雙塔雙索面支座體系混合式結(jié)合梁斜拉橋設(shè)計

謝 波 程應(yīng)剛

（中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司 武漢 430050）

洸府河大橋位于濟寧市城市主干道太白樓東路和河?xùn)|規(guī)劃的詩仙路上，橫跨洸府河、九九集團鐵路專線及日菏電氣化雙線鐵路，是濟寧市完善城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，形成貫穿東、西城區(qū)的城市中軸線的重要通道。

1 工程建設(shè)條件

橋位處洸府河河面約70 m，該河段平時水深較淺，現(xiàn)狀不通航，遠期規(guī)劃為V級航道。

橋位處日菏鐵路和九九集團專線共有3股鐵軌平行布置，路基總寬約60 m。

橋址區(qū)地層主要以沖洪積粘性土及砂土為主，地層穩(wěn)定，工程性能較好，適宜開展工程建設(shè)。

2 主要技術(shù)標準

（1）道路等級：城市主干道。（2）設(shè)計荷載：城-A級。

（3）設(shè)計行車速度：60 k m／h。（4）地震烈度：基本烈度6度，按7度設(shè)防。（5）橋面寬度：全寬40 m，雙向6車道，兩側(cè)設(shè)人行道和非機動車道。

（6）橋下凈空：上跨鐵路凈高不小于7.96 m。

（7）橋梁坡度：考慮非機動車及行人通行需要，縱坡不大于2.5%；橫坡為雙向2.0%。

（8）通航標準：V級航道，通航凈寬不小于45 m，凈高不低于5 m。

（9）水文：最高通航水位＋36.29 m，設(shè)計水位＋41.50 m。

3 總體設(shè)計

3.1 平面設(shè)計

橋梁中線位于平面直線段上，與洸府河夾角約73°，與3股鐵路線夾角約18°。

3.2 縱斷面設(shè)計

縱斷面設(shè)計主要控制因素有3點：

（1）上跨洸府河時能滿足水利防洪及V級航道通航要求。

（2）上跨3股鐵軌時軌頂至鐵路建筑限界頂不小于7.96 m。

（3）施工時主橋梁底需要的操作空間及運營期間梁底檢查維修設(shè)備空間，綜合考慮按2 m預(yù)留。

3.3 橫斷面設(shè)計

主橋橫斷面全寬40 m，具體布置為：0.25 m欄桿＋2 m人行道 ＋3 m非機動車道 ＋3 m拉索區(qū)＋23.5 m機動車道＋3 m拉索區(qū)＋3 m非機動車道 ＋2 m人行道＋0.25 m欄桿。

4 主橋設(shè)計

4.1 橋跨布置

基于鐵路運營安全考慮，主橋需一跨跨越3股鐵路線，橋墩位于路基邊坡以外。由于橋梁中軸線與鐵路斜交角僅18°，主跨跨徑須布置在320 m左右才能滿足一跨跨越鐵路線的要求。主橋邊跨主要服從結(jié)構(gòu)受力要求，兼顧河道行洪、通航及景觀。綜合比較，主橋主跨選擇320 m合理且經(jīng)濟，具體孔跨布置為（60 m＋80 m＋320 m＋80 m＋60 m）＝600 m，邊跨在靠近主塔80 m處設(shè)輔助墩。主橋立面、平面布置見圖1。

圖1 主橋立面、平面布置圖

4.2 橋型方案及結(jié)構(gòu)體系

對于橋型方案的選擇，根據(jù)前期研究的成果，綜合考慮經(jīng)濟、技術(shù)及景觀等因素，確定采用雙塔雙索面斜拉橋方案。

主橋上跨3股鐵路線，其施工必須充分考慮鐵路正常運營的要求，以及對鐵路安全行車的影響，經(jīng)比較，結(jié)合梁方案是最為合適的。中跨主梁采用鋼－混凝土結(jié)合梁，先逐段吊裝并現(xiàn)場栓接拼裝鋼梁節(jié)段，然后施工混凝土橋面板，可以滿足鐵路正常運營需要并最大程度減小對鐵路安全行車的影響。同時橋面瀝青混凝土直接鋪裝于混凝土橋面板上，橋面易于實施、使用和養(yǎng)護。邊跨主梁與鐵路互不影響，主要考慮滿足結(jié)構(gòu)受力及經(jīng)濟因素，采用混凝土梁。

受限于結(jié)構(gòu)布置，主橋只能選擇塔梁固結(jié)、墩梁分離的支座體系，需要重點解決的問題是主塔墩處需選用豎向承載力約160 MN的特大型支座。在本項目之前，京滬高速鐵路南京大勝關(guān)長江大橋已成功使用豎向承載力達到180 MN的球型鋼支座，故本橋結(jié)構(gòu)采用支座體系有可靠的技術(shù)支撐。主橋確定采用雙塔雙索面支座體系混合式結(jié)合梁斜拉橋方案，在國內(nèi)尚屬首次運用于工程實踐，不僅具有非常鮮明的技術(shù)特點，也是一項頗具難度的斜拉橋工程。

4.3 中跨結(jié)合梁鋼主梁

中跨鋼主梁由鋼邊箱、鋼橫梁、鋼托架及鋼小縱梁組成。鋼主梁全寬38.5 m，中心線處梁高2.354 m，2片鋼邊箱中心距26.5 m。鋼邊箱節(jié)段長10.5 m，順橋向每隔3.5 m設(shè)鋼橫梁和鋼托架。鋼主梁標準橫斷面見圖2。

圖2 鋼主梁橫斷面圖（單位：mm）

鋼邊箱為單箱單室截面，中心線處高2 075～2 093 mm，2腹板內(nèi)側(cè)凈寬1 300 mm，頂、底板寬2 060 mm。頂板厚20 mm，鋼混結(jié)合段加厚至32 mm，腹板厚32 mm，底板共采用5種厚度：從大到小為50，44，40，36，32 mm。經(jīng)過對常見的鋼梁上斜拉索的錨固方式研究比選，采用鋼邊箱內(nèi)部設(shè)置鋼錨箱的方式錨固中跨結(jié)合梁斜拉索［1－2］。

鋼橫梁采用工字形截面，跨中高2 354 mm，橫梁上翼緣厚20 mm，底板厚28 mm，腹板厚16 mm。為方便制造和運輸，橫梁分成3段，用高強螺栓拼接，橫梁與鋼邊箱也用高強螺栓拼接。

鋼托架設(shè)置在鋼邊箱外側(cè)，用以承受非機動車道及人行道的荷載，采用變高度的工字形截面，上翼緣厚16 mm，底板厚16 mm，腹板厚12 mm。托架與鋼邊箱采用高強螺栓拼接。

為方便混凝土橋面板縱向濕接縫的澆注，在橫梁間對稱設(shè)置3道小縱梁，作為現(xiàn)澆縫的底模。小縱梁高500 mm，采用“工”字形截面，上翼緣厚12 mm，下翼緣厚12 mm，腹板厚12 mm，與橫梁上對應(yīng)位置的加勁肋采用高強螺栓拼接。

中跨鋼主梁各板件采用Q370q E鋼材；高強螺栓等級10.9S，M24螺栓采用20 Mn Ti B，M30螺栓采用35 VB；設(shè)在鋼梁頂面上的剪力釘采用材質(zhì)為ML15的電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘。

4.4 中跨結(jié)合梁混凝土橋面板

中跨混凝土橋面板分為預(yù)制部分和現(xiàn)澆部分（濕接縫）。預(yù)制部分采用C50混凝土，厚0.23～0.36 m，板邊緣設(shè)有鋸齒形剪力鍵。為減少混凝土收縮、徐變對結(jié)構(gòu)的影響，每塊預(yù)制板在吊裝上橋之前，必須保證存放6個月以上?，F(xiàn)澆部分采用C50微膨脹混凝土，厚0.36 m，通過設(shè)在鋼梁頂面的剪力釘與鋼主梁結(jié)合在一起。混凝土橋面板采用縱、橫雙向預(yù)應(yīng)力體系，以解決其受拉問題。

為保證預(yù)制板與鋼梁頂緣之間的密貼，在鋼梁外緣粘貼有橡膠帶，一防現(xiàn)澆濕接縫砂漿外溢，二防水浸銹蝕鋼梁。

4.5 邊跨混凝土主梁

邊跨主梁采用C50混凝土，為預(yù)應(yīng)力混凝土邊主梁結(jié)構(gòu)，全長146.9 m，伸入中跨7 m。主梁全寬40 m，橋梁中心線處梁高為2.7 m，主塔附近梁高增至3.7 m以滿足結(jié)構(gòu)受力需要。主梁在斜拉索錨固處及斜拉索中間均設(shè)有一道橫梁和懸臂托架，間距均為4.5 m。

矩形邊主梁標準寬度3 m，在邊墩、輔助墩及主塔附近加厚至4～5 m。標準頂板厚0.25 m，標準橫梁厚0.3 m，懸臂托架厚0.22 m。矩形邊主梁底設(shè)有斜拉索錨固齒塊?；炷林髁簶藴蕶M斷面見圖3。

圖3 混凝土主梁橫斷面圖（單位：c m）

4.6 主梁鋼－混結(jié)合段

鋼－混結(jié)合段是主梁受力的關(guān)鍵部位，位于主塔中心線往中跨一側(cè)7 m處。鋼－混結(jié)合段采用鋼邊箱埋入混凝土邊主梁的方式，埋入部分長2 m。為確保結(jié)合部有效傳力，將鋼邊箱的頂、底板伸入混凝土2 m，腹板及其加勁肋伸入混凝土1.5 m。伸入混凝土的鋼邊箱板件內(nèi)、外側(cè)均布置剪力釘，確保鋼邊箱與混凝土可靠結(jié)合［3－4］。主梁鋼－混結(jié)合段構(gòu)造見圖4。

圖4 鋼－混結(jié)合段構(gòu)造圖（單位：c m）

在結(jié)合面處設(shè)置100 mm厚的承壓板以減小混凝土的局部壓應(yīng)力，鋼邊箱內(nèi)設(shè)置加勁以將其傳遞來的軸向力分散到承壓板上。鋼邊箱頂板、腹板及底板上均開設(shè)多排直徑190 mm的圓孔，方便混凝土的輸送、流動及振搗工作，同時保證混凝土澆注過程中排氣順暢。

4.7 斜拉索

本橋斜拉索無特殊環(huán)境要求，主要考慮斜拉索的安裝方便、快捷，采用常規(guī)成品高強熱鍍鋅平行鋼絲拉索，鋼絲抗拉強度為1 770 MPa，拉索外用HDPE護套保護，護套外表設(shè)螺旋線以抑制余振的產(chǎn)生。主塔旁梁上索距17 m，中跨結(jié)合梁上索距10.5 m，邊跨混凝土梁上索距9 m，塔上索距2 m。全橋共有斜拉索112根，分為14種規(guī)格，從121絲到349絲。

4.8 主塔

主塔為H形鋼筋混凝土塔，全高77 m。每座主塔設(shè)一道開口板式上橫梁，并在上橫梁上部和下部分別設(shè)置半橢圓形裝飾構(gòu)件，上橫梁為壓應(yīng)力構(gòu)件。塔柱為四角倒圓的矩形空心截面，等截面布置，橫橋向?qū)? m，壁厚0.7 m，縱橋向?qū)? m，壁厚1.2 m。塔柱上部矩形箱室內(nèi)設(shè)有斜拉索錨固齒塊，錨固區(qū)水平內(nèi)配置了縱、橫向預(yù)應(yīng)力筋，用以抵抗箱形截面上四壁的拉應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力筋采用直徑32 mm高強精軋螺紋粗鋼筋。

主塔豎向受力主筋采用直徑32 mm鋼筋，直螺紋連接接頭，主塔箍筋直徑為20 mm。

4.9 基礎(chǔ)

主橋主墩采用板式橋墩，橫橋向整體呈U形，分離的2個墩柱與混凝土主梁2個邊主梁對應(yīng)，墩柱下部為整體。單個墩柱橫橋向?qū)? m，順橋向?qū)?9 m。承臺外形尺寸為32.5 m×26.2 m，厚5 m，下設(shè)28根直徑2.8 m鉆孔樁。主橋輔助墩和邊墩均采用分離式花瓶形板式橋墩，每橋墩下設(shè)6根直徑1.5 m鉆孔樁。

4.1 0 結(jié)構(gòu)計算

靜力計算最不利工況下：中跨鋼主梁最大壓應(yīng)力158 MPa，最大拉應(yīng)力48 MPa；中跨橋面板最大壓應(yīng)力11.3 MPa，最小壓應(yīng)力0.15 MPa，未出現(xiàn)拉應(yīng)力。邊跨混凝土梁最大壓應(yīng)力14.4 MPa，最大拉應(yīng)力0.7 MPa。主塔根部最大壓應(yīng)力13.7 MPa，最小壓應(yīng)力5.8 MPa，未出現(xiàn)拉應(yīng)力。斜拉索最大應(yīng)力686 MPa，最大應(yīng)力幅177 MPa。靜力計算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)受力良好，滿足要求。本橋同時進行了動力分析，結(jié)果表明其抗風(fēng)、抗震性能良好，滿足要求。

5 結(jié)語

雙塔雙索面支座體系混合式結(jié)合梁斜拉橋橋型為國內(nèi)首創(chuàng)，結(jié)構(gòu)新穎、技術(shù)難度大、設(shè)計復(fù)雜，在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平，其設(shè)計及建造技術(shù)為相似建設(shè)條件下采用斜拉橋方案提供了寶貴的工程經(jīng)驗。該橋設(shè)計方案于2012年3月取得國內(nèi)實用新型專利，設(shè)計方案及施工方法在2013年9月取得國內(nèi)發(fā)明專利。

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