滬陜國家高速公路京杭運河斜拉橋主橋設(shè)計

錢 濱，賁慶國

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210017）

1 工程概況

滬陜國家高速公路江都至六合段全長76 km，全線按雙向6車道標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計時速120 km/h。設(shè)計荷載等級為公路—Ⅰ級；橋面寬度為2×凈15.25 m，中分帶3 m，總寬37.1 m；設(shè)計基準(zhǔn)期為100年，設(shè)計安全等級為一級；基本風(fēng)速為27.1 m/s。地震烈度為抗震設(shè)防烈度Ⅶ度，地震動峰值加速度為0.15 g；設(shè)計洪水頻率為1/300年，SW1/300=7.171 m；Ⅱ級航道，通航凈寬110 m，凈空高度7.0 m。

京杭運河斜拉橋位于揚州境內(nèi)，跨越京杭運河蘇北段II級航道，為該項目的控制性工點，通航凈空110 m×7 m。橋位處航道設(shè)有待閘錨地，該段航道通航繁忙，同時航道兩側(cè)大堤為一級堤防，根據(jù)航道部門及水利部門的要求，橋梁需一跨跨越通航水域及大堤。前期初步設(shè)計階段經(jīng)過多方案比較，主橋推薦采用108 m+248 m+108 m的混凝土斜拉橋。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 總體布置

本橋的結(jié)構(gòu)體系為雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土邊主梁斜拉橋，其總體布置見圖1?？缍冉M成為108 m+248 m+108 m，橋面全寬為37.1 m（1.8（索區(qū)）+15.25 m（機動車道）+3.0 m（中分帶）+15.25 m（機動車道）+1.8 m（索區(qū)）），為國內(nèi)已建成高速公路中最寬的邊主梁斜拉橋。

圖1 總體布置圖

考慮經(jīng)濟性、抗震性，減少結(jié)構(gòu)自重，降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，方便施工等因素，采用預(yù)應(yīng)力混凝土邊主梁結(jié)構(gòu)形式，主梁寬跨比為1∶6.68，高跨比為1∶93.6。由于橋面距離地面高度約10 m，因此主塔采用施工方便的H形混凝土框架結(jié)構(gòu)，塔高H與跨度L之比為0.3。斜拉索采用平面扇形布置，與H形主塔配合彌補主梁抗扭剛度的不足，提高結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)自振頻率和扭彎頻率比，為主梁的穩(wěn)定性提供較好的基礎(chǔ)，其在主梁上的間距為6.5 m，采用平行鋼絲拉索體系。

主塔固結(jié)于承臺頂面，主梁通過豎向支座支承于主塔下塔柱上，在邊跨設(shè)置一個輔助墩，提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度，降低了施工控制難度。通過計算，主梁在邊墩處需設(shè)置部分壓重。由上述支承體系構(gòu)成本橋的立面為半飄體系，在橫向為3跨連續(xù)體系。

2.2 主塔設(shè)計

主塔采用H形C50混凝土框架結(jié)構(gòu)，主塔自承臺頂面至塔頂?shù)母叨葹?2.913 m；在距離塔頂26 m處設(shè)一道橫梁，與橋面將塔柱分為上、中、下3部分，構(gòu)成H形狀；上塔柱為豎直布置，中、下塔柱傾斜率為1∶10.77。主塔結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 主塔一般構(gòu)造圖

下塔柱尺寸為順橋向5.5 m，橫向3.5 m，由于塔柱高度較矮，采用實心截面；中塔柱尺寸為順橋5.5 m，順橋向3.5 m，壁厚70 cm的箱形截面；上塔柱（索錨固區(qū)）尺寸為順橋向5.5 m，橫向3.5 m，順橋向壁厚135 cm，橫向壁厚80 cm的箱形截面。索與塔軸線的交點的間距為1.5 m，采用箱內(nèi)壁錨固形式。

主塔下、中塔柱為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主筋采用Φ32 mm，截面配筋率為1.49%，上塔柱橫梁為預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，采用12孔鋼鉸線群錨體系。上塔柱在索塔錨固區(qū)采用井字形的雙向預(yù)應(yīng)力，縱向長邊根據(jù)索力不同分別采用7孔和5孔鋼鉸線群錨體系，短邊采用36根Φ7 mm的光面鋼絲體系。主要材料指標(biāo)為：主塔C50混凝土4 320 m3，體積配筋率186 kg/m3，預(yù)應(yīng)力鋼鉸線21 t，光面鋼絲11 t。

2.3 主梁設(shè)計

主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土邊主梁結(jié)構(gòu)，梁高2.63 m，全寬37.1 m；邊主梁梁高2.3 m，梁寬1.8 m。橋面板厚30 cm，橋面橫坡2%，橫梁間距6.5 m，橫梁寬度30 cm，主梁施工標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長6.5 m，0號塊長12 m，邊跨壓重段12.9 m，合龍段長2 m。主梁混凝土強度等級C55，主梁截面見圖3。

圖 3 主梁一般構(gòu)造圖

主梁按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計，縱向預(yù)應(yīng)力分別采用7孔和19孔的預(yù)應(yīng)力鋼鉸線群錨體系；橫向預(yù)應(yīng)力采用19孔預(yù)應(yīng)力鋼鉸線群錨體系。主梁縱向采用Φ32 mm精軋螺紋張拉接長施工預(yù)應(yīng)力的方式適應(yīng)主梁的懸臂施工。主梁懸臂施工采用牽索掛籃的方案。主要材料指標(biāo)為：主梁混凝土14 269 m3，體積含筋率159 kg/m3，預(yù)應(yīng)力鋼鉸線380 t，粗鋼筋80 t。

2.4 斜拉索設(shè)計

斜拉索采用鍍鋅平行鋼絲束拉索體系，塑料護套為雙層熱擠PE，外層為白色，考慮經(jīng)濟性及施工方便，全橋144根拉索分別采用了6種型號，斜拉索中的最大規(guī)格為263Φ7 mm。

3 結(jié)構(gòu)計算分析

3.1 靜力分析

靜力計算主要進行了體系成橋狀態(tài)各工況的靜力分析、施工安裝計算、主塔橫向計算、主梁橫梁及橋面板計算，本文著重介紹該橋的體系成橋和施工安裝計算分析要點。

體系成橋和施工安裝計算分析的計算圖式采用平面桿系模型，施工安裝計算采用無應(yīng)力索長法；其理論基于微變形理論，對結(jié)構(gòu)的非線性影響須作特殊處理；另外由于主梁采用邊主梁結(jié)構(gòu)，其截面有效寬度的取值將直接影響結(jié)構(gòu)的計算，為此在本橋計算過程中作了如下處理［1］：（1）斜拉索垂度影響采用割線彈性模量代替標(biāo)準(zhǔn)彈性模量；（2）收縮徐變影響按相關(guān)規(guī)范進行處理；（3）幾何大位移影響采用非線性分析程序進行分析，其結(jié)果與不考慮幾何非線性的結(jié)果相比較，各控制截面計算內(nèi)力比較結(jié)果為0.96~1.03，分析認(rèn)為非線性系數(shù)取值1.05能夠滿足結(jié)構(gòu)安全要求，計算中將活載增大5%后進行分析。

根據(jù)文獻(xiàn)［2］的規(guī)定，本橋主梁截面有效寬度計算結(jié)果為：中跨bf/b=0.97，bs/b=0.80；邊跨bf/b=0.92，bs/b=0.70（b為翼緣寬，bf為跨中部有效翼緣寬，bs為支點處的有效翼緣寬）。

3.2 局部應(yīng)力分析

由于塔上錨固采用箱內(nèi)錨固形式且錨固壁較薄，為適應(yīng)美觀要求將梁上錨固錨頭扣入梁體，本次對斜拉索索塔錨固區(qū)進行了有限元局部應(yīng)力分析以驗證簡化計算模型和指導(dǎo)配筋。根據(jù)不同的拉索索力計算2種工況：在斜拉索張拉前先張拉長邊方向的鋼鉸線和部分短邊方向的平行鋼絲，斜拉索張拉后張拉剩余的短邊平行鋼絲。

3.3 結(jié)構(gòu)動力分析

根據(jù)本橋的地震安評報告，分別采用反應(yīng)譜及時程法進行分析，其中反應(yīng)譜的參數(shù)見表1。

表1 反應(yīng)譜參數(shù)

本次分析采用有限元程序MIDAS2006建立了有限元模型，橋墩和主梁全部使用梁單元，拉索采用桿單元。采用脊梁模式計算模型，拉索錨固處與主梁(主塔)之間建立剛臂單元實現(xiàn)共同變形,并以等效原則模擬實際結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量分布。

本橋?qū)Τ蓸驙顟B(tài)進行了抗震驗算，并對最大雙伸臂施工狀態(tài)和成橋狀態(tài)進行了抗風(fēng)驗算。通過驗算，成橋狀態(tài)下各構(gòu)件在E1地震作用下，強度和位移均能滿足規(guī)范要求，見表2。

表2 E1地震位移 mm

對于抗風(fēng)性能，按《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》［3］驗算結(jié)構(gòu)抗風(fēng)穩(wěn)定性。盡管大橋主梁采用抗扭剛度較低的預(yù)應(yīng)力混凝土邊主梁結(jié)構(gòu)，但是采用了抗扭性能良好的扇形斜拉索體系和H形主塔，使結(jié)構(gòu)仍然具有較高的整體剛度，尤其是抗扭剛度，從而使扭轉(zhuǎn)顫振臨界風(fēng)速超出110 m/s，遠(yuǎn)大于顫振檢驗風(fēng)速，在施工和成橋運營階段均具有足夠的抗風(fēng)穩(wěn)定性。主梁斷面接近薄平板特性，具有良好的氣動外形，在自然風(fēng)場中，大橋發(fā)生較大振幅渦激共振的可能性很小，可以不必考慮渦激共振對結(jié)構(gòu)疲勞及運行舒適性的影響。

根據(jù)計算，主橋成橋狀態(tài)及最大雙懸臂施工狀態(tài)抗風(fēng)穩(wěn)定性均能滿足規(guī)范要求。

4 特殊問題的技術(shù)處理

4.1 主梁剪力滯效應(yīng)

本橋?qū)捒绫冗_(dá)到了1∶6.68，設(shè)計需要考慮剪力滯效應(yīng)對邊主梁的不利影響，主梁產(chǎn)生剪力滯的主要有軸力及縱向彎矩［4］。對于軸力影響，由于局部荷載不產(chǎn)生軸力，軸力主要是由體系中斜拉索的水平分力產(chǎn)生的。通過空間模型分析，經(jīng)計算單根斜拉索的水平分力傳遞大約3.5個節(jié)段后，全截面應(yīng)力分布均勻，傳遞角度約30°，應(yīng)力云圖詳見圖4。對于主梁，多根拉索的累積效應(yīng)是線性疊加的，因此總體看，索力傳遞規(guī)律是一致的。由此可見除跨中位置外，其余節(jié)段基本均可當(dāng)成全截面參與軸向力受力，對于跨中位置，斜拉索傳遞的軸力不能傳遞到全截面，因此設(shè)計通過配置跨中合龍束，通過合龍束的軸力與斜拉索軸力共同作用，確?？缰薪孛嫒孛娴念A(yù)應(yīng)力度。

圖 4 主梁在索力作用下應(yīng)力分布

對于彎矩的影響，在拉索區(qū)，本橋荷載傳遞路線為橋面板—橫梁—斜拉索，由于每根斜拉索均對應(yīng)一個小橫梁，傳遞到小橫梁上的荷載可以直接傳給斜拉索，可以近似看作橋面板和縱梁沒有共同受力，在該區(qū)域荷載產(chǎn)生的彎矩很小，該區(qū)域剪力滯效應(yīng)幾乎可以忽略。對于橫梁與斜拉索不對應(yīng)的位置即支點附近，傳力路徑變成橋面板—橫梁—縱梁（邊主梁），橋面板與縱梁共同參與受力，此時存在有效翼緣寬度的問題。本次設(shè)計通過索力優(yōu)化，使得支點附近縱梁局部彎矩較小，將彎矩在支點附近對主梁剪力滯的影響減小到最低。

本節(jié)剪力滯效應(yīng)分析與前文提到的截面有效寬度不完全相同，前者主要針對總體計算，將主梁簡化為桿單元，本節(jié)主要從空間角度分析斜拉索力在主梁中的傳遞情況。

4.2 邊主梁側(cè)彎效應(yīng)

由于本橋?qū)挾容^寬，橫梁在張拉預(yù)應(yīng)力時橫梁在橫橋向?qū)a(chǎn)生壓縮變形，邊主梁受到已經(jīng)澆筑完主梁節(jié)段的約束，側(cè)向受彎變形受到約束，通過有限元計算分析，該處產(chǎn)生3.5 MPa的拉應(yīng)力，可能會導(dǎo)致邊主梁外側(cè)開裂，受力示意見圖5。面的削弱。

圖 5 橫梁預(yù)應(yīng)力作用下的邊主梁側(cè)彎

圖 6 塔柱預(yù)應(yīng)力布置

本橋設(shè)計采取如下措施：（1）橫梁鋼束分批張拉，將橫梁3根鋼束分2批張拉，第1批張拉2根，剩余1根待下個節(jié)段橫梁鋼束張拉時一并張拉；（2）邊主梁外側(cè)縱向采用較大的普通鋼筋。通過這2個措施，較好地解決了邊主梁側(cè)彎問題。

4.3 主塔雙向預(yù)應(yīng)力

通常斜拉橋上塔柱索塔錨固區(qū)預(yù)應(yīng)力采用U形預(yù)應(yīng)力布置方式抵消拉索水平分力，但該橋由于跨徑不大，主塔結(jié)構(gòu)尺寸主要以施工構(gòu)造控制，因此如采用U形預(yù)應(yīng)力布置，將導(dǎo)致較大的預(yù)應(yīng)力損失，施工難度也較大。

本次設(shè)計采用雙向“井”字形布置，長邊方向采用鋼鉸線，短邊方向采用預(yù)應(yīng)力損失較小的光面鋼絲（圖6），并根據(jù)拉索索力的不同，沿塔高采用不同的密度布置。另外主塔預(yù)應(yīng)力采用預(yù)埋深埋錨頭，避免了過多的預(yù)應(yīng)力張拉槽口對主塔鋼筋的截斷和截

5 結(jié)論

本文介紹了滬陜國家高速京杭運河斜拉橋主橋的設(shè)計，重點介紹了總體布置及主塔、主梁、拉索的結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后介紹了由于橋梁寬度較大而采取的一些設(shè)計措施，目前本橋已經(jīng)建成運營。

［1］ JTG/T D65-01—2007公路斜拉橋設(shè)計細(xì)則［S］.

［2］ 美國各州公路和運輸工作者協(xié)會.節(jié)段式混凝土橋梁設(shè)計和施工指導(dǎo)性規(guī)范（一）［J］.謝紅兵，譯.國外橋梁，1993（4）：297-315.

［3］ JTG/T D60-01—2004公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］ 陶海，肖汝城.混凝土斜拉橋主梁剪力滯研究［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2008，24（5）：49-53.