獨塔雙邊箱梁斜拉橋總體設計

任政 張超

中鐵二院工程集團有限責任公司 四川 成都 610031

獨塔斜拉橋因其具有較大的跨越能力和良好的景觀效果得到了廣泛運用[1]。近年來城市中修建獨塔斜拉橋也越來越多，不同于公路橋梁，城市橋梁修建邊界復雜，景觀需求高，落墩困難，凈空受限等外部邊界對城市橋梁設計提出了較高要求[2]。本文以廣州某獨塔斜拉橋為例論述了該橋的總體設計，解決了多項重點難點問題，包括凈空受限下采用較小梁高的雙邊箱主梁設計，狹窄落墩空間里的主塔設計，靜動力不同受力需求的合理約束體系的設置，塔墩兼顧景觀與受力的鏤空設計思路，以及淤泥質土深厚分布的軟弱基坑設計方案。本橋為典型受限邊界下的城市橋梁，設計中的各種難點可為類似橋梁提供參考。

1 工程概況

廣州慶盛樞紐區塊為南沙自貿區七大板塊之一（功能定位：現代服務業國際合作區），區塊位于廣州市南沙區東涌鎮內，約8平方公里。橫一路為城市主干路，雙向六車道，設計速度50km/h。橫一路主橋為（2×135）m獨塔雙索面預應力混凝土斜拉橋 ，橋寬28.5m。跨越石排涌、京珠高速、地鐵4號線，3組高壓輸油輸氣管線，為橫一路工程中的重要節點。主橋跨徑布置見圖1。

圖1 獨塔斜拉橋總體布置圖

2 主要技術標準

道路等級：城市主干道；荷載等級：城—A 級；橋梁寬度：主橋橋面寬28.5m(加上兩側風嘴，梁寬29m)；抗震設防：工程區地震基本烈度為7度，根據地震安評報告，場址地震基巖水平加速度峰值分別為：117cm/s2（100Y10%，重現期941年），167cm/s2（100Y4%，重現期2410年），抗震設防類別為甲類；抗風設計標準：基本風速U10=32.2 m/s，橋梁設計基準風速(主梁基準高度處) Ud=40.8m/s，施工階段抗風風險系數取0.84。

3 橋梁總體設計

3.1 橋跨布置

本橋位于直線上，跨越石排涌、京珠高速、地鐵四號線高架橋、3組高壓輸油輸氣管。方案階段對大跨連續梁、獨柱塔單索面斜拉橋、H型塔雙索面斜拉橋進行了比選，大跨連續梁及獨塔塔單索面斜拉橋因橋下凈空受限不予采納，最終確定了雙索面斜拉橋方案。全橋分為西引橋、主橋、東引橋。全橋跨徑布置為25+(25+2×20+25)+4×25+4×25+(2×135m)+5×25+25m，主橋采用2×135m獨塔雙索面預應力混凝土斜拉橋，采用半飄浮體系，塔墩固結、塔梁分離，主梁在索塔下橫梁上設置豎向支承，交界墩上設置豎向支承。橋型布置見圖1。

3.2 橋面布置

主橋橫斷面布置為：1.5m（檢修道）+0.5m（防撞護欄）+11.5m（橋面行車道凈寬）+0.5m（防撞護欄）+0.5m+0.5m（防撞護欄）+11.5m（橋面行車道凈寬）+0.5m（防撞護欄）+1.5m（檢修道）=28.5m。

4 結構設計

4.1 主梁

主梁采用預應力混凝土雙邊箱梁，標準梁段中心梁高2.7m，雙邊箱寬8.5m，箱室內頂板厚0.3m，箱室外頂板厚0.3m，直腹板厚0.4m，底板厚0.35m；邊跨18-19號梁段腹板加厚至0.6m。主梁采用后支點掛籃懸臂澆筑，標準懸澆段長6m，邊跨端部現澆段長7.14m，跨合龍段長2.0m。主梁橫梁厚度0.4m，為了滿足橫向布置預應力的需要，通過馬蹄形式過渡，箱內橫梁設置檢修過人孔。中橫梁厚2m，邊跨端橫梁厚2m。主梁標準段典型橫斷面圖見圖2。

圖2 主橋標準段典型橫斷面圖

4.2 橋塔

索塔采用花瓶型橋塔，由下塔柱、中塔柱、上塔柱、上橫梁和下橫梁組成，塔柱及橫梁采用C55混凝土。索塔高83.5m，其中上塔柱高44m，中塔柱高30.2m，下塔柱高9.3m。塔柱采用矩形空心截面，四角設置100×20cm倒角，上塔柱橫橋向寬3.5m、壁厚0.8m，縱橋向寬6.0m、壁厚1.2m；中塔柱橫橋向寬3.5m、壁厚0.8m，縱橋向寬6.0m、壁厚1.2m；下塔柱橫橋向寬38～29.9m，縱橋向寬6.0m。

上、下橫梁均為預應力混凝土結構，采用矩形空心截面。上橫梁縱橋向寬4m、壁厚0.9m，豎向高3～4m、壁厚0.6m；下橫梁位于板墩頂，為實心截面，縱橋向寬4m、壁厚1m，豎向高2.5m，橋塔結構見圖3。

圖3 橋塔構造

4.3 斜拉索

斜拉索采用M280型環氧噴涂鋼絞線斜拉索體系，鋼絞線標準強度1860MPa。拉索體系主要構成為錨固段、自由段、過渡段三部分組成。本項目張拉端設置于索塔上，錨固段設置于主梁上，拉索采用無粘結型拉索。索塔上索距從上到下分別為17個1.75m，1個2m，1個2.5m。梁上索距橫橋向為26.5m，在垂直橋面高度8m范圍以內，拉索設置有防火系統。對于Z14-Z20、Y14-Y20斜拉索,在靠梁端設置外置阻尼器。斜拉索總裝配圖見圖4。

圖4 斜拉索總裝配圖

4.4 下部結構設計

索塔承臺采用八邊形截面，橫橋向長33.6m，順橋向寬12.28m，厚4.5m，封底混凝土厚度為20cm。承臺采用C40混凝土，封底混凝土采用C30混凝土。索塔承臺下承接了19根直徑2.2m的樁基，樁間距5m，樁基采用C35水下混凝土，承臺平面圖見圖5。

圖5 承臺平面圖

5 結構分析

5.1 計算模型

整體計算采用大型通用有限元軟件midas civil建立空間模型進行分析，主梁采用梁單元，拉索采用桁架單元，采用恩斯特修正彈模法以考慮拉索垂度效應。計算模型見圖6。

圖6 計算模型

5.2 計算荷載

計算荷載包括自重、二期恒載、混凝土收縮徐變、支座沉降、汽車荷載、溫度作用（體系溫度＋梯度溫差）、風荷載（組合風、百年極限風）、制動力等作用效應。

荷載組合包括組合一：恒載；組合二：恒載＋汽車荷載；組合三：恒載＋汽車荷載＋溫度＋組合風＋制動力；組合四：恒載＋百年極限風。

5.3 結構驗算

(1)剛度驗算：經計算，活載作用下主梁正負豎向撓度絕對值之和為0.12m＜L/500=0.27m，該橋豎向剛度滿足規范要求。

(2)斜拉索驗算：成橋階段基本組合下斜拉索最大應力為763MPa≤1005MPa，斜拉索設計滿足規范要求。

(3)混凝土梁驗算：頻遇效應組合作用下，主梁下緣最小壓應力1.4MPa，主梁上緣最小壓應力0.15MPa，未出現拉應力。標準值組合下，主梁下緣最大壓應力為15.28MPa，上緣最大壓應力為15.42MPa，最大主壓應力為15.6MPa，均滿足相應規范要求。

(4)索塔驗算：選取主塔柱6個典型位置、位置處截面進行驗算，分別進行正截面承載能力驗算以及抗裂驗算。計算結果表明，索塔正截面承載能力均滿足要求且有一定富余，主塔柱安全系數≥1.6，同時塔柱截面作為偏壓構件均能滿足eo/h≤0.55，按規范可不進行裂縫寬度驗算。

(5)抗震驗算：采用反應譜及時程進行計算，結果表明采用減隔震設計后地震作用下結構均處于彈性狀態，受力滿足要求。

6 設計難點及措施

6.1 狹窄落墩空間與索塔設計

本橋索塔位于京珠高速與地鐵四號線之間的狹窄地帶，索塔承臺平面布置困難，設計時首選獨柱塔以便基礎布置，但因獨柱塔主梁會采用大懸臂梁，梁高較大不能滿足橋下凈空需求，因此只能采用雙柱H型索塔，且不能像傳統雙柱式H型塔那樣的直上直下，因為基礎受限。為了解決此問題，設計時樁基采用梅花型布置，承臺采用消角的八邊形以減小平面尺寸。

6.2 下塔柱板墩兼顧力學與景觀的鏤空設計

本橋下塔柱設計時優先考慮內傾的雙柱式塔肢，但因下塔柱較矮，橫橋向尺寸較寬，框架效應明顯，下橫梁預應力鋼束張拉引起很大的次內力，預應力鋼束效率低，因此采用了更優的板墩方案。

板墩設計時為了兼顧景觀及受力采用了鏤空設計。鏤空區域的大小根據Ansys軟件建立實體模型進行分析，將受力較小的區域進行扣除。

6.3 下塔柱板墩頂橫梁兼顧施工及運營階的鋼束張拉設計

本橋下塔墩頂2.5m高度范圍內為下橫梁，其不僅承受中塔肢向外的推力還承受支座傳遞的豎向力，屬于拉彎構件，又因位于應力繞動區，受力復雜，因此根據實體計算布置了大量的預應力鋼束。因掛索前下橫梁受力較小，因此不能將鋼束全部張拉，否則塔柱底外側將出現較大拉應力，不能滿足要求。為了兼顧施工及運營階段的受力需要，下橫梁鋼束采用兩次張拉，在施工至下橫梁時張拉第一批鋼束，然后施工至扣掛5號斜拉索時在張拉剩余鋼束。

6.4 高烈度長特征周期抗震設計與靜力設計不同的邊界需求

本橋因位于出海口沖擊平原，軟土分布深厚，特征周期長，峰值加速度大，結構的更多振型周期位于反應譜曲線[3]平臺段，結構地震響應強烈，抗震控制結構設計。總體設計時從抗震角度出發選取了半飄浮體系以便在塔梁之間設置粘滯阻尼器進行消能減震[4]，阻尼器要發揮作用勢必要求塔梁間縱向不能固定，但這種邊界對于靜力工況如制動力或順橋向風荷載作用時，梁端將產生過大位移，伸縮縫寬度需求大且容易損壞。因此為了兼顧靜動力不同的邊界需求創新提出了熔斷球鋼支座配合粘滯阻尼器方案。熔斷球鋼支座通過設置限力擋塊以適應不同的狀態需求，靜力工況時支座所受的水平力較小，支座處于固定狀態，地震作用時支座所受水平力較大，當水平力大于設定的閥值時限位擋塊斷掉，支座處于活動狀態，此時阻尼器能夠發揮消能減震作用。

6.5 位于既有高速路基邊坡且與既有高架橋橋墩相聚較近的基坑設計

本橋橋塔位于京珠高速與地鐵四號線高架橋之間的狹長地帶，且橋塔承臺并不順狹長地帶走向布置，承臺長邊與狹長地帶走向間夾角為22度。承臺平面西南角已進入京珠高速路基邊坡范圍，東北角距離地鐵四號線高架橋墩6m，距離高架橋投影面外3m安全距離線僅2.1m，因此承臺開挖需要進行基坑支護才能保證京珠高速路基的穩定及地鐵高架橋橋墩的穩定。

本基坑長度36.1m，基坑寬度14.75m，基坑深度范圍3.36～4.76m。基坑內淤泥質土分布深厚，因此采用直徑1m間距1.2m的鋼筋混凝土灌注樁及冠梁作為支護結構。支護樁外側設置直徑0.7m間距0.5m的單軸攪拌樁用于止水，支護樁內側的基坑范圍內設置直徑0.7m間距0.5m的單軸攪拌樁用于被動區加固。

基坑南側已進入京珠高速下穿的人行通道八字墻范圍，因此基坑設計時考慮施工措施與永久結構相結合將既有八字墻拆除，新作基坑支護墻用作人行通道的八字墻，如圖7。

圖7 基坑支護平面

7 結論

廣州橫一路主橋為獨塔預應力混凝土梁斜拉橋，主梁采用雙邊箱斷面，主塔采用帶鏤空板墩的異形H形索塔，結構體系為半漂浮體系。經計算分析，結構的各項設計指標均滿足規范要求。該橋為典型的城市橋梁，邊界復雜，受控因素較多，該橋總體設計中解決了多項重點難點問題，如熔斷球鋼支座配合粘滯阻尼器方案解決靜力、抗震不同階段的受力需求；臨近既有橋墩的軟基基坑加固方案等。該橋的設計將結構美觀性與受力合理性很好地結合在一起，其構造設計思路及難點重點問題可對類似橋梁提供借鑒作用。