某非對稱獨塔斜拉橋總體設計

何成煥,肖 杰，楊立坡

(1.東莞濱海灣新區管理委員會，廣東 東莞 523000；2.廣東省交通規劃設計研究院集團股份有限公司，廣東 廣州 510635；3.天津市政工程設計研究總院有限公司，天津 300341)

非對稱獨塔斜拉橋的跨徑不對稱性，更好地適應了城市中小寬度的河道布置，利用主跨作為通航孔，邊跨則可以根據橋址建設條件在0.5L～L范圍內選擇，既縮減了主橋建設規模，工程更加經濟合理，同時非對稱結構可以在造型上更加新穎獨特，因此越來越成為城市景觀橋的重要橋型。非對稱橋梁在變形及受力規律也與常規橋梁有所差異，本文將以某非對稱獨塔斜拉橋為研究背景，著重對橋梁的總體、結構體系以及各主要構件進行詳細設計，得到該類型橋梁的主要受力特點，可為類似斜拉橋設計提供參考和驗證。

1 工程概況

徒駭河大橋(如圖1所示)位于聊城經濟技術開發區北部，為現狀中華路北延工程跨徒駭河的關鍵性節點工程。

橋梁與徒駭河斜交角度約為40°，河道斜長約為280 m，主橋采用獨塔斜拉橋，跨徑布置為151.1 m+91.1 m(如圖2，圖3所示)；中華路跨越濱河大道位置，濱河大道下挖，設置三孔箱體，箱梁全寬為22.2 m。主橋與箱體之間為異形結構，采用無梁板橋。

2 主要技術標準

1)道路等級及設計速度：城市主干路，設計速度60 km/h。

2)橋梁設計使用年限：100 a。

3)荷載標準：城-A級；人群：3.5 kN/m2。

4)橋梁寬度：標準段全寬46 m：2.25 m(人行道)+3.5 m(非機動車道)+1.5 m(拉索錨固區)+0.5 m(護欄)+15 m(行車道)+0.5 m(中央護欄)+15 m(行車道)+0.5 m(護欄)+1.5 m(拉索錨固區)+3.5 m(非機動車道)+2.25 m(人行道)(如圖4所示)。

5)地震基本烈度7度，地震動峰值加速度：0.15g。

6)橋下通航凈空：中型游艇，徒駭河通航凈空為40 m×4.5 m。

3 總體設計

3.1 總體布置

橋梁跨徑布置為151.1 m+91.1 m，邊中跨比為 0.6。由于較小的邊中跨比布置，主梁采用混合梁方案，即主跨采用鋼梁，減輕自重，增大跨越能力，邊跨采用混凝土箱梁進行配重，鋼混凝土混合段設置在主跨距離橋塔6.9 m位置。

在距離邊過渡墩39.6 m，即0.435L位置設置輔助墩，以增加邊跨的剛度，同時有效改善其受力。

拉索按照扇形布置，其中邊跨尾端拉索加密。鋼梁跨拉索間距為8 m。混凝土跨拉索間距為5 m和4 m。鋼梁跨邊墩無索區長度為11.6 m，占跨比為0.08。

邊跨過渡墩距離地面高程較低，導致該處無法做高低蓋梁連接主橋主梁與引橋現澆板梁。采用梁端設置牛腿解決上述問題?，F澆板梁提供635 t重量，亦可對過渡墩起到壓重作用。

根據抗震計算[1-3]，過渡墩處設480型伸縮縫，其中橋跨中心線距離主橋梁端及引橋梁端分別為22 cm和4 cm，如圖5所示。

主塔處箱梁寬34.5 m，非機動車道和人行道設置在主塔懸臂的平臺上，與主梁結構分離，見圖6。

考慮主塔橋面距離承臺頂較小，該處不采用橫梁方案，通過設置牛腿來支承主梁。支座間距為31.3 m。

主塔為鋼箱截面形式，左、右塔高分別為103 m和118 m。左右兩塔塔座接獨立的承臺群樁基礎。

3.2 結構支承體系

對橋梁支承體系進行了以下3種方案的對比(如表1所示)。

1)塔墩梁固結體系。2)半漂浮體系(僅設豎向支承，縱向未約束)。3)半漂浮體系(固定支座，設豎向及縱向約束)。

表1 不同結構體系結構響應

計算表明，在正常運營階段，半漂浮體系(固定支座)下，塔底彎矩、梁端及塔頂縱向位移均表現最優。塔墩梁固結體系下則索塔塔底內力最大。

地震作用下，在不考慮減隔震支座參與作用下，索塔內力：半漂浮體系(固定支座)體系>>半漂浮體系(縱活動)體系；梁端和塔頂位移：半漂浮體系(固定支座)體系<<半漂浮體系(縱活動)體系，計算結果見表1。

最終，結合運營階段受力和地震影響，擬采用的結構體系為：正常使用情況下，塔梁采用縱向約束(即固定支座)，不僅可以有效控制梁端及塔頂的位移，而且主塔受力也較合理；在地震作用下，通過設置合理的減震支座體系(阻尼發生作用)，有效降低塔底彎矩及水平力。

3.3 結構減隔震方案

限于篇幅，僅討論縱向合理的抗震方案。對于中等跨徑的獨塔斜拉橋，常用的減震方案有黏滯阻尼器和鋼阻尼兩種[4-5]，對上述兩種減隔震方案下結構的地震響應進行對比分析：

1)縱向固定支座+縱向鋼阻尼(橋塔處設置)。

計算比較分析了支座屈服力為2 000 kN～8 000 kN等不同參數以及縱向活動和縱向固定支座下的結構響應，圖7為支座阻尼不同屈服剛度下塔底彎矩結果。

計算表明，由于低塔效應(即橋面與承臺的距離較塔頂與承臺距離比較小)隨著縱向鋼阻尼剛度增加，其塔底彎矩呈現先減小后增加的趨勢，在屈服力為5 500 kN時，塔底彎矩最小。進一步對屈服強度為4 500 kN，5 000 kN和5 500 kN下的結構響應進行對比分析，綜合考慮結構受力、梁端位移(控制在20 cm以內)以及阻尼剛度(支座成本)，選取屈服強度為5 000 kN為鋼阻尼設計參數。

2)縱向固定支座+黏滯阻尼(橋塔處設置)。

以梁端位移控制在20 cm及以內作為設計參數，阻尼系數c=3 000時，梁端縱向位移為20.1 cm，基本滿足要求。

圖8為粘滯阻尼不同阻尼系數下塔底彎矩值。計算表明，黏滯阻尼的速度指數變化對塔底彎矩影響不大。速度指數增加，塔底剪力有所減少，位移略有增加，選取α=0.3時，對阻尼系數參數進行比較分析。計算表明，隨著阻尼系數增加，塔底彎矩呈現先減小后增加的趨勢，與鋼阻尼減隔震裝置趨勢一致。當阻尼系數c=2 000時，綜合塔底彎矩最小，但梁端位移也會超過20 cm。最終，綜合塔底彎矩、梁端和塔頂縱向位移等因素，黏滯阻尼器選擇參數c=3 000，α=0.3。

3)方案比較。

鋼阻尼方案和黏滯阻尼方案的計算結果如表2所示。

表2 鋼阻尼方案與黏滯阻尼方案計算結果

兩種減隔震方案的塔底彎矩及水平力差別不大，但鋼阻尼器方案在控制塔頂及梁端位移效果更優[6]。

黏滯阻尼器是速度相關，剪斷瞬間速度為零，阻尼器無法實現對地震力的有效控制；而阻尼力取決于位移，固定支座剪斷瞬間位移為零，剪斷力可平穩過渡到阻尼器。

綜上所述，最終確定橋梁減震支座體系為固定支座和橋塔處設鋼阻尼器方案為推薦方案。

4)小結。

運營階段，橋梁結構的約束體系類似于連續梁橋支座體系，確保結構體系為幾何靜定，結構安全可靠。抗震阻尼器不參與受力。

E1地震時，支座限位耗能螺栓被剪斷，非線性鋼阻尼部分參與工作，位于彈性變形或處于較低的塑性變形工作階段。地震后，僅需對耗能部件進行維護和更換即可，必要時，需要對支座進行較小位移的復位。上述原則基于E1地震水平力若由支座承擔，則下部基礎規模將增加約806 m3，約下部基礎總體規模的10%，同時邊跨連接墩依然出現負反力。

E2地震時，鋼阻尼發生較大的塑性變形，但地震力小于阻尼設計力，阻尼不發生斷裂。

3.4 索塔

1)索塔線型分析。

索塔為鋼塔，橫橋向兩塔柱在橋面以上以圓曲線形式朝中間并攏，在塔頂附近設橫梁。索塔在橋面以下不設橫梁，采用牛腿形式支撐橋面系。

計算表明，通過調整鋼塔曲線半徑，使得橋塔上半段曲線與拉索合力力臂最小，從而減少拉索產生橋塔外側受拉彎矩，同時外側彎矩減小，也必然使得橫梁水平力減小，最終塔中和塔底應力均有效減小。

不同圓曲線索塔方案見圖9，索塔方案計算結果見表3。在綜合橋塔景觀及受力因素，最終選取橋塔曲線半徑R=350 m。

表3 不同圓曲線索塔

索塔為鋼結構，其中左塔高105.121 m，右塔高120.121 m。索塔標準段截面外輪廓尺寸為3 000 mm×3 000 mm，采用單箱單室截面形式；從承臺底至21.21 m范圍內，橋塔外輪廓采用變截面形式，由上至下采用3 000 mm×3 000 mm(縱向×橫向)變化至8 000 mm×3 000 mm(縱向×橫向)，塔座設鋼-混結合段。

3.5 主梁

由于邊主跨跨徑比較小，本項目采用鋼混組合梁方案，主跨采用鋼梁-UHPC薄層輕型組合梁結構，以減輕自重，增大跨越能力；邊跨采用預應力混凝土梁增加邊跨剛度，并起到重量平衡作用。

主梁采用單箱四室大挑臂斷面形式，鋼梁與混凝土梁的腹板對齊布置。鋼梁梁高3 m(結構中線處)，頂板設置5 cm厚UHPC薄層，組成鋼梁-UHPC薄層輕型組合梁結構；混凝土梁梁高3 m，頂板厚30 cm，底板厚25 cm，邊腹板需要錨固拉索，厚180 cm；中腹板厚60 cm。箱梁橫向懸臂長 575 cm。箱內標準橫隔板間距為5 m和4 m，與斜拉索錨固點對應。橫隔板在跨中處厚40 cm，在拉索錨固點處厚60 cm。

鋼混結合段設置在主跨距離橋塔中線6.9 m位置，鋼混結合段長度為2 m，接頭傳力體系采用填充混凝土后承壓板式。在鋼梁過渡段中，頂板、底板U肋設置倒T型加勁板進行過渡。為使鋼梁與混凝土梁緊密結合，采用縱向預應力鋼絞線進行預壓連接。

3.6 拉索

拉索采用直徑7 mm的低松弛高強度平行鍍鋅鋼絲，鋼絲標準強度為1 670 MPa。全橋共34對拉索，扇形布置。全橋拉索根據受力不同，共采用六種不同規格拉索，其中最大規格拉索型號為PES(C)7-163，最小規格拉索型號為PES(C)7-109。拉索與主塔及主梁均采用鋼錨箱錨固形式，張拉端設置在主梁處。

3.7 下部結構

索塔基礎采用16根直徑1.8 m 鉆孔灌注樁基礎，樁長80 m，矩形布置，橫橋向樁間距5 m，縱橋向樁間距4.5 m。

輔助墩墩柱采用矩形片墩，墩柱尺寸為4.5(橫向)m×2.8(縱向) m，基礎采用4 根直徑1.8 m鉆孔灌注樁基礎，樁長48 m，矩形布置，橫橋向樁間距5 m，縱橋向樁間距4.5 m。

邊、主跨過渡墩柱采用矩形片墩，墩柱尺寸為4.5(橫向) m×2.8(縱向) m，基礎采用4根直徑1.8 m 鉆孔灌注樁基礎，矩形布置，橫橋向樁間距5.5 m，縱橋向樁間距4.5 m。邊、主跨過渡墩樁長分別為48 m 和55 m。

3.8 施工方案

施工方案采用河中搭設施工臨時支架施工主梁和主塔，再對稱張拉拉索的方案。主梁的施工順序是先澆筑部分混凝土梁段及鋼混結合段附近鋼梁，再澆筑剩余節段混凝土梁段，最后拼裝鋼梁節段形成整體。

4 結語

1)現代城市建設中，非對稱獨塔斜拉橋因為其較好的經濟性以及塔柱可塑造景觀造型，使得成為標志性城市景觀橋梁采用較多的橋型。2)對于非機動車和人行道較寬的城市斜拉橋，采用大挑臂的箱梁結構可以有較好的經濟性，同時對橋面較寬的橋梁，拉索橫向錨固在箱梁外側腹板處，有效減小了拉索橫向錨固點距離，提高了橋梁橫向剛度。3)對于中等跨徑、地震烈度7度區的獨塔斜拉橋，半漂浮體系具有較好的運營階段受力性能，同時可通過合理設置減隔震支座來降低地震效應，宜優先選用。4)本項目正常使用情況下，塔梁采用縱向約束(即固定支座)，不僅可以有效控制梁端及塔頂的位移，而且主塔受力也較合理；在地震作用下，固定支座銷子剪斷，鋼阻尼器發揮其減震消能作用，有效降低了地震對下部結構的作用。運營階段支座縱向約束，亦能減小鋼阻尼在運營階段反復作用可能產生的疲勞破壞風險。5)本橋已于2021年6月28日正式通車，目前運營狀態良好。