鄭州北三環(huán)跨東運(yùn)河斜拉橋設(shè)計(jì)

任春

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

1 工程概況

鄭州市鄭東新區(qū)北三環(huán)跨東運(yùn)河橋工程西接鄭州市北三環(huán)路-龍翔三街交叉點(diǎn)，東接北三環(huán)路-朝陽路交叉點(diǎn)，橋長(zhǎng)272 m。左右分幅布置，規(guī)劃紅線寬度80 m（左幅橋中4.5 m寬的人行道位于紅線以外）。主橋結(jié)構(gòu)采用獨(dú)塔雙索面不等跨斜拉橋，引橋采用等高變寬度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100 a。

（2）橋梁設(shè)計(jì)荷載：城－A級(jí)，人群荷載按規(guī)范取值。

（3）橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)。

（4）環(huán)境類別：II類。

（5）橋梁設(shè)計(jì)橫斷面：2.5m（索區(qū)）+4.5 m（人行道）+7 m（非機(jī)動(dòng)車道）+0.5 m（分隔帶）+12 m（機(jī)動(dòng)車道）+0.5 m（防撞墻）+2.5 m（索區(qū)）+24 m（中央分隔帶）+2.5 m（索區(qū)）+0.5 m（防撞墻）+12 m（機(jī)動(dòng)車道）+0.5 m（分隔帶）+4.5 m（非機(jī)動(dòng)車道）+4.5 m（人行道）+2.5 m（索區(qū)）=80.5 m。

（6）道路最大縱坡：2.5%。

（7）橫坡：車行道、非機(jī)動(dòng)車道及慢行系統(tǒng)-向外1.5%，人行道-向內(nèi)1.5%。

（8）地震烈度：抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15 g。

（9）防撞等級(jí)：SB，SBm。

（10）通航凈空：3.5 m×40 m。

（11）臺(tái)前人行通道凈空：3 m×2.5 m。

（12）橋面防水等級(jí)：I級(jí)。

3 方案構(gòu)思

根據(jù)《鄭東新區(qū)龍湖地區(qū)橋梁總體規(guī)劃設(shè)計(jì)》中對(duì)該橋的橋位特點(diǎn)和景觀定位，需要采用一定體量的上部結(jié)構(gòu)的橋梁形態(tài)。常用的結(jié)構(gòu)形式有拱橋、斜拉橋、懸索橋等。結(jié)合周邊已建和在建橋型的分布情況，該橋采用斜拉橋的結(jié)構(gòu)形式，圍繞橋塔造型進(jìn)行方案構(gòu)思。

橋梁臨近龍湖副CBD中心，規(guī)劃為金融商務(wù)區(qū)，結(jié)合其橋位特點(diǎn)，橋塔造型采用古代貨幣——布幣的造型，運(yùn)用后現(xiàn)代主義的設(shè)計(jì)手法，使橋梁與城市的功能區(qū)域空間相互呼應(yīng)，與東區(qū)的城市文脈肌理融為一體。圖1為橋梁效果圖。

圖1 橋梁效果圖

4 總體結(jié)構(gòu)布置

橋位所在區(qū)段的東運(yùn)河橋河道水面寬度約200 m，湖堤邊線約240 m；河道中規(guī)劃通航游船，通航寬度40 m，通航高度3.5 m。

主橋采用不對(duì)稱布置的斜拉橋，主橋橋長(zhǎng)適中，引橋?yàn)閮煽邕B續(xù)梁，造價(jià)較低。主跨占整個(gè)水面的比例協(xié)調(diào)，水中橋墩較少，景觀效果較好。橋梁的跨徑組合為：左幅橋跨布置為（80+112）m主橋+（40+40）m引橋=272 m；右幅橋跨布置為（40+40）m引橋 +（112+80）m主橋 =272 m。

主橋采用兩跨不對(duì)稱獨(dú)塔斜拉橋，塔梁墩固結(jié)體系；引橋采用兩跨等高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。左右幅跨徑布置關(guān)于中跨中心線反對(duì)稱。左右幅橋之間有一行車隧道過河底。詳見圖2、圖3。

圖2 左幅主橋總體布置立面圖(單位：m)

圖3 總體布置橫斷面圖（單位：m）

5 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主梁采用等高度分離式雙箱截面。橋面寬左幅29.5 m、右幅27 m，外懸臂2.755 m；主梁沿縱橋向等高2.8 m；箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面（見圖4）頂板厚0.30 m，底板厚0.35 m；邊腹板斜度為1∶1.614，厚0.3 m，中腹板厚0.45 m，斜拉索錨固于箱梁懸臂板下緣。

圖4 箱梁結(jié)構(gòu)橫斷面圖（單位：cm）

由于兩箱間距離較大，主梁除支點(diǎn)處設(shè)橫梁外，兩箱間設(shè)置橫隔板，中跨間距6 m，邊跨3～6 m，厚度0.4 m。塔梁墩固結(jié)，固結(jié)處橫梁厚7.5 m。邊跨端橫梁厚2.2 m，主跨端橫梁厚3.08 m。

箱梁底板上設(shè)置直徑80 mm泄水孔，設(shè)在每個(gè)箱室的最低處；在腹板上設(shè)置直徑80 mm通風(fēng)孔，間距5 m。

箱梁設(shè)縱、橫雙向預(yù)應(yīng)力，其中縱向預(yù)應(yīng)力鋼束采用 12-φs15.2、9-φs15.2、7-φs15.2、4-φs15.2預(yù)應(yīng)力鋼絞線群錨體系；橫梁采用19-φs15.2、9-φs15.2預(yù)應(yīng)力鋼絞線深埋群錨體系。所有預(yù)應(yīng)力管道均采用塑料波紋管，采用真空吸漿法灌漿施工。

5.2 主塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主塔承臺(tái)以上總高65.5 m，橋面以上高52.4 m；塔身截面順橋向長(zhǎng)11.6～7.5 m，橋面以上橫向?qū)?.8 m，橋面以下縱橋向?qū)?.5 m。

塔身內(nèi)設(shè)置斜拉索鞍座，斜拉索通過鞍座將力傳至塔身，塔內(nèi)鞍座采用分絲管形式，每根分絲管穿一根鋼絞線。在斜拉索單側(cè)出口處設(shè)抗滑錨板，從上至下布置在索塔兩側(cè)，以防止運(yùn)營(yíng)階段鋼絞線的滑動(dòng)。

結(jié)構(gòu)塔梁墩固結(jié)，下塔柱（橋墩）為墻式墩基礎(chǔ)，縱橋向?qū)挾?.5 m，內(nèi)設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力鋼束。

5.3 斜拉索設(shè)計(jì)

斜拉索采用扇形雙索面，橫橋向?qū)ΨQ布置在索區(qū)里，索面間距左右幅分別為26.8 m、24.3 m。斜拉索錨固于主梁懸臂下方。斜拉索在梁上索距為3～6 m；塔上索距1.25m布置。每個(gè)索面布置16對(duì)斜拉索。圖5為斜拉索大樣圖。

圖5 斜拉索大樣圖

斜拉索采用防腐性能優(yōu)越的環(huán)氧噴涂無粘結(jié)鋼絞線斜拉索體系，索體采用φs15.2 mm環(huán)氧噴涂鋼絞線成品索，兩端采用可換索式250AT錨具。塔上鞍座采用分絲管形式的配套定型產(chǎn)品。

5.4 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

索塔基礎(chǔ)采用直徑為1.8 m的鉆孔樁群樁基礎(chǔ)。左右幅均采用矩形承臺(tái)，承臺(tái)尺寸為36.3 m×16.38 m，厚度為4 m，二承臺(tái)厚度為2 m。根據(jù)地勘報(bào)告，第⑦層作為橋梁樁基持力層，樁長(zhǎng)90 m。主引橋過渡墩及引橋中墩采用直徑為1.5 m的鉆孔樁群樁基礎(chǔ)。

6 主橋結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

6.1 主橋靜力結(jié)構(gòu)分析

（1）模型建模

所有研究對(duì)象均晨起空腹采集靜脈血3～4 mL，2 h內(nèi)完成離心 (3 000 r/min，10 min)，分離出血清，即時(shí)檢測(cè)Cys-C和HCY水平,另外1管靜脈血注入乙二胺四乙酸二鉀抗凝管中，用于檢測(cè)HbA1c的水平；取中段尿液10 mL，3 000 r/min離心10 min，并于室溫2 h內(nèi)檢測(cè)UmALB。

采用橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件Midas2010進(jìn)行計(jì)算分析，建立單梁模型進(jìn)行計(jì)算分析，并用有限元梁格模型進(jìn)行了計(jì)算比對(duì)。計(jì)算分7個(gè)施工階段，主要包括主梁落架（滿堂支架法施工）、二期恒載、10 a收縮徐變階段。單梁模型結(jié)構(gòu)離散成163個(gè)單元，174個(gè)節(jié)點(diǎn)，單梁空間模型見圖6。

圖6 單梁空間計(jì)算模型

（2）荷載作用

計(jì)算的主要內(nèi)容包括[1]：施工階段、成橋階段和運(yùn)營(yíng)階段。施工階段主要包括自重、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮和徐變、施工荷載等；成橋運(yùn)營(yíng)階段主要考慮了汽車荷載、人群荷載、橋墩不均勻沉降、汽車制動(dòng)力、溫度力等作用。其總溫度計(jì)算考慮了體系升降溫、主梁溫度梯度、索與梁塔溫差、塔左右側(cè)溫差等。計(jì)算時(shí)，斜拉橋的幾何非線性即斜拉索的垂度效應(yīng)采用規(guī)范規(guī)定的修正模量法予以考慮。

（3）計(jì)算結(jié)果

單梁計(jì)算結(jié)果表明[2]：在正常使用極限狀態(tài)下主梁截面抗裂驗(yàn)算、斜截面抗裂驗(yàn)算均滿足全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)要求；持久狀況標(biāo)準(zhǔn)組合下主梁（左幅）混凝土最大壓應(yīng)力15.6 MPa，最大主壓應(yīng)力15.3 MPa，均滿足規(guī)范要求；汽車荷載下主梁（左幅）結(jié)構(gòu)最大向下位移27.7 cm結(jié)構(gòu)剛度滿足1/5 0 0的要求。主梁（左幅）標(biāo)準(zhǔn)組合下，最小支反力448 kN,即小跨側(cè)支座未脫空。斜拉索索力安全系數(shù)均大于2.5,滿足規(guī)范要求。

主塔最大壓應(yīng)力17.0 MPa，出現(xiàn)在上塔柱底部。

6.2 主橋抗震結(jié)構(gòu)分析

（1）動(dòng)力模型建模原則[3]

為了能正確分析橋梁的抗震性能，動(dòng)力分析模型采用三維空間有限元分析模型。其中，主梁、系梁和橋墩等用梁?jiǎn)卧M；樁基礎(chǔ)采用等效的土彈簧單元模擬土-樁基礎(chǔ)的相互作用；支座均采用三維支座單元進(jìn)行模擬（見圖7），反應(yīng)譜分析時(shí)假定固定支座為鉸接約束，滑動(dòng)支座滑動(dòng)方向?yàn)樽杂伞７蔷€性時(shí)程分析時(shí)采用非線性支座模型考慮支座的摩擦耗能作用。考慮到與相鄰橋梁動(dòng)力特性的相互影響，動(dòng)力分析模型包含了研究對(duì)象相鄰引橋。

圖7 橋梁抗震三維模型

（2）地震動(dòng)參數(shù)[4]

該橋?yàn)樾崩瓨颍拐鹪O(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15 g，建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類場(chǎng)地。對(duì)于斜拉橋工程，依據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 166—2011），抗震設(shè)防分類屬于甲類橋，橋梁抗震措施應(yīng)符合地震基本烈度8度的要求。橋梁所受的地震作用應(yīng)按地震安全性評(píng)價(jià)確定，相應(yīng)的E1和E2地震重現(xiàn)期分別為475 a和2 475 a。從安評(píng)單位提供的10條地震波中隨機(jī)選取7條作為非線性時(shí)程分析的地震動(dòng)輸入。

（3）結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

根據(jù)前面建立的橋梁動(dòng)力分析模型，對(duì)該橋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的分析研究，以了解結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特性。結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析中的特征方程求解采用子空間迭代法。此處列出了該橋動(dòng)力響應(yīng)的一些主要?jiǎng)恿μ匦裕ㄒ姳?）。

表1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

（4）抗震分析結(jié)論

主塔墩樁基礎(chǔ)為32Φ1.8 m鉆孔灌注樁，主塔墩為變寬度工字型截面形式，F(xiàn)PS支座的半徑和摩阻系數(shù)分別為5 m和0.05，粘滯阻尼器的阻尼系數(shù)和阻尼指數(shù)分別為2 000和0.2。進(jìn)行非線性時(shí)程反應(yīng)分析并進(jìn)行關(guān)鍵構(gòu)件的能力檢算結(jié)果表明：

a.在E1地震作用下，主塔塔柱、引橋墩柱及各承臺(tái)底樁基礎(chǔ)均能保持彈性，滿足預(yù)期的性能要求。

b.在E2地震作用下，為滿足預(yù)期的抗震性能要求，主橋各橋墩樁基應(yīng)增加截面配筋率，并把鋼護(hù)筒作用計(jì)入其內(nèi)。主塔上塔柱需配PSB930精軋螺紋鋼且縱筋配筋率達(dá)到1.977%，下塔墩底截面按HRB400鋼筋的縱筋配筋率需達(dá)到1.951%。

c.對(duì)于支座的位移響應(yīng)，在E1地震作用下，支座的最大位移不超過10 cm。在E2地震作用下，主橋側(cè)橋臺(tái)和過渡墩處支座的縱向位移較小且最大位移為5 cm左右，橫向最大支座位移為12.9 cm；

7 結(jié)語

該橋在保證安全性、經(jīng)濟(jì)性，并滿足橋梁使用功能和橋下通航要求的前提下，考慮了結(jié)構(gòu)新穎、行車舒適、景觀優(yōu)美以及與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)等方面。結(jié)合橋梁塔型，該斜拉橋使用了矮塔斜拉橋拉索體系，是一種創(chuàng)新的嘗試。另外，為了確保施工和運(yùn)營(yíng)期間兩幅橋之間隧道結(jié)構(gòu)的安全性，對(duì)隧道周圍土體進(jìn)行了注漿加固處理。

該橋于2014年4月完成設(shè)計(jì)，2014年5月開始施工，相信在精心設(shè)計(jì)和施工下，本橋?qū)⒊蔀辇埡聟^(qū)一個(gè)標(biāo)志性建筑。

[1]JTG D65-01-2007,公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則[S].

[2]JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]王克海 編著.橋梁抗震研究(第二版)[M].北京：中國鐵道出版社，2007.

[4]CJJ 166-2011,城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].