在塔上連續(xù)通過，在斜拉索出橋塔處設(shè)抗滑錨頭。橋塔順橋向?qū)ΨQ的斜拉索同步張拉。

4 結(jié)語

崇左大橋?yàn)橥鈨A式PC矮塔斜拉橋，在設(shè)計(jì)中，始終圍繞本橋的景觀造型開展工作。本橋采用塔墩梁固結(jié)體系，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用了鋼箱混凝土橋塔、雙肢實(shí)體橋墩等新穎的結(jié)構(gòu)形式。本橋采用了合理的結(jié)構(gòu)體系與結(jié)構(gòu)形式，打造了橋梁新穎優(yōu)美的造型，在橋梁景觀設(shè)計(jì)與項(xiàng)目投資之間取得了較好的平衡。本文詳述了崇左大橋的設(shè)計(jì)要點(diǎn)、亮點(diǎn)，可為今后同類型橋梁設(shè)計(jì)提供參考。

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