京杭運河矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計和受力分析

宋連鋒 ，高 金

（1.浙江大學(xué)建筑設(shè)計研究院，浙江杭州 310012；2.上海勘測設(shè)計研究院，上海 200434）

0 前言

矮塔斜拉橋又稱部分斜拉橋，是近年興起的一種新型橋梁結(jié)構(gòu)形式，兼有“斜拉橋”和“體外預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋”的雙重結(jié)構(gòu)特點，由于其具有較好的結(jié)構(gòu)性能、經(jīng)濟指標(biāo)和景觀效果，在城市橋梁中應(yīng)用越來越多。

1 工程概況

康運橋位于浙江省杭州市境內(nèi)康橋路跨越京杭運河處，是城北地區(qū)溝通運河?xùn)|西兩岸的重要節(jié)點。根據(jù)通航要求、城市景觀和施工工藝，綜合比較自錨式懸索橋、部分斜拉橋和獨塔斜拉橋等方案后，確定為三跨66 m+110 m+66 m雙塔雙索面部分斜拉橋結(jié)構(gòu)(見圖1)。

圖1 橋梁立面圖

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）河道情況：運河寬度根據(jù)現(xiàn)狀按100 m控制，為三級航道，通航凈空為7 m，最高通航水位為2.38 m。

（2）荷載標(biāo)準(zhǔn)：城-A級，人群荷載按3.5 kN/m2。

（3）道路等級：城市主干路。

（4）橋梁設(shè)計基準(zhǔn)期：100 a。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 總體設(shè)計

主橋橋型為三跨預(yù)應(yīng)力混凝土雙索面部分斜拉橋，跨徑組合66 m+110 m+66 m。機動車道按雙向6車道設(shè)計，人行道和非機動車道設(shè)置在中跨下緣挑臂處，中跨寬36.9 m，邊跨寬28.9 m。

該橋采用塔梁固結(jié)、梁墩分離的結(jié)構(gòu)體系，墩頂設(shè)支座，這樣可使部分斜拉橋的受力更加接近梁式體系，受力明確，結(jié)構(gòu)簡單。

3.2 上部結(jié)構(gòu)

3.2.1 主梁結(jié)構(gòu)

主梁采用單箱五室變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)結(jié)構(gòu)，混凝土等級為C50?？缰屑斑吙缰c處梁高2.4 m，中跨支點處為4 m，變高區(qū)域梁高按二次拋物線變化。

主梁設(shè)置縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力，縱向預(yù)應(yīng)力鋼束采用高強光面鋼絲和鋼絞線二種類型，橫向預(yù)應(yīng)力采用鋼絞線，豎向預(yù)應(yīng)力采用JL32精軋螺紋鋼。

箱梁頂寬28.9 m，中跨底寬36.9 m，邊跨底寬28.9 m（見圖2、圖3）。橋面雙向1.5%橫坡通過主梁腹板高度變化調(diào)整。

圖2 主橋邊跨箱梁截面圖（單位：cm）

圖3 主橋中跨箱梁截面圖（單位：cm）

斜拉索布置在左右兩個邊室。主梁除支點外，每個拉索錨固點處均設(shè)置橫隔梁。錨固截面橫隔梁間距為4 m，邊室梁寬0.4 m，中室梁寬0.3 m。中支點橫梁寬3.0～5 m，邊支點處橫梁寬2.0 m。

主梁頂板厚0.3 m，底板厚0.3～0.8 m，腹板均厚0.6 m，底板底緣和底板頂緣線性均按二次拋物線變化。

3.2.2 主塔結(jié)構(gòu)

橋面上部主塔結(jié)構(gòu)高16 m，為主跨的1/6.88。主塔采用C50混凝土實心截面，順橋向?qū)?.7 m，橫橋向?qū)?.7 m，局部勾弧線，凹槽裝飾。

主塔布置在機動車道外緣，塔身內(nèi)部設(shè)有鞍座，每根拉索對應(yīng)一個鞍座。鞍座采用分絲管形式，每個分絲管穿一根鋼絞線，以便將來可以單根換索(見圖4)。

圖4 主塔構(gòu)造圖（單位：cm）

在兩側(cè)斜拉索出口處設(shè)置抗滑錨頭，以防止鋼絞線的滑動。

3.2.3 斜拉索結(jié)構(gòu)

斜拉索為雙索面，單排索，兩索面橫向間距為26.7 m。塔上索距約0.75 m，梁上索距4 m。斜拉索在塔頂通過鞍座，兩側(cè)對稱錨固在梁內(nèi)（見圖5）。

圖5 斜拉索構(gòu)造圖

拉索采用環(huán)氧噴涂鋼絞線，型號為15-43。拉索采用多層防腐措施，單根鋼絞線為環(huán)氧噴涂，外包單層HDPE。鋼絞線外包HDPE套管。

拉索錨固體系應(yīng)與拉索配套使用。

3.3 下部結(jié)構(gòu)

3.3.1 橋墩

主塔墩采用C50混凝土實心墩，截面尺寸為6 m×4 m，橫橋向兩個橋墩相互獨立。主橋邊墩采用C40混凝土實心墩,截面尺寸為8.5 m×2.7 m，橫橋向兩個橋墩相互獨立。

3.3.2 基礎(chǔ)

主塔墩承臺采用C30混凝土，高4 m，基礎(chǔ)采用φ200鉆孔灌注樁。主橋邊墩承臺C30混凝土，高2.5 m，基礎(chǔ)采用φ150鉆孔灌注樁。

4 計算分析

結(jié)構(gòu)總體采用平面桿系程序分析后，采用橋梁博士計算程序建立全橋空間梁格模型（見圖6），計算縱梁、橫梁、橋塔、斜拉索在各施工階段、使用階段和承載能力極限狀態(tài)下的內(nèi)力、應(yīng)力、位移和強度。

圖6 梁格模型

多梁模型：縱梁的邊箱中部設(shè)置一根實縱梁，中箱腹板為一根實縱梁，為了提高活載加載的準(zhǔn)確性，人行道端部設(shè)置兩根虛縱梁，兩實縱梁中間設(shè)置一根虛縱梁；每根橫梁的位置設(shè)置一根實橫梁，在兩橫梁間隔大的地方設(shè)置一根虛橫梁，與縱梁形成梁格體系?？v梁自重只計算其腹板的重量。所有橫梁重量均按照實際計入，橋面鋪裝及欄桿等二期恒載均施加在橫梁上。

主梁、塔均采用梁單元模擬，斜拉索采用索單元，結(jié)合施工過程，全橋共劃分為2686個單元，2710個節(jié)點，22個施工階段。結(jié)構(gòu)靜力計算考慮的荷載有恒載、活載、溫度、不均勻沉降等。

4.1 縱梁計算（見圖7、圖8、表1、表2）

圖8 中縱梁成橋10 a正應(yīng)力圖

表1 邊縱梁混凝土組合正應(yīng)力匯總表

表2 中縱梁混凝土組合正應(yīng)力匯總表

在拉索和結(jié)構(gòu)自重作用下中縱梁和邊縱梁的最大壓應(yīng)力為12.65 MPa，邊縱梁上緣出現(xiàn)拉應(yīng)力，但在規(guī)范要求內(nèi)。成橋及10 a后中縱梁和邊縱梁均處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力為10.19 MPa，最小壓應(yīng)力為0.70 MPa，均滿足規(guī)范要求。邊縱梁短期組合最小正應(yīng)力為-0.98 MPa（拉應(yīng)力），長期組合最小正應(yīng)力為1.00 MPa，標(biāo)準(zhǔn)組合最大正應(yīng)力為14.25 MPa。中縱梁短期組合最小正應(yīng)力為-1.35 MPa（拉應(yīng)力），長期組合最小正應(yīng)力為0.69 MPa，標(biāo)準(zhǔn)組合最大正應(yīng)力為14.85 MPa，均滿足規(guī)范要求。

4.2 橫梁計算

箱梁的橫向計算分為三種模式：（1）端橫梁：帶懸臂的實心橫梁，支點數(shù)與支座位置對應(yīng)；（2）斜拉索錨固處內(nèi)橫梁：以索梁錨固點為支撐的懸臂工字梁；（3）塔下橫梁：以支座為面支撐的懸臂工字梁，主塔荷載以面荷載施加于橫梁。

4.3 索塔局部空間分析

選取主塔下層的三根分絲管位置的節(jié)段（C1～C3）進行分析，荷載選取最不利荷載組合下的內(nèi)力進行加載，包括上部主塔塔身傳遞的內(nèi)力，斜拉索C1～C3在分絲管位置混凝土的等效徑向力和節(jié)段塔身自重。

在正常使用最不利組合工況的索塔內(nèi)力及斜拉索索力作用下，索塔節(jié)段整體的受力較為均勻，應(yīng)力水平基本合理；斜拉索孔道局部位置應(yīng)力水平與相鄰混凝土相比有一定提高，但仍在合理范圍內(nèi)；在斜拉索分絲管齒板位置則出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但范圍極小，對結(jié)構(gòu)的整體受力性能影響較小。

5 橋梁施工

5.1 基本流程

0#節(jié)段利用承臺上支架進行混凝土澆注施工，節(jié)段施工采用掛籃懸臂澆注法。0#節(jié)段澆注完畢后，安裝掛籃和對稱澆注1#塊，張拉相應(yīng)預(yù)應(yīng)力束；掛籃轉(zhuǎn)移錨固，澆注2#塊并張拉相應(yīng)預(yù)應(yīng)力束；澆注3#塊，張拉相應(yīng)預(yù)應(yīng)力束,然后張拉第一根斜拉索。按此順序施工其他節(jié)段及張拉其他拉索。最后進行邊跨合攏段和中跨合攏段施工。

5.2 中跨邊跨不等寬的處理

主橋箱梁節(jié)段在中跨和邊跨斷面寬度不同（見圖2、圖3），自重也有一定差異（主要是箱梁挑臂的重量），為保證箱梁懸臂對稱施工的要求，可考慮兩次施工和整體施工兩種施工方案。

兩次施工是指懸臂對稱施工時不施工中跨箱梁兩側(cè)4 m挑臂，待全橋合攏后澆筑；整體施工是指懸臂對稱施工時對整個中跨箱梁斷面整體澆筑，采取相應(yīng)措施消除對稱施工時中跨、邊跨箱梁節(jié)段重量不平衡的問題。

綜合比較支架搭設(shè)、施工難度、周期等因素后，考慮采用調(diào)整邊跨結(jié)構(gòu)尺寸的方法來平衡中跨挑臂的不平衡重量，通過計算，挑臂重量占箱梁混凝土重量的比例在5.8%～7.5%之間，扣除腹板厚度，每米挑臂重量等價于邊跨箱室內(nèi)增加頂?shù)装搴穸燃s13 cm/m。

6 結(jié)語

（1）部分斜拉橋在目前的100 m～300 m跨徑的橋梁選型中被屢次應(yīng)用，因其造型美觀、施工簡便、經(jīng)濟指標(biāo)合理成為非常具有競爭力的橋梁結(jié)構(gòu)形式。

（2）康運橋作為省內(nèi)跨越京杭運河的第一座部分斜拉橋，豐富了運河橋梁的種類和景觀（見圖9）。

（3）該橋梁結(jié)構(gòu)降低了梁高和橋面標(biāo)高，減少橋梁長度，且懸臂施工可避免對繁忙的河道運輸?shù)挠绊憽?/p>

（4）因地制宜地進行人性化考慮，在主跨下緣設(shè)置人行道，減少行人爬坡高度并與車行道區(qū)域隔離，并在設(shè)計上考慮邊中跨不等寬引起的對稱施工的不平衡問題。

（5）整體結(jié)構(gòu)計算可采用平面桿系和梁格進行，對于索梁錨固區(qū)、塔梁固結(jié)點和索塔上鞍座處局部受力情況應(yīng)進行空間分析，可為其他同類型橋梁提供參考和借鑒。

圖9 成橋?qū)嵕?/p>

[1]鄭一峰.混凝土部分斜拉橋設(shè)計理論研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2005：212-213.

[2]嚴(yán)國敏.試談“部分斜拉橋”—日本屋代南橋、屋代北橋、小田原港橋[J].國外橋梁，1996，（1）：47-50.

[3]高飛，陳淮，等.部分斜拉橋力學(xué)性能分析[J].鄭州大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2005，26（1）：54-56.