獨塔不對稱斜拉橋
——谷河特大橋結構設計分析

毛攀，方正東 （1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088）

1 總體設計

橋梁平面位于圓曲線（起始樁號為K30+253，終止樁號為K31+569，半徑6000 m，右偏），橋梁縱斷面設計主要考慮的因素有航道的通航凈空尺度要求、大堤凈空要求、最高通航水位、路線縱坡、臺后填土高度等。

擬建橋梁航道高程控制。航道等級為天然和渠化河流Ⅵ級航道，設計最高通航水位28.68 m，按照通航凈空高度控制在設計最高通航水位以上不小于8.00 m 的要求，因此通航孔范圍內梁底高程在運營情況下不得低于36.68 m。

主橋為獨塔不對稱斜拉橋，跨徑布置為130 m+95 m。橋梁橫斷面布置為1.25 m（錨索區）+0.50 m（護欄）+11.75 m（行車道）+0.50 m（護欄）+1.00 m（中分帶）+0.50 m（護欄）+11.75 m（行車道）+0.50 m（護欄）+1.25 m（錨索區），因此全寬為29.00 m。

主梁為組合梁，鋼主梁采用“工”字型，橋面板預制，通過濕接縫現澆形成整體；塔柱采用矩形塔，高97.4 m，主跨及邊跨側均設置12 對斜拉索。過渡墩采用柱式墩接蓋梁，塔柱及橋墩采用承臺接群樁基礎，樁基采用鉆孔灌注樁，按摩擦樁設計。

2 結構設計

2.1 主縱梁設計

主梁是由“工”字型縱、橫梁及小縱梁通過各種形式連接而組成的鋼結構框架。橋面系采用預制混凝土橋面板，濕接縫采用現澆收縮補償混凝土，架設于鋼梁之上，通過與鋼梁的剪力釘連接，形成組合梁結構，主梁全斷面寬度為29.0 m，工字梁高度為3.0 m，兩鋼縱梁梁肋間距為28.1 m。

全橋斷面上共設置兩片鋼縱梁，根據結構受力分布、運輸安裝設備及方案、現場實際條件及架梁工藝與計劃安排等因素，全橋縱梁共劃分為7 類（編號為A～F），標準梁段長9.6 m。鋼縱梁腹板外側均設置有縱向加勁肋，斷面全高3.0 m，塔梁結合段增加至4.0 m。

橫梁兩端支承在兩片鋼縱梁上，計算跨度為27.2 m，橫梁均采用“工”字型斷面，標準段橫梁上翼緣板寬度600 mm、厚度30 mm，下翼緣板寬度600 mm、厚度50 mm，腹板厚度16 mm，標準間距3.2 m。

橫梁和橋面板在安裝過程中由于跨度較大，為保證其上部受壓區的穩定和方便橋面板的施工，在兩主縱梁間設置了三道全橋通長的小縱梁。小縱梁上翼緣鋼板寬度600 mm、厚度16 mm，下翼緣板寬度400 mm、厚度12 mm，腹板高度300 mm、厚度10 mm。

拉索系統在主梁上的錨固形式采用錨拉板結構，錨拉板位于鋼梁頂板處，通過焊接與鋼梁頂板形成整體。

圖1 谷河特大橋主橋橋型布置圖（單位：cm）

圖2 谷河特大橋主橋效果圖

橋面板通過主梁頂部的剪力釘與鋼梁結合成整體，剪力釘在橫梁上的排列考慮到橋面縱向預應力筋布置的不同，分別排列。剪力釘設置在普通鋼筋間距中間并避開預應力筋管道。全橋剪力釘均為工廠焊接，部分橋面板鋼筋所在區域的剪力釘需工地焊接，如剪力釘位置與鋼筋位置沖突，可適當移動剪力釘位置。剪力釘的檢驗、焊接工藝、焊接質量檢驗及生產焊接控制均應滿足有關規范要求。

2.2 橋面板設計

鋼梁上混凝土橋面板全寬29.0 m，支承在鋼主梁的邊主梁、小縱梁及橫梁組成的梁格體系上，橫梁每隔3.2 m 設置1 道，2 道主縱梁間設置3 道小縱梁，橋面板橫向按4 塊預制。橋面板設計為與上述梁格體系相結合的預制混凝土構件，現澆濕接縫形成整體，混凝土橋面板與鋼主梁通過布置于鋼梁邊主梁、小縱梁及橫梁頂面的圓柱頭焊釘結合后共同受力。混凝土橋面板分為預制和現澆兩部分，現澆部分為預制板間現澆縫，鋼梁、小縱梁頂現澆帶。為減少混凝土收縮徐變對結構產生的不利影響，要求預制板存放時間不少于6 個月，現澆接縫及現澆混凝土橋面板采用C55 補償收縮混凝土，預制板與鋼梁接觸部分在鋼梁邊緣粘貼寬6.5 cm、厚1 cm 的橡膠條。預制混凝土面板沿橋中心線對稱布置，板厚26cm，橋面橫坡由支承預制橋面板的鋼梁邊主梁與小縱梁間高差形成。為提高鋼梁上現澆新舊混凝土之間的縱向抗剪能力，預制板邊緣開有鋸齒狀剪力槽，并要求作鑿毛處理。預制板間橫向現澆接縫寬度0.47 m、邊主梁現澆帶寬0.77 m、小縱梁頂現澆帶寬0.47 m，橋面板現澆部分應注意養護，連續養護時間不少于14 天，防止出現干縮裂紋。過渡墩附近，混凝土橋面板縱向布置有預應力筋，預應力采用φs15.2-7mm 預應力鋼束，預應力束在橋面板濕接縫混凝土強度及彈模均達到90%且養護不少于7 天后方可張拉。預制橋面板采用支架安裝，在拼裝完成后的鋼梁上架設預制橋面板，現澆接縫連成整體與鋼梁結合，共同受力。

2.3 主塔設計

主塔全高（承臺頂面算起）97.4 m，包括上、下塔柱及上、下橫梁。主塔肢按普通鋼筋混凝土結構設計，上、下橫梁按預應力混凝土結構設計。

塔柱順橋向凈寬6.0 m，上塔柱塔肢橫向凈寬3.5 m，下塔柱橫向凈寬由3.5 m 漸變為5.0 m。塔柱為矩形斷面，塔柱中心為空，角點處均設有倒角，拉索錨固系統設置于上塔柱，上塔柱縱向塔壁厚度為1.2 m，橫向塔壁厚度為1.0 m，下塔柱為實心矩形截面。主塔與主梁固結，下橫梁為箱型斷面，按預應力混凝土結構設計。上、下橫梁預應力筋均錨固于塔柱外側，采用深埋錨工藝。主塔設置人孔，塔內設置人行爬梯供養護期間檢修用。塔內斜拉索錨固采用鋼錨箱錨固形式，斜拉索于塔內張拉。

2.4 斜拉索、鋼錨箱設計

主、邊跨各設置12 對斜拉索，主跨斜拉索梁上標準索距9.6 m，邊跨錨索間距6.4 m，斜拉索采用標準強度1860 MPa 鋼絞線體系，根據索力不同分別采用AM250-55、61、73 束鋼絞線。拉索主梁錨固形式采用錨拉板，拉索主塔錨固形式采用鋼錨箱，同時設置環向預應力，張拉端設置于塔端，斜拉索安全系數不小于2.5。斜拉索應具有索力測知設備，以便在施工過程及成橋運營過程中測知索力變化情況，且索力測知設備應具有可靠穩定性，具有在斜拉索的壽命期內可調整和可更換性；斜拉索需由制造廠家成套供貨，成套產品包括斜拉索、錨具、減震器、防雨罩、防護罩等，所有構件必須經嚴格的質量檢驗；斜拉索生產廠家應提供拉索靜載試驗報告、動載試驗報告、疲勞試驗報告。

斜拉索塔端錨固形式為鋼錨箱，鋼錨箱作為受力結構主要承受作用于其上的一組斜拉索的水平分力，鋼錨箱錨固于塔柱內壁上，單個塔肢設置12 套鋼錨箱。拉索的平衡水平分力直接作用于鋼錨箱，不平衡水平分力則作用于預埋鋼板及剪力釘傳至塔柱內壁，由塔柱承受；豎向分力由剪力釘傳到塔身，全部由塔柱承受。上下鋼錨箱之間及塔壁預埋鋼板上下之間采用螺栓連接的方式。

2.5 主塔基礎及過渡墩墩柱、基礎設計

主塔采用塔接群樁基礎，承臺方形，長16.7 m，寬16.7 m，其下布置9 根直徑2.5 m 的根式鉆孔灌注樁基礎，按摩擦樁設計。

過渡墩采用雙柱式矩形墩，橫向寬3.0 m，順向尺寸2.2 m，墩頂設置L型蓋梁，墩下為啞鈴型承臺接群樁基礎，承臺長7.4 m、寬7.4 m、厚3 m，承臺下為4根直徑1.8 m 的鉆孔灌注樁基礎，樁基按摩擦樁設計。

3 結構計算

3.1 主要技術參數

3.1.1 主要材料參數

①橋面鋪裝：瀝青混凝土，容重

25kN/m3。

②鋼材：Es=2.1×105MPa。

③鋼絞線：fpk=1860MPa、Ep=1.95×105MPa。

3.1.2 計算荷載

①恒載：一期恒載包括主梁、橋面板自重，二期恒載包括鋪裝、護欄等。

②活載：公路-Ⅰ級，考慮車道偏載作用。

③溫度荷載：整體升溫32.0℃，整體降溫33.7 ℃。

④風荷載：2.67 kN/m。

⑤支座沉降：取0.01 m，各種沉降的組合取最不利效應。

3.2 靜力計算

3.2.1 計算模型

采用MIDAS CIVIL 建立空間有限元模型，全橋共1382 個節點、1564 個單元，吊桿及系梁鋼束采用桁架單元模擬。計算模型如圖3所示。

圖3 全橋計算模型

圖4 縱梁豎向撓度（單位：mm）

3.2.2 計算結果

①結構剛度

根據計算結果，在活載作用下，主梁最大下撓度值為-83 mm，最大上拱值為24 mm，主梁最大撓度值為107 mm，小于L/600=217 mm，滿足規范要求。

②主梁應力

基本組合作用下，鋼縱梁應力如圖5、圖6 所示。縱梁上緣最大壓應力為202 MPa、下緣最大壓應力為224 MPa，均小于鋼箱梁容許應力設計值。

圖5 縱梁上緣應力（單位：MPa）

圖6 縱梁下緣應力（單位：MPa）

③吊桿承載力

承載能力極限狀態下吊桿的最大拉力接近于5446 kN，具體吊桿內力分布如圖7所示。最大拉力吊桿設計值為61根15.2 mm直徑的1860鋼絞線，1000×5446/（140×61）≈638 MPa＜1005 MPa（設計值），滿足規范要求。

圖7 承載能力極限狀態吊桿內力（單位：kN）

4 結論

本文主要對130 m+95 m 的獨塔不對稱斜拉橋——谷河特大橋的結構設計進行介紹。在設計階段結合斜拉橋總體設計和結構構造設計要求，選擇的合理的受力體系，使結構受力簡明合理。并對橋梁進行有限元計算分析，確保結構的強度剛度穩定性符合受力需要，滿足規范要求，為同類型的橋梁結構設計提供參考。