大同市平城街西延雙向非對稱獨塔斜拉橋設計

吳用賢

[同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市 200092]

1 設計概要

大同平城街西延跨鐵路橋梁位于山西省大同市古城北側平城街西延線上，線位跨越既有鐵路編組站及多股重要鐵路線。平城街為城市主干路，道路紅線寬50 m，呈東西走向，主線高架西起武州西一路，往東依次跨越武州路、規劃路、鐵路編組站（寬約340 m）、西環路、云中路地道，止于魏都大道以西約150 m，全長約1 716 m。根據大同市快速路路網規劃，遠期西環路為城市快速路，考慮遠期與西環快速路連接，在西環路西側設置兩條匝道同平城街主線相聯，近期匝道接入現狀西環路地面，遠期通過局部改造，并入西環高架快速路主線，實現平城街與西環快速路互通互聯。跨鐵路部分主橋采用主跨163 m的特大橋。其效果如圖1 所示。

圖1 大同市平城街西延立交橋梁效果圖

2 結構設計

2.1 總體設計

主線主橋為本項目跨鐵路編組站特大橋，為塔墩梁固結體系的混合梁斜拉橋[1]，跨徑布置為（41+50+163）m。為盡量減少對鐵路的干擾，主塔基礎布置于西側鐵路圍墻外，承臺與鐵軌坡腳垂直距離約8 m。采用中央索面布置斜拉索，雙索并列，橫向間距1.0 m，全橋共設24 對拉索，邊跨混凝土側間距6 m，中跨鋼箱梁側間距為12 m，塔上間距為1.5 m。主橋總體立面布置如圖2 所示。

圖2 主橋整體布置圖（單位：m）

2.2 鋼索塔

索塔立面為倒Y 形結構，橫斷面為一字形，塔全高88.9 m，總體布置如圖3 所示。自塔底至塔頂依次為：2.8 m 嵌入承臺塔柱、11.07 m 鋼-混結合段和75.03 m 鋼塔柱。塔柱斷面采用箱型，橋面以下部分橫橋向寬6.7 m，單肢順橋向寬4.46 m，橋面以上部分橫橋向寬2.75 m。除塔冠外，順橋向由兩根單肢寬4.46 m 合并為一根，寬6.6 m。為節省鋼材用量、減少板厚、控制焊接變形，鋼索塔采用Q420qE 材質，控制板件在50 mm 以下。鋼-混凝土結合位置優選在承臺頂面。鋼-混凝土結合段（T0 段）是鋼索塔柱上的結構內力傳遞到下部結構承臺的關鍵受力構造，設計采用PBL 及剪力釘作為傳遞荷載構件。索塔斷面圖如圖4 所示。

圖3 塔柱總體布置圖（單位：m）

圖4 塔柱斷面圖（單位：m）

主梁與鋼索塔采用剛性固結，塔梁結合部位需要傳遞主梁縱向力、橫向力和主塔豎向力。主梁中間兩道直腹板和橫隔板分別與主塔兩個方向壁板對齊。其中，鋼索塔順橋向壁板穿過主梁頂底板，與主梁直腹板形成整板；橫橋向壁板分別焊接于頂底板上，主梁內側設置等厚隔板對齊，并在與主塔內橫隔板、橫肋對應位置設置橫隔板，確保結構傳力直接、流暢。

2.3 主梁

受道路線型布置影響，道路中心線在主跨側近58.4 m 長度范圍采用圓曲線半徑R=700 m 的曲線。邊跨及部分主跨斷面為26.5 m 寬的標準橫斷面。根據立交布置需要，主跨側過渡墩處鋼箱梁寬40.0 m，斷面漸變段長度為60 m。其中，道路中心線左右兩側斷面為非對稱漸變，由13.25 m 寬分別漸變為17.25 m、22.75 m。主梁平面布置如圖5 所示。

圖5 主橋平面布置（單位：cm）

預應力混凝土箱梁采用單箱五室斜腹板截面，混凝土強度等級為C50，道路中心線處梁高3 m。結合邊跨側斜拉索的布置，設置6 m 一道橫隔板，為提高混凝土箱梁整體抗裂性能，設計采用了縱橫豎三向預應力體系，混凝土箱梁標準橫斷面如圖6 所示。考慮到主梁鋼混凝土之間內力傳遞，標準段鋼箱梁同樣設置五道腹板，并與混凝土箱梁腹板對齊。為適應鋼箱梁橋面變寬，保證懸臂長度外觀不變及中間拉索錨固區腹板連續性外，箱室腹板在道路中心線左側由1 道過渡為2 道，道路中心線右側由1 道逐漸過渡為3 道，控制箱室寬度不超過5m，提高頂底板有效截面面積，減少剪力滯影響。鋼箱梁材質為Q345qE，標準鋼梁斷面如圖7 所示。

圖6 混凝土段橫斷面布置（單位：cm）

圖7 鋼梁段橫斷面布置（單位：cm）

鋼-混結合面設置在邊跨距塔柱中心線為13 m處，采用承壓傳力的結構形式，承壓隔板厚100 mm，節段長2 m。為使剛度變化較均勻，在鋼箱梁U 形加勁肋近2.0 m 橫梁處變為板肋加勁，中間段在U 肋上加變高倒T 形板肋過渡，板式加肋在結合面處過渡為倒T 形。預應力鋼束采用單端張拉的形式，固定端位于鋼箱梁側。

本橋鋼橋面采用的鋪裝體系為30 mm 澆筑式瀝青混凝土（下面層）+40 mmSMA（上面層）。澆筑式瀝青混凝土密實性好，在我國北方嚴寒地區，與鋼結構橋面具有很好的適應性[2]。上面層采用SMA 主要優點體現在較好的耐磨性及抗滑性、經濟性和施工便利性。

3 施工方案

主橋采用轉體法施工，下部基礎及轉動系統施工完成后，搭設塔吊進行塔柱節段吊裝施工，同步進行主梁支架塔設。支架沿著既有鐵路線搭設，在支架上一次拼裝鋼箱梁176 m 到位及澆筑邊跨78 m 長。待混凝土箱梁強度達到設計強度的90%，張拉預應力。通過計算進行合理配重，并第一次張拉預應力脫架。拆除塔吊及部分支架，進行稱重及配重，試轉。試轉成功后，一次轉體72°到位。主梁就位后，進行封鉸及支座安裝，調整索力，并逐步卸除配重，完成體系轉換。施工剩余附屬，最后調整索力，主橋完成施工。轉體施工關鍵流程如圖8 所示。

圖8 轉體施工關鍵流程示意圖

由于主跨存在橫向不對稱變寬，施工監控過程中除了要重視縱橋向稱重配重外，還應特別對橫向配重進行分析[3]。轉體結構的稱重試驗包括測試不平衡力矩、偏心距、摩阻力和摩阻系數。稱重試驗結束后，應與理論計算值進行比較，使轉體結構縱橫向均平衡以確保轉體施工的順利進行。由于該橋沒有設置合龍段，為了使兩側主梁同時上墩，施工過程主梁線形控制是關鍵。施工模擬設計按先張拉斜拉索至第一次設計索力的50%后再上100%配重，再調整索力至設計值的100%。轉體就位后，進行第二次索力調整，同時卸除配重，先卸除50%的配重，再調整50%的索力，再卸除全部配重，索力調整至第二次設計值。經過模擬計算，施工階段斜拉索的安全系數最小為2.2，滿足大于2 的要求。

4 結構計算

4.1 主要技術參數

4.1.1 設計標準

（1）道路等級：城市主干路。

（2）設計車速：50 km/h。

（3）設計荷載：城-A 級。

（4）設計基準期：100 a。

（5）結構安全等級：一級。

（6）地震基本烈度：8 度。設計基本地震加速度值為0.2g。根據本橋的工程場地地震安全性評價，場地規準化動力放大系數為2.5。E1 地震下地表水平峰加速度達到0.22g，特征周期0.55 s；E2 地震下地表水平峰加速度達到0.43g，特征周期0.80 s。

4.1.2 主要設計荷載

（1）恒載。一期恒載按實際輸入的截面面積，其中混凝土容重26 kN/m3。主梁主塔橫隔板、中橫梁、端橫梁、錨箱等采用荷載形式計入，二期恒載以荷載形式計入。

（2）活載。汽車荷載按城-A 級并提高30%。

（3）溫度荷載。鋼結構整體升溫44.6℃，整體降溫-45.1℃。混凝土結構整體升溫35.1℃，整體降溫-31.7℃。梯度溫度按規范考慮。

（4）基礎沉降。主墩基礎按沉降2.5 cm 考慮，邊墩及輔助墩基礎按沉降1.0 cm 考慮。

4.2 總體靜力分析

主橋總體靜力計算采用BSAP 程序進行，并運用慧加軟件進行了校核，模型采用梁單元與桁架單元混合建模，將全橋離散為有限元模型。對主梁、橋塔采用梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬。計算模型如圖9 所示。

圖9 計算模型圖示

據現行行業規范要求，考慮自重、活載、溫度荷載（整體及局部）、風荷載及沉降等作用，對預應力混凝土箱梁、鋼箱梁及鋼索塔按承載能力極限組合及正常使用極限組合分別驗算，主要計算結果見表1。從中可以看出，兩種計算程序基本吻合，且均滿足規范要求。

表1 主要計算結果

4.3 最寬處橫梁有限元分析

針對KP15 墩區域主梁橫向非對稱較大的變寬，研究橫向受力性能，利用Midas Civil 建立空間三維局部模型進行有限元分析,模型范圍為支點位置起梁長62.85 m。端部按照實際位置加支座約束，梁中采用固結的方式，拉索處約束豎向位移，將結構體系簡化為格子梁體系，縱向腹板及橫向隔板分別等效為縱梁和橫梁，上下頂板采用板單元建模。根據圣維南原理，取中間部分（紅色區域21 m）為研究對象，計算模型及車輛布載如圖10 所示。

圖10 計算模型及車輛布載

頂底板Miss 應力如圖11 所示，可以看出頂底板均存在一定的應力分布不均勻現象，且頂板更為嚴重，但總體應力均小于120 MPa。各主要構件計算結果見表2。

圖11 Miss 應力圖（單位：MPa）

表2 主要計算結果 單位：MPa

4.4 抗震分析

《城市橋梁抗震設計規范》針對基本烈度8 度及以上地區修建的斜拉橋優先考慮漂浮體系，綜合考慮本橋采用轉體施工方案及縱橫向雙向非對稱不平衡，為降低施工對鐵路影響的風險，設計選擇抗震體系較為不利的塔梁墩固結體系。主橋的抗震計算分析是保證結構安全的重要組成部分，采用Midas Civil 建立主橋的空間動力分析模型。其中，輔助墩和邊墩均采用摩擦擺減隔震支座，各墩處一側設置雙向活動支座，另一側設置縱向活動支座。西側邊墩采用JZLYQZ-7 MN，隔震周期2.8 s；輔助墩采用JZLYQZ-12.5 MN，隔震周期2.8 s；東側邊墩采用JZQZ-5 MN，隔震周期2.5 s。為了準確分析結構的地震響應及抗震性能，應考慮與之相鄰引橋的影響，建立斜拉橋東西各一聯的連續梁橋作為主橋的邊界條件。分析模型如圖12 所示。

圖12 抗震分析模型

非線性時程分析E2 地震作用下主要構件響應及其安全系數見表3。

表3 E2 地震作用下主要計算結果

從表3 中可以看出，鋼梁、鋼塔具有一定安全儲備。主塔墩底（KP14）在縱向+豎向組合下儲備較小，但均不小于1，滿足抗震性能要求。

5 結語

本文介紹了一座主跨163 m 跨鐵路雙向非對稱獨塔斜拉橋的設計與施工。針對橋址處地震烈度高、主梁雙向不對稱大幅變寬等特點，詳細介紹了主橋總體設計、主塔及主梁的結構構造及轉體施工方案，并對主橋總體靜力計算、變寬處局部三維分析及抗震分析。經計算表明，該橋結構設計合理，施工方案安全可靠，可為同類橋梁的設計與施工提供參考和借鑒。