大跨度剛構部分斜拉橋設計關鍵技術分析

管澤翔

摘要 大跨度斜拉橋是現代橋梁工程的重要分支，適于超越寬闊水域或復雜地形建設，斜拉索則將橋面懸掛于塔上實現大跨度設計。文章選擇案例分析法，以某綠道建設工程的斜拉橋施工中主橋和引橋設計為研究對象，旨在探索大跨度剛構部分斜拉橋的設計與施工技術，提高該類橋梁設計效率、結構穩定性。施工技術包括動力學特性、風振控制、施工技術及荷載分析，結果顯示，合理規劃斜拉橋設計技術可提升橋梁的穩定性和耐久性。

關鍵詞 大跨度；剛度；斜拉橋；設計

中圖分類號 U448.27文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）06-0137-03

0 引言

大跨度剛構部分斜拉橋結構為剛性構件、斜拉索，大跨度剛構部分斜拉橋橋梁設計中橋面由剛性構件支撐，斜拉索則提供額外支持并輔以穩定性，因此實現橋梁跨越距離并保持結構剛性、穩定性的目標。

1 工程概況

某綠道建設工程位于中國云南，該工程包含一條主線和兩條支線，總長約286 km。主線長約278 km，起點位于某聯絡道起點，終點與國道相接。該項目中需設置景觀斜拉橋一座（以下簡稱“該橋”），中心樁號為K14+553.3，主結構為一座168 m長的斜拉橋，一側岸邊設有5×8 m的引橋。

2 施工水文地質條件分析

該區域的立體氣候獨特，該地區的巖石由上古生界中淺變質巖和侵入巖體組成，受構造運動、巖漿侵入影響。怒江為主要地表水源，流域面積約1 000 km2，河床狹窄，水流湍急，地下水主要分布于第四系松散層和基巖裂隙中。基巖裂隙水主要存在于石炭系玄武巖中，水位受地形控制，地表水和地下水對混凝土結構和鋼筋混凝土結構具有輕微的腐蝕性。

3 大跨度剛構部分斜拉橋設計要點

3.1 主橋

該橋主橋長度達168 m，整體橋寬為4 m，包括兩側的欄桿和中間3.5 m寬人行道。主梁采用鋼-混凝土混合梁設計，如圖1所示。靠近主塔為混凝土段主梁，與主塔固結。混凝土梁段與鋼梁段之間通過鋼混結合段連接，以實現結構剛度的漸變，保證橋梁的整體強度和穩定性。混凝土標號為C50，而鋼梁采用Q345qD高強度鋼材，保證結構的堅固耐用。鋼梁箱形斷面設計使結構穩定性提升，標準梁段長12 m，提供充足支撐力[1]。橋主塔采用弧形門架塔設計，實心截面。塔的尺寸設計符合橫橋和順橋方向的穩定性需求，塔高81 m，底部尺寸順橋向為12.5 m，橫橋向為7.7 m，為整體結構提供支撐。斜拉索采用扇形布置，索采用GJ鋼絞線整束擠壓式拉索體系，共有三種規格：GJ15A（C）-4、GJ15A（C）-6、GJ15A（C）-9，以滿足不同部位的力學要求。此外，主橋還設有兩對背索，也采用鋼絞線拉索體系，規格為GJ15A（C）-12。索塔的承臺設計厚度為3.5 m，順橋向長度為16.4 m，橫橋向長度為11.9 m，下方設有12根直徑為1.8 m的鉆孔灌注樁，采用鉆孔摩擦樁設計。

3.2 引橋

位于小半徑平曲線上的引橋采用8 m跨徑的現澆混凝土連續板結構，能有效適應地形變化，小樁號側引橋設計為5 m×8 m跨徑，如圖2所示。引橋結構采用鋼筋混凝土現澆板，板寬4 m，板厚達到50 cm，保證結構強度和穩定性，也能承受交通荷載和環境因素的影響。橋墩設計為柱式墩，墩柱直徑為0.8 m，接0.12 m直徑的樁基。柱頂設有蓋梁以提升結構穩固性。橋臺部分采用重力式設計，以提供良好的穩定性。在不均勻地質條件下能有效分散荷載，減輕地基壓力。由此可知，引橋的設計要素囊括結構功能性、穩定性和環境適應性。

4 大跨度剛構部分斜拉橋設計施工要點

4.1 混凝土結構

該橋的混凝土結構施工涉及地錨、索塔、引橋等部分，包括預應力混凝土部分，其施工過程需嚴格控制材料選擇和施工技術。混凝土材料方面，主梁和塔柱使用C50混凝土，承臺和樁基則采用C35混凝土，而兩岸引橋和地錨采用C45混凝土。混凝土施工關鍵在于控制溫度裂縫和水化熱，以及保證混凝土結構的均勻性和強度。為此，混凝土表面與接觸物的溫差在15 ℃以內，低溫條件下需采用保溫措施。混凝土拆模時間的確定需考慮強度、內外溫差，以避免因溫度變化過快導致開裂。大體積混凝土施工如承臺和索塔需注意入模溫度的控制以防止由于溫度變化引起的裂縫。鋼筋加工、安裝和質量驗收都需嚴格遵守《公路橋涵施工技術規范》，施工中需對鋼筋的位置進行調整以避免與預應力管道或其他主要構件干擾。此外，施工過程要密切注意施工觀測和記錄，保障質量檢驗的準確性，并將觀測數據和施工記錄寫入工程竣工報告，以預防風害并采取環境保護相關措施。

4.2 鋼結構

該橋的鋼結構元素包括主梁的縱梁、橫梁、橋面板以及加勁部分，均采用Q345qD鋼材，符合《橋梁用結構鋼》（GB/T 714—2015）的規定。焊接材料包括焊條、焊劑、焊絲等，均須匹配母材，遵循相關國標規定，如《氣體保護電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲》（GB/T 8110—2008），高強度螺栓為10.9級，滿足《鋼結構用高強度大六角頭螺栓》要求。斜拉索使用標準抗拉強度為1 860 MPa的多根鋼絞線，其性能嚴格控制并滿足《預應力混凝土用鋼絞線》的規定。斜拉索體和錨頭為成品，且外涂防銹油脂，采用三層防腐處理以提高耐久性，斜拉索安裝時需采取措施防止外層HDPE護套的劃痕和破裂，以及顏色的污染。拉索張拉應確保張拉后每根拉索的索力準確。鋼箱梁的制造按照國內相關規程和規范實施，分節段在工廠制造并現場吊裝、焊接成橋。鋼箱梁共分為13個梁段，最大梁段長為12 m。制造過程采用減小焊接變形和收縮的工藝，所有類型的焊縫需進行焊接工藝評定試驗，進場的鋼板應進行化學成分和力學性能試驗，確保斜拉索使用的鋼材符合設計要求。鋼梁的油漆防腐工作應在廠內進行初步處理。由于鋼箱梁為全焊結構，結構焊縫所產生的焊接變形和殘余應力較大，制造應采用焊接變形小焊縫收縮小的工藝，所有類型的焊縫在施焊前應做焊接工藝評定試驗，試驗的指導原則：焊縫及其熱影響區?20 ℃時V型沖擊韌性、屈服強度、抗拉強度不低于對母材的要求。所有要求熔透的對接焊縫及連接焊縫均應熔透并對焊縫打磨，以保證有較高的抗疲勞強度；所有要求熔透的角焊縫，原則上都應熔透，熔透確有困難可開坡口焊接，坡口焊接的角焊縫一般以不小于1.5（t）1/2考慮取值，t為兩焊件中較厚焊件的厚度，采用二氧化碳氣體保護焊。對進場的鋼板均應分批進行化學成分和力學性能的檢驗，確保斜拉索采用的鋼材符合設計力學性能。鋼梁前幾道油漆防腐應在廠內進行，最后一道到現場待橋面安裝完成后一次性全面噴涂。板件組成梁段的步驟：鋼－混凝土接合段制造流程：端板—底板—腹板—橫隔板—頂板；鋼箱梁：底板—腹板—橫隔板—頂板。組裝必須在胎架上進行，胎架長度不得小于五個梁段的長度，按設計線形及梁段間預留的間隙（還需計入焊接收縮量）使相鄰梁段連接斷面相匹配，然后施焊組裝焊縫。施焊完畢，標記梁段號，將前三個梁段運出堆放，留下最后兩個梁段，與下三個梁段進行預拼裝。梁段拼裝順序應與吊裝順序相同，吊裝時不允許調換梁段號，梁段預拼裝線形待橋面吊機重量確定后給出。

5 大跨度剛構部分斜拉橋施工關鍵技術分析

5.1 動力學特性與風振控制

大跨度剛構斜拉橋具有獨特的動力響應特性，該橋的動力學特性分析首先需要考慮結構的自然頻率和振型，直接影響橋梁對風荷載的敏感度。風速增大時，橋梁可能遭受較大的橫向風振，甚至導致橋面產生大幅度的振動。為有效控制風振，選擇流體動力學模擬預測在不同風速和風向下橋梁的動態響應，或可安裝阻尼器控制風振，吸收部分結構振動能量，減少由風荷載引起的振動幅度。斜拉橋設計中應在橋塔和斜拉索中合理配置阻尼器，估算橋面板設計對減少風的影響，還需進行風速和風向實時監測，在強風條件下采取相應的安全措施。由此可見，大跨度剛構斜拉橋風振控制策略的設計和實施，是確保其長期穩定性和安全性的關鍵。綜合應用動力學分析、流體動力學模擬和現場監測數據，為橋梁設計提供科學依據，使其在復雜風環境下保持結構安全性。

5.2 施工技術

大跨度剛構部分斜拉橋施工技術的應用是為了確保結構穩定性和施工效率。施工過程中的結構穩定性需通過臨時支撐結構和斜拉索有序安裝保證。施工策略應保障各階段結構穩定性和力學性能，避免過度變形或損傷。大跨度剛構斜拉橋設計結構的幾何形狀、尺寸和位置的控制應達到精細化水平，可使用先進的測量和定位技術，如全站儀和GPS系統，實現施工組件準確對接和定位。此外，施工現場的噪音、揚塵和廢料處理需符合環境保護標準[2]，施工安全計劃應涵蓋潛在危險和應急措施，確保施工人員安全。

5.3 荷載分析

荷載分析是對施工階段及最終結構承受的荷載綜合考量，自重荷載即結構自身重量，是持續作用在橋梁上的主要荷載。施工階段，此荷載隨結構組件安裝逐漸增加，施工荷載包括施工人員、設備、材料等重量，需在施工計劃中精確計算并合理分配，避免過大應力，施工導致局部超載或不均勻負載，影響結構穩定性。動力荷載如車輛和行人的運動荷載雖不主要，但在設計和施工規劃中仍需予以考慮，因其影響橋梁長期使用，對施工安全性產生影響。

6 大跨度剛構部分斜拉橋耐久性與維護

6.1 混凝土結構養護

水泥的選擇關鍵在于使用低水化熱、低堿含量的穩定質量水泥，且鋁酸三鈣（C3A）含量不超過8%，堿含量（按Na2O計）不超過0.6%，同時應選擇比表面積不超過350 m2/kg的硅酸鹽水泥。細集料應選用級配良好、吸水率低的潔凈天然中粗河砂或合格的人工砂，粗集料則應選用堅硬、粒形良好的碎石或卵石，且有害物質含量需嚴格控制[3]。混凝土用水應清潔且無有害雜質，粉煤灰等礦物摻合料應符合GB/T 1596—2017的規定。外加劑選擇應符合GB 50119—2013及相關標準，進行化學成分和劑量適應性試驗，參照最佳摻量、緩凝時間等多項指標。

6.2 鋼結構涂裝

該橋鋼結構涂裝中鋼材組裝前必須經過徹底除銹處理，鋼箱梁頂面處理符合鋪設瀝青混凝土要求。除銹采用噴丸除銹技術，鋼材表面無油污、氧化皮、鐵銹等雜物，清凈度達到國標GB/T 8923.4—2013規定的Sa2.5級，表面粗糙度達到25～60 μm。噴丸操作需控制好風壓、噴射角和距離，濕度低于85%的環境中，除銹后需在4 h內完成涂裝。涂裝工作采用高壓氣噴涂方式以提高涂層的質量和均勻性。涂裝過程中需嚴格控制環境條件，避免在雨雪霧天及高濕度環境下進行，確保涂層的平滑、均勻和無缺陷。涂層膜厚也需遵循涂料技術要求并重視對涂層損傷處的修補，保障涂裝質量。涂裝材料必須選擇性能可靠、附著力強、耐候性好的涂裝防護體系，建議外涂裝采用水性涂層+油漆涂層，如車間底漆、底漆、中層漆、面漆，干膜厚度分別為20 μm、80 μm、2×80 μm、

2×40 μm。內涂裝則采用全油漆涂層，如車間底漆、底漆、面漆，干膜厚度分別為20 μm、50 μm、2×100 μm。鋼結構的防腐與涂裝還需經嚴格質量檢查及驗收，確保除銹和涂裝工作達到標準要求。

7 結語

綜上所述，大跨度剛構部分斜拉橋的設計綜合性較強，未來工程實踐應集成上述關鍵技術，以優化設計方案，提高施工效率，確保工程安全，最終實現結構的長期穩定和經濟效益。

參考文獻

[1]張明金， 戴逸巖， 喻濟昇， 等. 超大跨度斜拉橋橫橋向恒載不對稱結構合理施工狀態研究[J]. 鐵道技術標準（中英文）， 2023（6）： 1-9.

[2]曹紹江， 熊飛， 李娜. 大跨度斜拉橋鋼-混結合段局部受力預測方法[J]. 山西建筑， 2023（12）： 170-173.

[3]李曉莉， 李小雙. 大跨度斜拉橋時程分析輸入地震波峰值調整方法[J]. 地震科學進展， 2023（1）： 11-20.