女山湖大橋部分斜拉橋總體設(shè)計(jì)與計(jì)算

談 亭

(安徽宏泰交通工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，安徽 合肥 230011)

1 工程概況

S257明光段改建工程位于明光市境內(nèi)，路線起于泊崗鄉(xiāng)老窯村蘇皖交界處，自北向南途徑柳巷鎮(zhèn)、潘村鎮(zhèn)、女山湖鎮(zhèn)及蘇巷鎮(zhèn)，并于女山湖鎮(zhèn)王咀村跨越女山湖，終點(diǎn)與在建的G104平面交叉，路線全長(zhǎng)約42.3 km。

女山湖大橋跨越女山湖Ⅳ級(jí)航道，路線法線與水流方向斜交角約7°，橋梁采用正交設(shè)計(jì)。主橋采用(80+140+80)m部分斜拉橋跨越主、副航道，跨北側(cè)大堤橋梁采用(30+50+30)m變截面連續(xù)箱梁，引橋采用30 m先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力小箱梁，橋梁全長(zhǎng)1 497.5 m，全寬26 m。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)道路等級(jí)：雙向四車道一級(jí)公路。

(2)設(shè)計(jì)荷載：公路-Ⅰ級(jí)。

(3)設(shè)計(jì)行車速度：80 km/h。

(3)通航標(biāo)準(zhǔn):天然渠化河流Ⅳ級(jí)通航，主通航孔凈空尺寸為120 m×8 m，兩側(cè)副通航孔凈空尺寸為60 m×8 m；最高通航水位16.3 m，最低通航水位12.95 m。

(4)抗震等級(jí)：橋位區(qū)域地震動(dòng)峰值加速度0.15g，抗震設(shè)防烈度為7度。

(5)設(shè)計(jì)洪水頻率：1/300。

3 總體設(shè)計(jì)

3.1 平、縱、橫布置

主橋橋梁平面中心線與橋位處道路中心線重合，全橋范圍內(nèi)道路中心線為直線。橋面縱斷面以主橋橋跨中線對(duì)稱線，變坡點(diǎn)設(shè)于K22+497，橋面縱坡為1.5%，變坡點(diǎn)處設(shè)半徑為20 000 m的曲線。

橋面寬度：2×[0.5 m(護(hù)欄)+11.0 m(行車道)+0.5 m(護(hù)欄)]+2.0 m(中分帶)，全寬26.0 m(圖1)。

圖1 橋梁跨中標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位：cm)

3.2 總體布置

橋梁跨越女山湖規(guī)劃Ⅳ級(jí)航道，根據(jù)通航專題的論證結(jié)果及相關(guān)要求，橋梁需預(yù)留單孔雙向通航主通航孔，兩側(cè)預(yù)留雙孔單向通航副通航孔，最終確定主橋跨徑為(80+140+80)m。通過對(duì)連續(xù)梁、部分斜拉橋、連續(xù)組合鋼拱橋三個(gè)方案的對(duì)比，綜合考慮橋梁受力、造價(jià)、景觀及后期養(yǎng)護(hù)難易程度等因素，主橋采用雙塔單索面雙排索預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋，為塔梁固結(jié)、梁墩分離結(jié)構(gòu)形式(圖2)。

圖2 主橋總體布置圖(單位：m)

全橋跨徑布置為：3.5 m(橋臺(tái))+16×30 m+(30+50+30) +12×30 m+(80+140+80) m+8×30 m+3.5 m(橋臺(tái))，橋梁全長(zhǎng)1 497.5 m，全寬26 m。其中主橋長(zhǎng)300 m，主塔橋面以上高26.8 m，全橋共設(shè)20對(duì)斜拉索，每個(gè)索塔10對(duì)，斜拉索扇形布置。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 上部結(jié)構(gòu)主梁設(shè)計(jì)

部分斜拉橋主梁要承受較大彎矩，整體剛度主要還是由主梁提供，邊中跨比更接近連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，在0.5～0.6[1]。本橋主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土整體式箱梁，邊中跨比為0.571，與同跨徑連續(xù)梁邊中跨比類似，箱梁中支點(diǎn)處高度4.8 m，跨中梁高度2.8 m，跨中高跨比1/50，支點(diǎn)高跨比1/29.2，梁高按2次拋物線規(guī)律變化，梁高較同跨徑下連續(xù)梁結(jié)構(gòu)有所降低。鑒于本橋跨徑不大，橋墩高度僅17 m，主梁結(jié)構(gòu)體系采用塔梁固結(jié)、梁底設(shè)支座，該形式適用于跨度不太大的橋梁，支座噸位不至于過大，該體系特點(diǎn)是塔根彎矩較小，塔兩側(cè)索力差較小，結(jié)構(gòu)的整體剛度較小[2]。

箱梁寬度為26.0 m，兩側(cè)懸臂均為4.25 m，采用單向三室斷面(圖3)。箱梁頂板厚28 cm，箱梁底板厚度30 cm，腹板厚度分別為50 cm、60 cm、70 cm。標(biāo)準(zhǔn)橫隔板每450 cm布置一道(拉索區(qū)布置)，并與斜拉索索距對(duì)應(yīng)。標(biāo)準(zhǔn)橫隔板中室處厚度為50 cm，邊室處厚度為30 cm。橋面橫坡2%由箱梁澆筑時(shí)形成。

圖3 中支點(diǎn)處主梁橫斷面(單位：cm)

主梁劃分為0#～17#節(jié)段，0#、1#節(jié)段在托架或支架上現(xiàn)澆，2～15#節(jié)段采用掛籃懸臂澆筑施工，16#塊為合龍段，17#跨為邊跨支架段。0#塊長(zhǎng)8.0 m，1#～2#塊長(zhǎng)3.0 m，3#～13#塊長(zhǎng)4.5m，14#～15#塊長(zhǎng)3.75 m ，合龍段長(zhǎng)2.0 m，邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)8.9 m。

主梁采用縱向和橫向體內(nèi)預(yù)應(yīng)力體系。縱向預(yù)應(yīng)力鋼束設(shè)置了頂板束、底板束和腹板下彎束，頂板束布置在負(fù)彎矩區(qū)，底板束布置在正彎矩區(qū)，頂板鋼束采用Φs15.2-16、Φs15.2-19、Φs15.2-9高強(qiáng)低松弛鋼絞線，；腹板下彎束布置在全橋腹板內(nèi)，采用16-Φs15.2高強(qiáng)低松弛鋼絞線；底板鋼束采用12-Φs15.2、16-Φs15.2、19-Φs15.2高強(qiáng)低松弛鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=1 860 MPa，底板縱向預(yù)應(yīng)力束分別錨固于齒板上，縱向預(yù)應(yīng)力鋼束均采用兩端張拉。

4.2 橋塔及索鞍

借鑒部分斜拉橋橋塔參數(shù)及無(wú)索區(qū)長(zhǎng)度參數(shù)敏感性分析[3]，主塔高26.8 m，其中主梁頂至索頂高22.8 m，采用鋼筋混凝土獨(dú)柱實(shí)心矩形截面，主塔截面順橋向長(zhǎng)3.8 m，橫橋向?qū)?.6 m，布置在中央分隔帶上，并與主梁固接。梁上塔根處無(wú)索區(qū)長(zhǎng)度20 m，無(wú)索區(qū)長(zhǎng)度與跨徑比為0.143；跨中無(wú)索區(qū)長(zhǎng)度19 m，無(wú)索區(qū)長(zhǎng)度與跨徑比為0.136；拉索區(qū)長(zhǎng)度41.5 m，梁上索距4.5 m。

塔身上部設(shè)鞍座，以便斜拉索通過。斜拉索橫橋向呈兩排布置，間距1.1 m，鞍座亦設(shè)兩排(圖5)。鞍座采用分絲管形式，鞍座內(nèi)部填充DUCTAL漿體(28 d抗壓強(qiáng)度不低110 MPa)，根據(jù)鋼絞線的根數(shù)在砂漿內(nèi)使用模具制成相應(yīng)孔數(shù)，來(lái)保證索體內(nèi)的所有鋼絞線均相對(duì)獨(dú)立。鞍座內(nèi)填充的防腐劑不得影響單根鋼絞線的更換。索體受力后，鋼絞線在鞍座內(nèi)被錨固來(lái)抵抗橋塔兩側(cè)的不平衡力。鞍座兩端不需要抗滑錨也不需要填充環(huán)氧養(yǎng)砂漿進(jìn)行粘結(jié)，以免影響單根鋼絞線的更換。索體自由段的防腐措施有：① 鋼絞線表面環(huán)氧涂層；②表面涂油脂；③ 外包PE護(hù)套；④ HDPE索體外套管。

圖4 拉索及索鞍裝配示意圖(單位：cm)

圖5 正常使用極限狀態(tài)上、下緣最小正應(yīng)力(單位：MPa)

4.3 斜拉索設(shè)計(jì)

斜拉索采用鋼絞線斜拉索。全橋斜拉索共10對(duì)，最長(zhǎng)索約133.82 m，最短索約51.06 m，單根重1.74～5.45 t，均采用成品索，錨具均采用15.2-31 、15.2-37夾片錨體系。每索上、下端套筒出口處均設(shè)置由黏彈性高阻尼材料制成的減振阻尼襯套，以減小或消除拉索的風(fēng)激振動(dòng)。索梁交接處還設(shè)置不銹鋼管以保護(hù)索體。斜拉索采用多層防腐系統(tǒng)，包括環(huán)氧涂層、涂油、PE護(hù)套和高密度聚乙烯外護(hù)套管，為消除風(fēng)雨震動(dòng)效應(yīng)，外護(hù)套管表面設(shè)置雙螺旋線。斜拉索錨具的疲勞性能應(yīng)滿足應(yīng)力幅200 MPa，45%鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)破斷強(qiáng)度為應(yīng)力上限，200萬(wàn)次應(yīng)力循環(huán)。

4.4 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

下部結(jié)構(gòu)墩柱采用門型橋墩，主墩截面基本尺寸為15.2 m×6 m，墩高17.0 m；主墩承臺(tái)平面為矩形，尺寸19.5 m×19.5 m，承臺(tái)厚5 m；主墩承臺(tái)接16根直徑2.0 m樁基。過渡墩截面基本尺寸為24.7 m×3.2 m，墩高為16.0 m。過渡墩承臺(tái)平面為矩形，尺寸19.5 m×9.3 m，承臺(tái)厚4 m。承臺(tái)接8根直徑2.0 m樁基礎(chǔ)，全橋樁基均按摩擦樁設(shè)計(jì)。

5 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

主橋總體計(jì)算采用平面桿系單元進(jìn)行模擬，采用MIDAS Civil 2019建立空間有限元模型復(fù)核驗(yàn)算。根據(jù)施工步驟進(jìn)行施工及運(yùn)營(yíng)階段模擬分析，按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)對(duì)施工階段及成橋階段進(jìn)行荷載組合計(jì)算。

通過模擬分析主橋施工及運(yùn)營(yíng)等各工況的受力情況，得到的主要計(jì)算結(jié)論如下：

(1) 本橋索梁活載比約為0.22，主要由混凝土主梁分擔(dān)豎向荷載，符合部分斜拉橋的受力特征[4]。

(2) 持久狀況正常使用極限狀態(tài)下正截面抗裂驗(yàn)：主梁在邊跨頂緣出現(xiàn)最小正應(yīng)力為0.4 MPa，跨中處梁底下緣最小壓應(yīng)力為2.9 MPa，跨中正應(yīng)力安全儲(chǔ)備較好，主梁截面全受壓，滿足規(guī)范要求[5]。

(3) 持久狀況正常使用極限狀態(tài)斜截面抗裂驗(yàn)算：主梁在正常使用極限狀態(tài)下最大主拉應(yīng)力為-0.84 MPa，滿足規(guī)范小于0.4ftk(1.096 MPa)，抗裂驗(yàn)算滿足要求。

(4) 持久狀況正常使用極限狀態(tài)下正截面最大壓應(yīng)力驗(yàn)算：主梁正截面最大壓應(yīng)力值為16.2 MPa，小于0.5fck=17.75 MPa(C55混凝土fck=35.5MPa)，滿足規(guī)范要求。

圖6 正常使用極限狀態(tài)上、下緣最大正應(yīng)力(單位：MPa)

(5) 持久狀況正常使用極限狀態(tài)箱梁斜截面最大主壓應(yīng)力驗(yàn)算：主梁正截面最大壓應(yīng)力值為16.6 MPa，小于0.6fck(21.3 MPa)，正常使用極限狀態(tài)各種組合下的主梁截面斜截面最大壓應(yīng)力滿足要求。

(6) 主梁正常使用極限狀態(tài)撓度分析：活載作用下，主縱梁最大負(fù)撓度值為-59.4 mm，正撓度為22.9 mm，計(jì)入撓度長(zhǎng)期增長(zhǎng)系數(shù)1.40后，撓度值1.4×82.3=115.2 mm，未超過跨徑的1/600，滿足規(guī)范要求。

(7) 根據(jù)相關(guān)規(guī)范[6]規(guī)定，部分斜拉橋運(yùn)營(yíng)狀態(tài)斜拉索的安全系數(shù)不應(yīng)小于1.667， 最外側(cè)J10斜拉索在正常使用階段的應(yīng)力最大，最大拉應(yīng)力值為729.1 MPa，最小拉應(yīng)力值為682.0 MPa，小于0.6fpk=1 116 MPa，對(duì)應(yīng)拉索安全系數(shù)為2.44，拉索最大應(yīng)力幅47.1 MPa<200 MPa，滿足相關(guān)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

部分斜拉橋是梁式橋與斜拉橋的一種組合體系橋梁，主梁剛度大，與普通連續(xù)梁相比又能有效地降低梁高，使結(jié)構(gòu)更加輕盈美觀，兼具二者的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在國(guó)內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。本橋的設(shè)計(jì)，為同等跨徑范圍內(nèi)的部分斜拉橋設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)，可為同類型橋梁的設(shè)計(jì)提供參考。