非對稱獨塔單索面超寬幅曲線大噸位轉體斜拉橋設計與創新

靳 飛

(中土凱明工程咨詢有限公司, 北京 100038)

1 工程背景和研究現狀

福州市義北路立交工程在K1+127.3、K1+155.937、K1+166.434和K1+180.632處分別上跨昌福鐵路上行線路基、合福高鐵高架橋(上下行線)和昌福鐵路下行線路基，在K1+280.723上跨三環主線與三環輔路，主橋采用(141+110) m兩跨中央單索面獨塔混凝土斜拉橋[1]，墩底整幅轉體施工[2]，轉體長度為(136+103) m，兩側后澆段長度分別為5 m和7 m，墩塔梁固結處理，基礎采用嵌巖樁，主墩樁基直徑2.5 m，邊墩樁基直徑2 m。

目前國外轉體質量最大的橋是1991年在比利時修建的本·艾因橋[3]，該橋為斜拉橋，跨度布置為3×42 m+168 m，轉體質量為19 500 t。國內已實施完成的最大噸位轉體橋為保定樂凱大街南延工程子母雙塔單索面預應力混凝土斜拉橋[4]，主梁位于直線上，轉體質量為46 000 t。福州市義北路立交工程主橋轉體質量為50 000 t，在目前已實施或正在實施中的轉體橋中屬最大噸位，同時該橋還疊合了小半徑曲線主梁、超寬幅箱梁獨塔中央單索面、超大偏心距球鉸[5]、較大轉體長度和不對稱轉體、跨越高鐵運營線等特點，決定了該橋在設計計算復雜性、施工監控要求精度高和建造技術難度大等方面將處于國內同類橋梁領先水平。

2 工程技術特點

義北路上跨鐵路立交工程主橋具有以下7項特點:(1)轉體質量約為50 000 t，屬于超大噸位，國內外目前已建成或在建轉體橋質量均小于此噸位；(2)主梁曲線半徑為900 m，在同類跨徑斜拉橋中屬于最小半徑，在轉體過程中橫向不平衡力矩較大[6]；(3)橋面寬度為38.5 m，拉索錨固端至梁翼緣板懸臂端距離為18.5 m，中央單索面應用于超寬幅橋面，主梁受力復雜[7]；(4)轉體狀態為非對稱平衡轉體[8]，轉體長度為239 m，轉體長度在已建成或在建的轉體橋中屬于較大轉體長度，主跨和邊跨在轉體狀體下懸臂長度差為33 m，屬于較大不對稱轉體；(5)采用墩塔梁固結方案，墩塔梁固結區承受彎、剪、扭共同作用，受力較為復雜；(6)該橋跨越合福高鐵，在施工期間對既有線運營安全的防護要求高[9]；(7)該橋位于臺風頻發區，墩、塔、梁在建造過程中，臺風對橋梁構件和轉動體系臨時固結構造的受力及穩定性影響需要重點研究[10]。

3 技術研究創新

圍繞本項目的工程特點，展開了多項研究和技術創新，主要體現在以下6個方面。

(1)針對主梁和主塔實際設計配筋率較高，鋼筋混凝土容重高于26 kN/m3，在建立有限元模型時，主梁和主塔鋼筋混凝土材料容重均根據實際設計情況進行了修正，提高了模擬轉體施工時縱橫向平衡力矩、索力和轉體質量的計算精度[11]；(2)針對中央單索面超寬幅多箱室箱梁橫隔板主拉應力水平普遍較高，且由于橫隔板厚度較薄無法布置傳統豎向預應力筋，本項目創新采用新型的預應力材料—無粘結預應力鋼棒[12]應用于橫隔板中，使用后橫隔板主拉應力水平顯著降低；(3)針對墩塔梁固結區受力復雜等特點，本項目開展了墩塔梁固結區縮尺模型試驗，理論分析和實驗數據相比較，確保結構設計安全合理；(4)為消除橫向不平衡力矩，在墩底設置了偏心距為1.78 m的超大偏心球鉸；(5)轉體球鉸采用分塊制造，分塊運輸，現場拼裝成整體后吊裝入位，解決了大尺寸球鉸運輸問題；(6)轉體前主梁在鐵路運營線旁支架現澆施工，為保證合福高鐵既有線運營安全，在鐵路線和支架之間設置防護墻[13]，在防護墻設計中創新采用防護墻與主塔、主梁支架連為一體設計，在施工期間，尤其是臺風期間，防止防護墻倒塌危及既有線運營安全。

4 主要技術標準

(1)道路等級：城市主干道；(2)設計行車速度：50 km/h；(3)車道數：雙向6車道；(4)橋梁寬度：38.5 m；(5)橋梁坡度：雙向2%橫坡；縱向位于R=4 000 m豎曲線上；(6)汽車荷載：1.3倍城市-A級,人群荷載：5 kN/m2；(7)抗震設防類別：甲類；(8)地震烈度：地震動峰值加速度為0.1g，地震基本烈度7度，按8度設防；(9)橋梁設計安全等級：一級；(10)橋梁結構設計使用年限：100年。

5 總體設計

5.1 橋梁平立面布置

本橋平面位于R=900 m的右偏圓曲線上，主橋立面布置如圖1所示。

圖1 主橋立面布置(單位：cm)

5.2 橋面布置

跨鐵路位置橋梁橫斷面布置為：1.0 m監測網+0.6 mHA防撞護欄+3.3 m非機動車道+0.6 mHA防撞護欄+(4.25+2×3.5) m行車道+0.5 m路緣帶+4 m拉索區+0.5 m路緣帶+(2×3.5+4.5) m行車道+0.6 mHA防撞護欄+3.05 m非機動車道+0.6 mHA防撞護欄+1.0 m監測網，橋梁結構總寬為38.5 m，斜拉索在主梁上的橫向間距為1.5 m，橋面布置如圖2所示。

圖2 主橋橫斷面布置(單位：cm)

6 結構設計

6.1 主梁

斜拉橋主梁采用整體性、抗風性能好、抗扭剛度大、外型美觀的倒梯形預應力混凝土整體箱梁，單箱五室結構。綜合考慮轉體平衡和運營期受力，在密索區段箱梁內部配置永久鐵砂混凝土[14]，鐵砂混凝土容重為6.2t/m3。主梁中心線處梁高3.565 m，底板寬度為19 m，6 m索區段底板厚度為0.3 m，3 m索區段底板厚度為0.5 m，中腹板厚度為0.4、0.3 m，斜腹板厚度為0.3 m，在每對斜拉索錨固處設置1道橫梁，中箱標準橫梁厚0.6 m，邊箱橫梁厚0.4 m和0.3 m。

主梁采用縱、橫、豎三向預應力體系，縱、橫向均采用預應力鋼絞線[15]，考慮到主梁橫板板厚度較薄和布置有橫向預應力筋，布置傳統豎向預應力筋已無空間，該橋采用2φ16 mm無粘結預應力鋼棒布置在橫隔板內，單根鋼棒直徑為16 mm，張拉控制應力為932 MPa，預應力鋼棒大樣如圖3所示。

圖3 無粘結預應力鋼棒大樣

6.2 斜拉索

斜拉索采用空間扇形索面布置，索面在主梁處的橫向間距為1.5 m、塔上的橫向間距為2.0 m、塔上豎向間距為1.5 m和1.8 m。斜拉索采用常用的雙層熱擠HDPE護套環氧涂層平行鋼絲拉索體系[16]，斜拉索外護套設置PVF雙層膠帶，并在表面設置雙螺旋線，鋼絲采用φ7 mm環氧涂層高強鋼絲(fpk=1 770 MPa)。

6.3 主塔與主墩

主塔采用混凝土寶塔形橋塔[17]，橋塔高度為107.3 m。上塔柱縱橫向尺寸為8 m×6 m，橫橋向拉索錨固側壁厚為1.3 m，順橋向外壁厚為0.75 m，中壁厚為0.50 m，為平衡斜拉索在主塔錨固區產生的拉力，上塔柱設置井字形預應力鋼絞線；中塔塔柱縱橫向尺寸為8 m×3.5 m，曲線外側塔柱外側長邊壁厚為0.95 m、內側長邊壁厚為0.75 m，曲線內側塔柱長外邊壁厚為1.2 m、內側長邊壁厚為1.0 m，短邊壁厚均為1.0 m；下塔柱縱橋向寬為8～10 m，橫橋向寬為4.3～6 m，曲線外側塔柱長邊壁厚為0.75～2 m，短邊壁厚為1.5～2.1 m，曲線內側塔柱長邊壁厚為1.2～2 m，短邊壁厚為1.7～2.3 m。下塔柱底部設置塔座，塔座與上承臺(上轉盤)連成整體，塔座高度為8.5 m，主塔與主墩結構示意如圖4所示。

圖4 主塔和主墩及基礎示意(單位：cm)

6.4 轉動體系

轉體結構設置在主塔塔柱底部，由轉盤、球鉸、撐腳、環形滑道、牽引系統和助推系統等部分組成。球鉸中心向曲線內側設預偏心178 cm，如圖4所示。轉動球鉸采用鋼球鉸，球面支撐直徑φ=7.58 m，轉體球面半徑20 m，設計豎向承載力6.0×105kN。在豎向設計荷載作用下，轉體球鉸的摩擦系數μ≤設計取值[18](設計靜摩擦系數為0.1，動摩擦系數為0.06)。考慮到球鉸直徑較大，存在運輸困難，本項目采用分塊拼接轉體球鉸，球鉸平分為2塊，工廠分塊制造，分塊運輸到橋位，在現場拼裝成整體轉體球鉸，再整體吊裝入位。

上轉盤撐腳是轉體施工時防止轉體結構傾覆的保險腿，在牽引圓盤的下部環形對稱布置8個撐腳，撐腳中心距球鉸中心7.25 m。撐腳為啞鈴形鋼管柱體，其上部埋入上轉盤，下端設厚度為35 mm的鋼走行板。啞鈴形鋼管由2根φ1 300 mm×30 mm 的鋼管和2片20 mm 厚的連接鋼板組成，鋼管及綴板內不灌注混凝土。環形滑道的作用是為上轉盤撐腳提供可靠的支撐和滑動面，環形滑道由寬1.6 m、厚度為30 mm 的扇形鋼板焊接而成，環形滑道中心線半徑為7.25 m。

7 主要施工步驟簡要介紹

沿鐵路柵欄外側施工防護墻，主墩樁基礎施工，基坑防護，承臺、轉臺、塔座施工，張拉上、下承臺、轉臺及塔座預應力鋼束，主墩和塔根橫梁采用支架現澆施工，塔柱采用爬模法施工，塔根橫梁預應力筋一次性張拉完成后再施工下塔柱和上塔柱，分批張拉塔中橫梁預應力筋和上塔柱內井字形預應力筋。主梁采用梁式支架大節段澆筑形成大懸臂，分批張拉主梁各節段縱、橫、豎向預應力筋，在主梁密索區箱室內灌注鐵砂混凝土，安裝并張拉斜拉索，第一次調索。橋面最外側安裝異物監測網，澆筑最外側護欄，拆除主梁支架及鐵路防護墻。進行轉體施工，結構順時針轉體66.38°到設計橋位，臨時鎖定和封鉸，同時調整兩側懸臂端位移及線形到設計位置。澆筑一側后澆段后再澆筑另一側后澆段，拆除后澆段支架，第二次調索，橋面鋪裝等剩余二期恒載施工，塔身涂裝，安裝塔頂避雷針和照明等附屬工程，全橋施工完成。

8 總體計算分析

8.1 計算模型及荷載組合

建立全橋三維有限元模型，如圖5所示，主梁、主塔、樁基礎采用空間梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬，并建立支架節點和僅受壓彈性連接模擬主梁支架澆筑的施工過程。參照JTG D60-2015《公路橋涵通用規范》第4.1.5條和4.1.6條規定，采用下列4種荷載組合。

圖5 全橋有限元計算模型

(1)承載能力極限狀態基本組合：恒載+支座不均勻沉降+汽車荷載+汽車制動力+梯度溫度+交通風荷載。

(2)正常使用極限狀態頻遇組合：恒載+支座不均勻沉降+汽車荷載+梯度溫度+交通風荷載。

(3)正常使用極限狀態準永久組合：恒載+支座不均勻沉降+汽車荷載+梯度溫度+交通風荷載。

(4)標準組合：恒載+支座不均勻沉降+汽車荷載+汽車制動力+梯度溫度+交通風荷載。

8.2 主要計算結果

(1)鋼筋混凝土容重修正和轉體質量計算

在常規計算中，有限元計算模型里鋼筋混凝土容重通常采用26 kN/m3，該橋主梁、主塔和防撞墻考慮到配筋率較高，依據實際設計工程數量對混凝土容重進行修正，主梁鋼筋混凝土容重修正后數值為26.79 kN/m3，主塔鋼筋混凝土容重修正后數值為26.18 kN/m3，防撞護欄鋼筋混凝土容重修正后數值為27.22 kN/m3，計算模型中修正容重后的轉體質量為50 000 t，比修正前的轉體質量增加352 t。

(2)主梁最大活載撓度和塔頂位移

主梁最大相對豎向位移為0.054 m，主梁計算跨徑為141 m，容許變形為141 m/500=0.282 m> 0.054 m，因此主梁豎向剛度滿足規范要求。成橋狀態恒載下塔頂位移為17.71 cm，其中橫向位移16.91 cm(偏向曲線內側)，縱向位移0 cm。塔頂橫向位移比縱向位移大很多，使得整個橋塔發生較大的橫向位移和偏轉[19]，經分析塔頂橫向位移對受力影響不大，但仍需在施工監控中予以重視。

(3)主梁和主塔受力驗算

主梁在成橋狀態恒載作用下全截面受壓，主梁上緣最大壓應力為8.64 MPa，主梁下緣最大壓應力為11.19 MPa。主塔在成橋狀態恒載作用下全截面受壓，截面最大壓應力為13.75 MPa。

(4)斜拉索成橋索力、應力和疲勞驗算

為獲得一個好的恒載狀態作為后續分析的基礎，以脫架轉體階段和成橋階段塔梁合理受力狀態為目標，按調優化索力的思路確定初張索力與第二次張拉索力，最終得到恒載下成橋索力如圖6所示，其中最大索力為6 781 kN。根據JTG/T D65—01—2007《公路斜拉橋設計細則》3.4.1條，運營狀態斜拉索安全系數不應小于2.5，施工狀態斜拉索的安全系數不應小于2.0。施工階段斜拉索最大應力為598.05 MPa，安全系數為2.96，滿足規范要求。運營狀態斜拉索最大應力為706.5 MPa，安全系數為2.51，滿足規范要求。根據JTG D64—2015《公路鋼結構橋梁設計規范》第13.2.2條規定，平行鋼絲束的疲勞細節Δσc=160 MPa，采用疲勞荷載模型I進行計算，常幅疲勞極限ΔσD=137.28 MPa。在疲勞荷載模型I[20]作用下，40對斜拉索的最大應力幅為11.80 MPa，滿足規范要求。

圖6 恒載下成橋索力

(5)超寬幅橋面箱梁橫隔板采用無粘結預應力鋼棒前后的應力水平對比分析

以6 m索區的橫隔板受力變化為例，圖7為未施加豎向預應力鋼棒的橫隔板主拉應力云圖，可得主拉應力基本控制在2.5 MPa之內，主拉應力較大區域分布于橫隔板中部，兩側箱室橫隔板主拉應力大于中間箱室橫隔板，最大主拉應力為4.7 MPa，出現在橫隔板橫向預應力筋錨固處，面積很小故不起控制作用。圖8為施加雙排雙股豎向預應力鋼棒后的橫隔板主拉應力云圖，可得橫隔板內加入預應力鋼棒后大部分區域主拉應力水平有了明顯降低，橫隔板主拉應力基本控制在1.5 MPa之內。最大主拉應力為4.15 MPa，出現在橫隔板橫向預應力筋錨固處，建模設定有一定影響，且面積很小故不起控制作用。

圖7 6 m索區橫隔板未加入預應力鋼棒主拉應力圖

圖8 6 m索區橫隔板加入預應力鋼棒后主拉應力圖

(6)橋梁抗風計算

主梁采用了抗風性能比較好的箱形斷面，因此顫振和靜風穩定性問題不是很突出，主梁和橋塔采用混凝土材料，阻尼比較大，氣動負阻尼不足以克服結構阻尼，一般不會發生渦激共振和弛振，根據公路橋梁抗風設計規范，可不進行渦激共振檢驗和馳振穩定性檢驗。橋位處于強臺風頻發地區，因此懸臂施工狀態的風荷載內力是該橋抗風的主要問題。采用有限元分析軟件分別計算成橋狀態和最大懸臂狀態的動力特性，確定成橋和施工狀態主梁斷面的三分力系數，分析橋梁的顫振臨界風速，進行橋梁結構三維靜風穩定性分析，分析成橋狀態和最長懸臂施工階段橋梁結構的風荷載內力。

抗風性能數值模擬分析結果表明，該橋在成橋和最長懸臂施工狀態顫振臨界風速和靜風扭轉發散風速都遠大于相應的檢驗值，具有很好的顫振穩定性和靜風穩定性。懸臂施工狀態結構自振頻率明顯低于成橋狀態，結構風荷載響應較大，此風荷載與其他荷載組合進行橋梁結構驗算。

(7)橋梁抗震計算

建立空間彈性動力計算模型分析結構動力特性，采用反應譜方法進行地震反應分析，研究結構在兩種設防水準地震輸入E1地震作用(50年10%)和E2地震作用(50年2%)的地震反應，得出如下結論。E1地震作用：在考慮地震反應方向組合后，主橋所有墩柱、橋塔驗算截面及樁基礎最不利單樁截面地震彎矩小于其初始屈服彎矩，截面保持為彈性工作狀態，滿足預期性能目標要求；E2地震作用：在考慮地震反應方向組合后，主橋所有墩柱、橋塔驗算截面及樁基礎最不利單樁截面地震彎矩小于其等效屈服彎矩，截面基本保持為彈性工作狀態，滿足預期性能目標要求。

9 結語

福州市義北路上跨鐵路立交工程主橋是目前國內轉體質量最大的轉體橋，該橋還疊合了小曲線半徑主梁、大偏心球鉸、較大不對稱轉體長度、中央單索面超寬幅橋面、橋址位于強臺風頻發區等特點，設計和施工難度均較大。針對該橋的工程特點進行了設計研究和科研攻關，在可拼裝式轉體球鉸、預應力鋼棒的應用等方面開展了多項技術創新，本文研究成果可供今后同類大噸位轉體曲線斜拉橋設計提供參考和借鑒。