獨塔混合梁斜拉橋總體設計及關鍵技術研究

黃永福，馮楊斌，劉 斌，白洪濤，矣志勇

（1.云南省交通規劃設計研究院有限公司，云南 昆明 650041；2.云南建設基礎設施投資股份有限公司，云南 昆明 650501）

1 工程概況

元江縣跨江大橋位于云南省玉溪市元江哈尼族彝族傣族自治縣城區北部，跨越國際河流-元江（下游稱紅河），連接西岸的元江縣新城區和東岸的江東鎮，為市政橋梁，見圖1。結合受控因素以及地形、地貌、地質、水文等情況，主橋采用70 m+130 m獨塔斜拉橋；西岸引橋采用3×30 m 預制小箱梁+45 m 鋼箱梁+30 m 預制小箱梁，東岸引橋采用3×30 m 預制小箱梁，兩岸橋臺均采用重力式橋臺，橋梁全長463 m。

圖1 元江縣跨江大橋實景效果圖

2 主橋總體設計

元江縣跨江大橋主橋為跨徑70 m+130 m 的不對稱獨塔斜拉橋[1]，見圖2。約束體系采用塔墩梁固結體系，主梁采用邊跨混凝土箱梁、主跨鋼箱梁的鋼混結合形式；斜拉索為平行雙索面，采用1 770 MPa的平行鋼絲成品束；索塔采用獨塔柱形式，由等截面空心塔柱和花瓶形空心主墩組成；基礎為群樁基礎，承臺下設16 顆直徑2.2 m 的鉆孔灌注樁。

圖2 橋型布置圖（單位：cm）

2.1 主要設計標準

（1）道路等級：城市次干道。

（2）橋面橫向布置：橋寬38 m，由6 條機動車道+2條非機動車道+2 條人行道+1 條中央分隔帶組成。

（3）設計汽車荷載：城—A 級。

（4）設計壽命：100 a。

（5）抗震設防基本烈度：Ⅶ度，設計地震動峰值加速度為0.170 1g[2]。

（6）設計基本風速：設計重現期100 a，V10=25.8 m/s[3]。

（7）通航標準：內河V 級航道通航凈空。

2.2 鋼箱梁設計

由于本橋索面位于中央分隔帶，為了提高主梁的整體抗扭剛度，邊跨和主跨的主梁均采用箱形結構。鋼箱梁中線處梁高3.2 m，頂面設2%的雙向橫坡，頂寬38 m，底寬25 m。梁段劃分為A、B、C 共3 種類型，共11 個梁段。其中A 梁段為連接段，梁段長8 m，重為275.6 t；B 梁段為鋼箱梁標準段，梁段長11.5 m，重為228.5 t；C 梁段為合攏段，梁段長9.5 m，重為225.6 t。主跨鋼箱梁采用頂推方法施工。鋼箱梁標準斷面見圖3。

圖3 鋼箱梁標準斷面圖（單位：cm）

為了提高鋼箱梁橋面板剛度和抗疲勞性能，減少橋面鋪裝病害，橋面板采用正交異性鋼橋面板[4]。頂板采用16 mm 厚鋼板，頂板設置U 形加勁肋，上口寬300 mm，下口寬170 mm，厚8 mm，間距為550 mm和600 mm。底板采用14 mm 厚鋼板，底板采用U 形加勁肋加勁，上口寬250 mm，下口寬400 mm，厚6 mm。底板加勁肋工地連接采用對接焊。縱向設置6 道腹板，采用實腹式。腹板保持連續，橫隔板焊接于腹板上。腹板設置5 道板式加勁肋。B 梁段橫隔板標準間距為2.875 m，A 梁段及C 梁段部分橫隔板采用特殊間距布置。索梁錨固構造采用錨拉板形式，根據斜拉索索力的不同，錨拉板采用兩種板厚。為確保在正常運營荷載下支座不出現上拔力，在鋼箱梁端部施加了永久壓重荷載。

2.3 混凝土箱梁設計

混凝土箱梁按A 類預應力構件設計。混凝土箱梁外輪廓與鋼箱梁一致，采用單箱七室截面，邊腹板為斜腹板，中腹板為直腹板。箱梁頂面兩側翼緣長3.5 m，邊室頂寬5.6 m，底寬2.6 m，次邊室寬4.1 m，斜拉索錨固箱室寬3.4 m。箱梁斜腹板及直腹板厚均為0.3 m，見圖4。頂板厚為0.32 m，底板厚0.3 m，橫隔板厚0.45 m。橫隔板間距為5.5 m。邊跨混凝土箱梁靠過渡墩處橫梁厚2 m，箱梁塔、墩、梁固結處橫梁厚7 m。為確保在正常運營荷載下支座不出現負反力，在混凝土箱梁端部也施加了永久壓重荷載。邊跨混凝土箱梁采用支架現澆的方法施工。

圖4 混凝土箱梁標準斷面圖（單位：cm）

2.4 鋼混結合段設計

為減小鋼混結合段受力，將連接部設置在主跨側距橋塔中心線9 m 處[5-6]。鋼混結合段由結合部、鋼梁加強段和混凝土梁加強段組成。

結合部（見圖5）設置了上、下鋼格室，鋼格室的頂、底板及承壓板厚均為25 mm，腹板厚為24 mm，鋼格室內填充抗壓強度為120 MPa 的超高性能混凝土（UHPC）；鋼格室頂、底板設置φ22×150 焊釘，其腹板上開有φ60 mm 圓孔，并穿過225 mm 長的φ25 mmHRB400 鋼筋，與進入該圓孔的混凝土包裹在一起，形成PBL 鋼筋混凝土剪力鍵。

圖5 鋼混結合段設計圖（單位：cm）

鋼箱梁加強段長4 m，是結合部向標準鋼箱梁段轉換的過渡段，其頂、底、腹板加厚至25 mm，其中頂底板增設25 mm 厚的變高度T 型加勁肋。

混凝土梁加強段設置0.75 m 厚的混凝土橫梁，該橫梁伸入結合部0.75 m 以提高接縫部位的抗剪性能。

為保證鋼箱梁與混凝土箱梁緊密結合，在結合段還設置有縱向預應力鋼束；在鋼格室頂板及腹板上設置澆注孔及連通孔，使得混凝土在澆筑時有較好的流動性，確保澆筑密實度。

2.5 斜拉索設計

斜拉索采用平行雙索面，按扇形布置，索面位于橋梁中線附近，橫橋向索面間距1.5 m，鋼箱梁側標準索距為11.5 m，混凝土箱梁側標準索距為5.5 m，塔上豎向理論索距為2.0 m。斜拉索采用1 770 MPa平行鋼絲，全橋共10×4=40 根。根據索力不同，需要4 種規格：PES7-109，PES7-151，PES7-199，PES7-241。

斜拉索設計壽命為大于25 a，采用包括鋼絲鍍鋅、高密度聚乙烯內外防護層、外纏專用纏包帶的三防腐體系，以保證斜拉橋在其設計壽命周期內免遭腐蝕。

2.6 索塔設計

索塔結構包括塔柱主墩，與混凝土箱梁連接形成塔墩梁固結體系，索塔全高79.2 m，見圖6。

圖6 索塔一般構造圖（單位：cm）

塔柱為獨柱式箱型鋼筋混凝土結構。塔柱高55 m，順橋向寬為5 m，橫橋向寬為3.7 m，順橋向壁厚為1 m，橫橋向壁厚為0.6 m。兩側斜拉索錨固于塔柱內壁的齒塊上，塔柱設置井字形預應力進行加強。預應力為抗拉強度為930 MPa 的高強螺紋鋼筋，采用低回縮錨具及二次張拉工藝[7]，以減少預應力損失。

主墩外形呈花瓶形，為單箱三室矩形截面的鋼筋混凝土結構。主墩高度21 m，底部8.872 m 為等截面，順橋向5 m，橫橋向寬13 m，壁厚為1 m；頂部12.128 m 為弧形變截面。

基礎采用群樁基礎，承臺下設16 根φ2.2 m 鉆孔灌注樁。考慮到本橋位于高地震烈度區，為提高樁基礎的抗震性能，樁基頂部設置了8 m 高鋼護筒，鋼護筒壁厚為20 mm。

3 關鍵技術研究

根據橋梁總體設計情況，大橋具有結構不對稱度高、鋼混結合段受力復雜、斜拉索錨固方式多樣、抗震烈度高等設計特點和難點，因此設計上采取了相應的對策以解決這些關鍵技術問題。在材料上，鋼混結合段采用UHPC 混凝土，拉索錨固區的預應力采用PSB930 高強螺紋鋼筋和低回縮錨具；在技術手段上，結構分析采用綜合調索方法、有限元分析方法，加強橋梁抗震措施；在施工工藝上，高強螺紋鋼筋采用二次張拉施工工藝。

3.1 斜拉索調索

主橋為獨塔斜拉橋，采用塔墩梁固結體系，邊跨為70 m 混凝土箱梁，主跨為130 m 鋼箱梁，具有極高的不對稱度，使得兩側主梁重量、斜拉索角度差異非常大；同時受混凝土收縮徐變的影響，選擇合理的索力成為設計的難點和關鍵點，關乎著大橋在施工階段和運營階段的結構安全。主橋有限元計算模型見圖7。

圖7 主橋有限元計算模型

在計算成橋索力時采用綜合調索的方法。根據主跨鋼箱梁節段自重，獲得主跨斜拉索索力；通過主跨及邊跨斜拉索水平力平衡的方法（保證索塔豎直線型），得到邊跨索力，根據此索力下主梁內力對邊跨混凝土箱梁進行鋼束配置；最后再綜合索塔內力、主梁線型，采用影響矩陣法進行索力微調。根據此方法，結構具有較好的成橋狀態，在運營過程中結構各項指標也均可滿足規范要求。

在計算施工張拉力時采用無應力長度法[8]。根據合理的成橋索力求得斜拉索索單元的無應力長度，用無應力長度作為索力輸入的方式；采用倒退分析法即可獲得每個施工階段下斜拉索張拉力；采用此索力進行正裝分析，并在主梁合龍前校核主梁的無應力曲率，進行適當的臨時壓重。經過結果對比，采用此施工張拉力得到的成橋狀態與一次成橋的成橋狀態基本一致，在施工過程中結構各項指標也均可滿足規范要求。

因此，以上調索方法可較好地適用于獨塔非對稱斜拉橋成橋索力及施工張拉力的求取。

3.2 鋼-混結合段受力分析

斜拉索索面位于中央分隔帶，對主梁橫向抗扭剛度的貢獻不明顯；同時，橋梁寬度較大，橫向不均勻的汽車荷載、非機動車荷載、人群荷載使主梁產生較大的扭矩。特別是索塔附近的主梁鋼混結合段，壓彎剪扭耦合效應顯著，是受力最為復雜的構件[9]。在受力最不利工況下，對鋼混結合段開展了局部受力分析，包括鋼混結合段的鋼格室強度、焊釘抗剪能力、開孔板抗剪能力、混凝土強度等驗算。實體模型及部分計算結果見圖8、圖9。

圖8 鋼格式內混凝土縱向應力分布（單位：MPa）

圖9 鋼箱梁應力分布（單位：MPa）

由圖8 可知，除預應力鋼束錨固格室承壓板上部局部區域外，鋼格式內混凝土縱向拉應力較小，UHPC 混凝土可滿足受拉要求。由圖9 可知，鋼格室承壓板、T 肋端部存在一定的應力集中，峰值應力約為250 MPa，其余區域應力均在50 MPa 以下，鋼結構有足夠的富余應力。

3.3 塔柱拉索錨固區受力分析

斜拉索錨固于塔柱內壁的齒塊上，塔柱內壁受到了較大的向外水平力，需要通過一些措施予以平衡。目前使用較多的塔梁錨固方法有：交叉錨、預應力、鋼錨梁和鋼錨箱。交叉錨用于實心塔柱，鋼錨梁及鋼錨箱用于空腔尺寸較大的塔柱，在大跨斜拉橋中應用較多[10]，這三種方法在本橋中均不適用；預應力一般分為鋼絞線和高強螺紋鋼，本橋索塔尺寸較小，采用預應力鋼絞線將帶來很大的應力松弛損失；高強螺紋鋼在實際運用中同樣有較大預應力損失，主要是錨具回縮引起，但低回縮錨具已經得到大量推廣，可將回縮量控制在1～1.5 mm 甚至更低的范圍內。通過計算，采用低回縮錨具后，高強螺紋鋼預應力可降低至25%以內，采用二次張拉工藝后，進一步降低了預應力損失。為減少預應力筋用量，錨固區采用PSB930 高強螺紋鋼筋。首先根據斜拉索水平分力對高強螺紋鋼筋用量進行估算，再通過有限元方法建立實體模型以分析與驗證局部受力。

從計算結果看出，塔壁在順橋向和橫橋向基本均勻受壓狀態（見圖10、圖11），僅在錨墊板下、塔壁內倒角處、塔壁橫向表面局部位置出現了應力集中。這些位置增設了局部加強鋼筋，通過驗算，局部承壓承載力、裂縫均可滿足要求。

圖10 順橋向塔壁正應力整體分布（單位：MPa）

圖11 橫橋向塔壁正應力整體分布（單位：MPa）

3.4 錨拉板受力分析

錨拉板是連接斜拉索和鋼箱梁的關鍵構件，承受了巨大的索力，受力模式極為復雜[11]，對受力最大的10 號斜拉索進行了局部受力分析。從圖12 可知，除錨拉板與套管、錨墊板連接處有局部應力集中外，其余部位Von Mises 應力均在強度設計值305 MPa范圍內。

圖12 斜拉索錨拉板Von Mises 應力（單位：MPa）

3.5 抗震性能研究

主橋采用塔墩梁固結體系，避免設置大噸位支座，節省后期支座養護與更換的成本。橋位地區抗震設防烈度較高，橋梁剛度較大，抗震問題突出。大橋為甲類橋梁，抗震設防目標為：當橋梁遭受E1 地震作用時，結構總體反應在彈性范圍，基本無損傷[12]；當橋梁遭受E2 地震作用時，可發生局部輕微損傷。

通過特征值分析、反應譜分析，對結構動力特性進行了分析，對索塔、過渡墩、樁基等構件的關鍵截面、支座抗剪承載力、伸縮縫縱向地震位移進行了驗算，均可滿足受力要求。同時大橋采取了相應抗震措施，如索塔箍筋設置閉合套箍、設置箍筋加密區、索塔主筋采用HRB500 抗震鋼筋、樁基設置鋼護筒等措施，保證在罕遇地震下橋梁結構的安全性。

4 結語

通過有針對性地采用特殊材料、技術手段、施工工藝，科學地解決了獨塔混合梁斜拉橋的多項關鍵技術難題，達到結構受力合理、安全可靠的目的，為同類型橋梁設計與研究提供了思路。