預應力混凝土無背索斜拉橋設計分析

劉 劍，馬 勇

（新疆生產(chǎn)建設兵團勘測規(guī)劃設計研究院公路分院，新疆 烏魯木齊 830002）

1 工程概況

農(nóng)五師工業(yè)園區(qū)橋位于博樂市農(nóng)五師工業(yè)園區(qū)內(nèi)。此橋擬建位置在農(nóng)五師南北工業(yè)園區(qū)之間，橫跨博樂河，北接農(nóng)五師北工業(yè)園區(qū)規(guī)劃中的幸福路或新市路，南接農(nóng)五師南工業(yè)園區(qū)。根據(jù)博樂市城市防洪規(guī)劃，博樂河防洪遠期規(guī)劃為百年一遇，設計洪水流量320m3／s，橋位處河床寬度約90m。下游橡膠壩建成后，博樂河常年蓄水位11.50m，河床底高程6.8m，堤頂高程13.8m，橋位處河流較順直，常年水深約2m?，F(xiàn)博樂河綜合治理工程已基本結(jié)束，兩岸沿河道路均已建成，兩岸為成片的風景綠化帶。北岸綠地寬約65m，灘地高程在12m左右，綠地外側(cè)為濱河路，南岸綠地寬約100m，高程在13m左右。綠地外側(cè)幸福路、濱河路均與博樂河平行。由于該橋位置特殊，對美觀要求高，因此農(nóng)五師交通局采用競標方式選擇橋型方案，經(jīng)過對4家設計院9種橋型方案的比選，專家最終選擇了新疆生產(chǎn)建設兵團勘測規(guī)劃設計研究院的斜拉橋方案（總體布置見圖1）。

圖1 總體布置示意圖

該方案造型新穎、美觀，與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)。橋位處地質(zhì)從上而下地層差異不大，表面為填筑土和軟塑狀淤泥質(zhì)土，層厚4～5m，其下為軟硬塑狀亞粘土，層厚11～13m，再下層為硬塑堅硬狀粘土，層厚2～3m，在標高約－10m處進入泥巖，泥巖抗壓強度為0.5～2.5kPa。橋梁平面位于直線上，縱面設2.9%和2.89%雙向縱坡，豎曲線半徑R＝2500m。橋梁跨徑布置為30m＋66m＋30m，橋梁全長131.5m，全寬38m。設計要求如下：

a）荷載 設計荷載為城市A級，人群荷載為3.5kN／m2；

b）抗震烈度 根據(jù)《地震動峰值加速度區(qū)劃圖》（1∶4000000）博樂市區(qū)地震動峰值加速度為0.1g相當于原地震基本烈度Ⅶ度；

c）設計寬度 凈－14m（快車道）＋2×1.5m（分隔帶）＋2×5m（慢車道）＋2×5.5m（人行道），設計橋梁全寬38m；

d）通航標準 橋位處博樂河設計通航標準為Ⅶ級，通航凈高不小于3m，通航凈寬不小于20m；

e）設計行車速度 60km／h。

2 上部結(jié)構(gòu)設計

2.1 主梁

主梁梁體采用梁格式結(jié)構(gòu)，平均梁高2.5m，全橋橫向分5道縱梁，兩主縱梁分別位于快、慢車道分隔帶處，梁上布置斜拉索與橋塔；在人行道與慢車道相連處及橋面中心線處設3道輔助縱梁。5道縱梁采用矩形和T形兩種形式。橋梁橫截面形式見圖2。

圖2 橋梁半橫截面示意圖

縱橋向每隔6m設1道橫梁，全橋共18道，除墩、臺位置外，其余均采用統(tǒng)一結(jié)構(gòu)形式。主梁采用部分預應力混凝土結(jié)構(gòu)，預應力以腹板束為主，輔以部分頂、底板束，每個主縱梁均配有8 束12φj15.24的預應力鋼鉸線束，每個輔助縱梁各配3束12φj15.24的預應力鋼鉸線束。腹板束均全橋通長布置，并設兩道連接器。預應力鋼束采用美國標準（ASTMA416—92a）中270級的低松弛高強度鋼鉸線，全橋錨具均采用YM系列。全橋預應力管道均采用塑料波紋管，并輔以真空壓漿新技術(shù)。根據(jù)橋位處的地形狀況，主梁設計采用搭滿堂支架分段現(xiàn)澆法施工，施工順序按照預應力的施加先后從主跨中心向兩端進行。

2.2 主塔

主塔縱向設于①號橋墩處，橫向分別位于兩分隔帶處，塔身主體在橋面以上高54.79m，其軸線與橋面呈60°夾角向北傾斜。在塔高30.79m和47.79m處分設兩道橫向聯(lián)系梁，梁高3m，梁寬2.5m。塔底與主縱梁固結(jié)，在連接處兩側(cè)分別采用圓滑曲線過渡。主塔結(jié)構(gòu)形式見圖3。

圖3 主塔縱斷面示意圖

塔內(nèi)縱向預應力鋼筋采用國標75／100 級，φ32mm高強精扎螺紋粗鋼筋；錨具采用YGM—32系列錨具。為防止塔底圓弧段混凝土開裂，在此處配有單根緩粘結(jié)預應力體系的預應力筋。主塔施工在橋面系全部施工完畢后開始，自下而上分節(jié)段進行。施工過程中，利用橋面及斜拉索平衡斜塔，無需其它支撐。為突出斜塔的視角效果，斜塔設計涂裝采用紅色。

2.3 斜拉索

斜拉索布置在快、慢車道分隔帶上，為雙面單向索。拉索開始位置在塔身和梁體上均為距塔底梁體中心12m處，縱向共設8根拉索，梁上與塔上標準平行間距6m。斜拉索采用德國標準（Thyssen·A·G）鍍鋅高強鋼絲，163φj7mm鋼絲束，單根鋼絲面積A＝38.48mm2，標準強度Ryb＝1600MPa，錨具采用LM 系列錨具。拉索外套采用蘭色PE護套。

3 下部結(jié)構(gòu)設計

下部結(jié)構(gòu)橋墩采用雙柱式墩、樁基礎，由于橋位處下部地質(zhì)為泥巖，強度不高，承載力較小，采用大孔徑鉆孔樁既不易鉆進，又大大減弱了側(cè)壁摩阻力。根據(jù)博樂地區(qū)挖孔樁施工的成功經(jīng)驗，并應業(yè)主要求，全橋均采用挖孔樁，鋼筋混凝土護壁，所有挖孔灌注樁均按摩擦樁設計。主塔處①號橋墩墩身高2.0m，承臺長25.25m、寬9.75m、高3m，樁基礎為挖孔灌注空心樁，采用預制涵管成芯，每柱下4根，共8 根，樁徑φ2.50m，樁長36m。無塔處②號橋墩墩身高8.5m，承臺長21.8m、寬6.3m、高2.5m，樁基礎為挖孔灌注樁，每柱下4根，共8根，樁徑φ1.50m，樁長32m。橋臺采用樁柱式橋臺，兩橋臺均采用單排挖孔樁，每橋臺5根樁，分別布置于5 根縱梁肋下支座處，樁徑φ1.50m，樁長29m。

4 結(jié)構(gòu)計算

考慮到本橋橋面較寬的特點，采用三維橋梁結(jié)構(gòu)計算分析通用程序Ansys進行結(jié)構(gòu)分析計算，采用“橋梁博士”計算程序進行校驗。計算內(nèi)容包括恒載（結(jié)構(gòu)自重、人行道及行車道鋪裝、欄桿等）、活載、溫度力、風力、混凝土收縮和徐變等荷載（或作用）下的截面強度、剪應力及主拉應力等內(nèi)容。

5 結(jié)語

農(nóng)五師工業(yè)園區(qū)橋是一座城市橋梁，位于博樂市的“塞納河”上，在進行結(jié)構(gòu)設計時還注重了橋梁的美學效果，力求與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一、自然和諧，希望使之成為博樂市標志性建筑之一。該橋采用預應力混凝土斜塔無背索斜拉橋結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)美流暢、造型美觀和構(gòu)造創(chuàng)意獨特等特點。同時，該橋在設計時采用了許多新技術(shù)、新工藝，主要有以下幾個方面。

5.1 由于施工困難，斜橋塔一般采用鋼結(jié)構(gòu)，但鋼質(zhì)橋塔在雨水多、空氣濕度大的地區(qū)易銹蝕，造成后期養(yǎng)護工作難度大。本設計考慮博樂地區(qū)雨水多、空氣濕度大的特點，采用預應力混凝土結(jié)構(gòu)，并在施工方案安排上采用先梁后塔，利用先期施工的橋面系平衡橋塔技術(shù)，即主梁采用搭滿堂支架從跨中心處開始向兩邊對稱分節(jié)段現(xiàn)澆施工順序，主塔采用自下而上分節(jié)段現(xiàn)澆，索塔內(nèi)力由拉索及主梁平衡等施工方法。

5.2 預應力束以通長腹板束為主，使預應力與縱梁內(nèi)力較吻合，減少了二次矩，而且采用塑料波紋管和真空壓漿技術(shù)，消除了鋼鉸線與管道之間的磨損，同時也減少了摩擦，使預應力損失減小，壓漿更密實。

5.3 主塔墩基礎采用大直徑人工挖孔空心樁，既減少了樁的自重，又節(jié)省了混凝土用量。

5.4 為提高橋梁支座使用的耐久性及可靠度，全橋采用球形鋼支座，同時鑒于橋面較寬，采用固定、單向和多向3種支座，避免了橫橋向溫度變形的影響，使受力更合理。