聯塔分幅混凝土獨塔斜拉橋設計

李邦映， 胡小康

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司；公路交通節能與環保技術及裝備交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

隨著社會經濟的快速發展，公路的交通量不斷上漲，車道數逐漸增加，道路功能也不斷完善，特別是城市周邊或市政橋梁，考慮非機動車道和人行道后，橋面寬度能夠達到40～50 m，超寬橋梁不斷涌現。如采用常見的整幅式橋梁，則會帶來空間效應突出、內力狀態復雜、裂縫難以控制等問題，因此一般采用平行設置、完全獨立的雙幅橋梁。對于斜拉橋來說，采用聯塔分幅方案比較少見[1-4]。

該文以G237 蒙城繞城段一級公路改建工程渦河特大橋為例，詳述該橋橋型方案和構造的確定，供類似工程參考。

1 工程概況

G237 蒙城繞城段一級公路改建工程利用蒙城縣規劃東外環線位，城鎮交通將十分繁忙，同時也是蒙城縣重要的對外交通通道，將吸引大量的過境交通。

渦河特大橋位于該項目與渦河的交匯點，如圖1所示。渦河現為Ⅳ級航道，航道繁忙，周邊總體地勢平坦，自然環境良好，現狀以農田和工業用地為主。根據工程地質調繪和鉆孔揭露情況，橋位區地層主要為淤泥質粉質黏土、粉質黏土、粉土及粉砂，未揭露到基巖。

圖1 橋位平面圖

2 主要技術標準

(1)道路等級：一級公路兼具城市道路功能。

(2)設計車速：60 km/h。

(3)汽車荷載：公路-I級[5];人群荷載：2.5 kN/m2。

(4)設計基準期：100年。

(5)通航等級：天然和渠化河道Ⅳ級，通航凈高不小于8 m，最高通航水位26.13 m，最低通航水位16.34 m。

(6)橋面寬度：2×23.75 m。

3 總體設計

3.1 橋跨布置與橋型方案選擇

該橋跨越Ⅳ級航道，通航凈寬不小于90 m，由于受道路線位限制，橋位處于航道彎曲段，航道半徑為330 m，路線法線與航道交角為17°，考慮彎道和橫向流速加寬、橋墩防撞設施和紊流影響以及橋墩礙航寬度后，通航孔跨徑不小于163.5 m，主跨跨徑取整采用165 m是滿足通航安全要求的。

由于該橋位于城市外環，跨越渦河濱水風光帶，景觀要求較高，通過對適用的部分斜拉橋、系桿拱橋、自錨式懸索橋、雙塔三跨斜拉橋和獨塔不對稱斜拉橋進行方案比選，并結合地方意見，最終選擇景觀效果突出而又造價經濟、養護較易的混凝土獨塔不對稱斜拉橋。

由于邊跨位于基本無水的河道漫灘，施工方便，為滿足混凝土斜拉橋平衡受力需求和經濟性要求，結合跨堤引橋跨徑布置，邊跨采用123 m的較小跨徑，邊中跨比為0.745，為了提高整體剛度，在邊跨設置了一座輔助墩。

綜上所述，斜拉橋跨徑組合為(165+83+40)m，采用混凝土獨塔不對稱方案，如圖2所示。為平衡邊中跨水平力，采用塔梁固結體系。

圖2 橋型布置圖(單位：m)

3.2 主梁

標準橋面寬度為2×23.75 m，考慮兩側拉索錨固區寬度后橋梁寬度超過50 m，如采用整幅式斷面，因梁高受橫向控制，將導致主梁混凝土方量大幅增加，基礎、塔、梁、斜拉索工程量增加，施工困難、施工措施費用提高，從而導致工程造價顯著提高；主梁空間效應明顯[1]，不利于拉索軸力全截面擴散，也會引起局部應力集中，不利于結構受力；橫向受力復雜，收縮、徐變引起的混凝土裂縫難以控制[3]，因此，主梁推薦采用分幅式斷面，如圖3所示。

圖3 主梁標準斷面圖(單位：cm)

單幅主梁全寬26.35 m，主梁中心處梁高2.6 m，橋面2%橫坡通過主梁整體旋轉實現；標準段采用剛度較大、預應力容易布設的雙邊箱梁斷面，主梁頂板厚0.3 m，底板厚0.35 m，斜腹板厚0.3 m，直腹板厚0.4 m；邊跨現澆段由于配重需要采用單箱四室斷面，底板厚度0.6 cm。主梁標準節段長8 m，每8 m設置一道橫梁，橫梁箱室內厚0.5 m，箱室外厚0.4 m，橫梁底部采用馬蹄型斷面；邊跨現澆段橫梁間距為6 m和3.4 m，橫梁厚0.5 m。主梁采用C55混凝土。

3.3 主塔

對應主梁分幅，如果主塔左、右幅完全獨立設置，將會導致工程量增大、占地增多、造價提升等問題，景觀效果也較差，由于處于航道彎曲段，礙航寬度會進一步加大，影響通航安全性，因此，主塔推薦采用聯體方案。

主塔采用簡潔古樸的三柱式聯體寶鼎形塔,如圖4所示。塔柱豎直，塔柱總高98.824 m，中塔肢下塔柱高21.324 m，上塔柱高77.5 m；邊塔肢下塔柱高20.824 m，上塔柱高78 m，塔柱采用矩形截面。順橋向，上塔柱寬6.5 m，中塔肢壁厚1 m，邊塔肢壁厚0.7m；下塔柱寬由6.5 m直線變化至塔底8 m，為降低對水流的影響，倒角由半徑0.3 m變化為2 m，中塔肢壁厚1.2 m，邊塔肢壁厚0.9 m，塔底設置3 m厚實心段。橫橋向，中塔肢上塔柱寬6 m，邊塔肢上塔柱寬5 m，壁厚均為1.2 m；中塔肢下塔柱寬由6 m直線變化至塔底8 m，邊塔肢下塔柱寬由5 m直線變化至塔底7 m，壁厚均為1.3 m。塔肢之間設置上橫梁和下橫梁，橫梁采用單箱單室斷面，塔頂設置4.6 m高塔冠。

圖4 主塔立面圖(單位：cm)

每根塔肢下均設置矩形承臺，承臺高6 m，中塔肢承臺橫、順橋向寬均為22.95 m，邊塔肢承臺橫、順橋向寬分別為16.7 m和22.95 m，承臺之間通過系梁連接形成整體，全橋共設置42根直徑2.5 m的鉆孔灌注樁。

塔柱采用C50混凝土，承臺采用C35混凝土，樁基采用C30水下混凝土。

3.4 斜拉索

相比于平行鋼絲斜拉索，鋼絞線斜拉索具有運輸和安裝方便、造價較低、耐久性較好、后期能夠單根換索、養護難度較低等優點[6]，因此針對該橋推薦采用鋼絞線斜拉索。

斜拉索采用四索面扇形布置，單幅主梁斜拉索邊、中跨側各19對，全橋共76對，拉索型號有34、37、43、55、61、73六種，梁上標準間距為8 m，塔上標準間距為2 m，均采用齒塊方式錨固。斜拉索采用標準強度1 860 MPa、公稱直徑15.2 mm的單絲涂覆環氧涂層鋼絞線。斜拉索表面采用抗風雨振措施，拉索外護套采用雙螺旋線型HDPE圓管外護套。根據斜拉索自振頻率，M3～M19、S3～S19拉索在主梁處設置減振阻尼。

3.5 輔助墩、過渡墩

輔助墩和過渡墩均采用雙柱式橋墩，墩身為矩形截面，橫橋向墩柱頂寬2.7 m、墩柱凈距7.3 m，墩柱底寬2.2 m、墩柱凈距5.6 m，通過墩頂6.15 m高度范圍進行變化；順橋向輔助墩墩柱寬3 m，過渡墩由于支座安裝需要，墩柱頂寬4 m、底寬3 m，通過墩頂4 m高度范圍進行變化。為降低對水流的影響，墩身設置半徑0.6 m的圓弧倒角。距墩頂0.5 m設置一道系梁。墩底設置啞鈴型承臺，下設4根直徑2 m的鉆孔灌注樁。

墩身采用C40混凝土，承臺采用C30混凝土，樁基采用C30水下混凝土。

4 結構分析結果

4.1 總體分析模型

由于結構受力不對稱，斜拉橋總體分析需要建立空間模型，如圖5所示。主梁和主塔采用梁單元，斜拉索采用桁架單元，斜拉索通過剛性連接與塔、梁進行固定。該橋采用先塔后梁、主梁掛籃懸澆的常規施工方案，計算模擬了整個施工流程，根據施工過程施加對應邊界條件，并按照m法考慮樁-土作用[7]。

圖5 總體計算模型

除了恒載、汽車和人群荷載以及收縮徐變外，模型中還考慮了以下主要作用[1,8]：

(1)均勻溫度：合龍溫度取20℃，體系升溫14℃，體系降溫-23℃；

(2)主梁豎向梯度溫度：主梁上、下緣溫差采用非線性梯度溫度14℃、5.5℃、0℃，反溫差取正溫差的-0.5；

(3)斜拉索與塔、梁間溫差：±10℃；

(4)主塔梯度溫度：考慮塔柱正溫差5℃，負溫差-5℃影響；

(5)基礎變位：輔助墩、過渡墩基礎沉降0.005 m，主塔基礎沉降0.015 m。

(6)風荷載：按照《公路橋梁抗風設計規范》(JTG/T D60-01-2004)進行取值。

4.2 主要分析結果

(1)主梁。正常使用極限狀態頻遇組合下，主梁上、下緣正截面壓應力最小值均為1.3 MPa，主梁正截面抗裂滿足全預應力混凝土構件要求；使用階段主梁上、下緣正截面壓應力最大值分別為15.4 MPa和16.5 MPa，混凝土正截面壓應力均不超過C55混凝土抗壓強度標準值的0.5倍即17.7 MPa[9]。

主梁在車道荷載(不計沖擊力)作用下的最大豎向撓度為0.073 m，小于主跨的1/500即0.33 m[8]，主梁剛度是足夠的。

由于采用分幅結構，結構非對稱帶來的恒載不平衡造成主梁橫橋向最大水平位移僅為2.9 mm，對主梁的受力影響可以忽略不計；汽車荷載下主梁橫橋向最大水平位移達到12.8 mm，但由于汽車荷載下的主梁應力水平比較低，對主梁受力影響很小。因此，結構分幅對主梁受力影響比較小。

(2)主塔。內側斜拉索錨固在中塔肢，外側斜拉索分別錨固在兩側邊塔肢上，中塔肢受力要顯著大于邊塔肢，但基于美觀考慮，邊、中塔肢外觀尺寸上比較接近，通過壁厚調整，邊、中塔肢應力水平控制在同一水平上，但仍具有一定差異；在活載作用下邊、中塔肢順橋向位移基本保持一致，兩者相差僅為0.2 mm。因此，聯塔分幅對主塔受力影響較大，應通過塔柱構造優化予以改善。

(3)斜拉索。運營階段外側斜拉索最大拉應力為732 MPa，內側斜拉索最大拉應力為721 MPa，安全系數均超過2.5[8]。恒載不平衡造成內、外側斜拉索索力差值達到14 MPa，距離索塔越遠，索力差值越小，斜拉索選型、下料及導管設計與預埋時應注意。

(4)整體穩定性。第一類穩定安全系數為25.7，結構整體穩定性滿足要求[8]。

5 結束語

渦河特大橋由于超寬的橋面而采用聯塔分幅結構，主梁采用分幅式雙邊箱梁，主塔采用簡潔古樸的三柱式聯體寶鼎形塔，與常規斜拉橋相比，具有以下特點：

(1)受力合理，造價更優。相比整幅結構，聯塔分幅結構主梁梁高降低，斜拉索避免采用更大型號，空間效應顯著改善，利于結構受力；相比平行分離結構，本結構避免多設置一根塔肢，既降低了工程造價，又有利于節約用地。

(2)對結構分析和構造設計要求更高。聯塔分幅結構帶來的結構和荷載不對稱，對主梁影響可以忽略，但對主塔和斜拉索影響較大，主塔構造獨特，空間效應明顯，需要建立空間模型進行結構受力分析，并加強構造設計。