曹妃甸通港互通立交無(wú)背索斜拉橋設(shè)計(jì)

葉國(guó)勇,潘細(xì)宏

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西西安 710064)

曹妃甸通港互通立交無(wú)背索斜拉橋設(shè)計(jì)

葉國(guó)勇,潘細(xì)宏

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西西安 710064)

唐曹高速公路通港互通立交為一座獨(dú)塔單索面無(wú)背索斜拉橋,橋梁全長(zhǎng)120 m,跨徑組合(47+73)m,全寬34 m,主梁、塔、墩均采用全混凝土結(jié)構(gòu)。針對(duì)該橋特點(diǎn),其設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)處理方面與以往無(wú)背索斜拉橋均不同,首次采用塔梁分離,梁墩固結(jié)結(jié)構(gòu)形式,并且主梁結(jié)構(gòu)采用分幅式箱梁,受力簡(jiǎn)單,施工方便,避免了整體式寬橋的一些弊病。介紹該橋結(jié)構(gòu)處理及受力特點(diǎn),并介紹其結(jié)構(gòu)計(jì)算。

互通立交;無(wú)背索斜拉橋;塔梁分離;墩梁固結(jié)

0 引言

無(wú)背索斜拉是對(duì)常規(guī)斜拉橋造型的突破,無(wú)背索后傾的塔身形狀表現(xiàn)出對(duì)相對(duì)纖細(xì)的橋面強(qiáng)大穩(wěn)固支撐的力量感,十分醒目,能給人深刻的印象,因此自1992年西班牙塞維利亞建成世界上第一座無(wú)背索斜拉橋Alamillo橋以來(lái),其發(fā)展勢(shì)頭不斷擴(kuò)大， 并在后續(xù)短短的十幾年里， 世界各國(guó)相繼建成無(wú)背索斜拉橋20余座,其中中國(guó)已建成的有長(zhǎng)沙洪山大橋、合肥銅陵路橋、哈爾濱太陽(yáng)橋，常州市常金大橋，長(zhǎng)春市輕軌工程伊通河橋等。

與常規(guī)斜拉橋不同,無(wú)背索斜拉橋橋塔僅有單側(cè)索,橋塔的受力表現(xiàn)為在斜拉索索力及自身重力作用下的懸臂梁。為確保主塔處于良好的受力狀態(tài),無(wú)背索斜拉橋的塔身一般都設(shè)計(jì)成傾斜的,依靠塔身的自重力矩來(lái)平衡斜拉索的傾覆力矩,因此組成了梁塔結(jié)構(gòu)的平衡體系。

曹妃甸通港互通無(wú)背索斜拉橋是一座單塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋,設(shè)計(jì)采用塔梁分離,墩梁固結(jié),主塔位于兩分離式箱梁中間,主塔及主梁均采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),此種設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)尚屬首次。本文簡(jiǎn)要介紹其構(gòu)造處理及受力特點(diǎn),為今后此類橋梁設(shè)計(jì)提供一定借鑒與參考。

1 工程背景

唐曹高速公路與濕地旅游公路交叉設(shè)置通港互通,該互通為唐?？h及首鋼住宅區(qū)出行車輛上下高速公路提供服務(wù),并通往渤海國(guó)際會(huì)展中心。橋型方案經(jīng)過(guò)綜合景觀及使用綜合考慮,選定為無(wú)背索豎琴式斜拉橋方案,主橋跨徑組合為(47+73)m,塔梁相交處樁號(hào)為K61+438.000。主塔采用群樁組合式基礎(chǔ)，橋臺(tái)采用肋式臺(tái)，采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ),設(shè)計(jì)采用1.3倍公路I級(jí),全寬0.5 m (護(hù)欄)+15.0 m(車行道)+0.5 m(護(hù)欄)+2.0 m(分隔帶)+ 0.5 m(護(hù)欄)+15.0 m(車行道)+0.5 m(護(hù)欄)=34 m。

2 橋型及構(gòu)造

2.1 橋型

由于全混凝土結(jié)構(gòu)相對(duì)于全鋼結(jié)構(gòu)、鋼混凝土疊合梁結(jié)構(gòu)具有造價(jià)低、剛度大、后期養(yǎng)護(hù)少等優(yōu)點(diǎn),本次設(shè)計(jì)采用全混凝土結(jié)構(gòu)即主橋結(jié)構(gòu)形式采用斜塔扇式單塔雙索面無(wú)背索預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋。

以往類似橋梁國(guó)內(nèi)外均采用整體式設(shè)計(jì),塔梁固結(jié),但鑒于該橋橋面寬度較大,若采用以往的整體式設(shè)計(jì),施工難度較大,尤其是0號(hào)塊墩塔梁固結(jié)處約束較多,受力復(fù)雜,因此此次設(shè)計(jì)時(shí)將主梁采用左右幅分離設(shè)計(jì),在有索區(qū)由拉索處橫梁將左右幅主梁連成整體,主梁0號(hào)塊現(xiàn)澆段采用變截面T構(gòu)形式,其它現(xiàn)澆段采用等截面形式,這樣設(shè)計(jì)可以克服寬體橋施工困難以及主梁橋面板裂縫問(wèn)題,使受力更加明確,也避免了采用整體橋面導(dǎo)致中央分隔帶箱梁梁體的浪費(fèi),節(jié)約了工程成本。圖1為橋型總體布置。

2.2 受力體系

塔與梁采用分離式,梁墩采用固結(jié)體系，橋臺(tái)處設(shè)盆式橡膠支座,見(jiàn)圖2。

主梁所受的荷載由自身(體內(nèi)預(yù)應(yīng)力)及索力共同承擔(dān),通過(guò)合理的配束及合適的索力可使主梁滿足全壓狀態(tài)工作。

圖1 橋型總體布置(單位:cm)

無(wú)背索斜拉橋主塔通過(guò)自身一定的傾斜來(lái)抵消斜拉索帶來(lái)的不平均彎矩,再配合索塔內(nèi)預(yù)應(yīng)力的作用,可致使主塔處于全壓狀態(tài)。

主墩受到主梁所產(chǎn)生的不平衡彎矩及索力的水平分力,由于主梁產(chǎn)生的彎矩和索力所產(chǎn)生的水平力對(duì)主墩產(chǎn)生的彎矩方向相反,合理的索力可以使主墩受力合理均勻。

此方案采用的分離式相對(duì)于以往的整體式同類橋梁,斜拉索會(huì)對(duì)每側(cè)箱梁產(chǎn)生橫向彎矩,但由于箱梁寬度較大,橫向剛度大,經(jīng)過(guò)分析其影響甚微,基本不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的安全。

2.3 主梁構(gòu)造及施工注意事項(xiàng)

主梁采用箱型分離式斷面，箱體混凝土分段澆筑；支點(diǎn)梁高4 m，跨中梁高度2.2 m，翼緣懸臂3 m；主梁在15 m范圍內(nèi)按直線由4變到2.2,底板厚由65 cm變到25 cm,箱梁頂板厚度均為25 cm;等高梁段底板厚度為25 cm,翼緣板厚度為18 cm;在等截面處邊跨邊腹板厚度為65 cm、中跨處邊腹板厚度為50 cm,在變截面處變?yōu)?5 cm;中腹板厚度為35 cm;0號(hào)塊邊腹板變?yōu)?0 cm,中腹板變?yōu)?0 cm。箱梁挑臂長(zhǎng)度為3.0 m,底板寬度為10 m。在箱梁中央分隔帶2 m寬位置設(shè)置雙排斜拉索,拉索在橫梁間距100 cm,斜拉索錨固處設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)橫梁,拉索錨固區(qū)橫梁寬80 cm,梁內(nèi)拉索處橫梁厚度為35 cm,間距為5 m。塔梁固接處橫梁厚100 cm,端橫梁厚度為150 cm。主梁按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì);滿堂支架現(xiàn)澆施工法。

圖2 索塔主梁固結(jié)形式(單位:cm)

2.4 主塔構(gòu)造及施工注意事項(xiàng)

主塔呈斜A形，自橋面至塔頂高38.2 m，塔頂設(shè)裝飾區(qū)并設(shè)避雷針。主塔設(shè)置在綠化帶中央,主塔與主梁之間由拉索建立聯(lián)系,主塔采用變截面預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。在橋面以上,主塔橫橋向?qū)挾?60 cm不變,橋面以下加寬到500 cm。上部橫斷面尺寸為2.6 m×3 m,下部橫斷面尺寸為2.6 m× 6.8 m,根部橫斷面尺寸為5 m×8.89 m,塔中心與地面傾斜角度為75°,主塔豎向預(yù)應(yīng)力采用24根15—19鋼絞線。為施工方便,主塔內(nèi)配有鋼骨架，索塔上部施工采用在地面上主塔承臺(tái)位置以及部分地面搭設(shè)支架,地面上主塔必須進(jìn)行預(yù)壓,支架與主塔接觸面必須良好,保證限制主塔在施工時(shí)由于恒載產(chǎn)生內(nèi)力及變形,索塔不設(shè)預(yù)拱度。圖3為索塔一般構(gòu)造。

由于塔柱向外傾斜,在施工中要防止塔根部?jī)?nèi)側(cè)因受拉而開(kāi)裂,同時(shí)要克服模板和混凝土在重力作用下的傾覆力矩,還要防傾斜,減少水平力的影響,因而采取在無(wú)背索面設(shè)置主動(dòng)支撐,克服塔柱施工過(guò)程中因自重和施工荷載而引起的應(yīng)力和位移。

圖3 索塔一般構(gòu)造(單位:cm)

2.5 斜拉索及施工注意事項(xiàng)

斜拉索采用Φ7平行鋼絲,斜拉索外包PE防護(hù),索面為扇型布置,在梁上從距橋頭9.3 m處開(kāi)始,每隔5 m設(shè)置一根,塔上索距1.5 m,共設(shè)7根。斜拉索采用鍍鋅平行鋼絲拉索體系，每根斜拉索設(shè)減震器，下端3 m外包不銹鋼管,塔頂放置不銹鋼球,在鋼球上設(shè)置避雷針,在上塔柱頂部放置3根不銹鋼管琴把(最好為黑色)。索塔似一把豎琴,造型美觀,能與景區(qū)周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

由于該橋設(shè)計(jì)采用雙幅分離式設(shè)計(jì),受力明確,尤其是0號(hào)塊,邊界條件清晰,因此采用整理?xiàng)U系分析即可滿足設(shè)計(jì)要求。

本次設(shè)計(jì)計(jì)算分析采用Midas civil進(jìn)行模擬, 116個(gè)梁?jiǎn)卧?模擬主梁及墩塔),14個(gè)桁架單元(模擬拉索)。圖4為計(jì)算模型。

圖4 計(jì)算模型

3.1 混凝土構(gòu)件應(yīng)力計(jì)算

該橋混凝土主體結(jié)構(gòu)均按照全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件考慮,設(shè)計(jì)時(shí)考慮在施工及各種不利組合下均不產(chǎn)生拉應(yīng)力,且有一定的安全儲(chǔ)備。

在成橋狀態(tài)下(正為壓應(yīng)力,負(fù)為拉應(yīng)力):主塔最小正應(yīng)力0.5 MPa,最大正應(yīng)力11.3 MPa;主梁最小正應(yīng)力2.7 MPa,最大正應(yīng)力11.1 MPa;主墩最小正應(yīng)力2.8 MPa,最大正應(yīng)力3.1 MPa。在最不利短期荷載效應(yīng)組合下(正為壓應(yīng)力,負(fù)為拉應(yīng)力):主塔最小正應(yīng)力0.4 MPa,最大正應(yīng)力11.5 MPa;主梁最小正應(yīng)力1.0 MPa,最大正應(yīng)力11.2 MPa;主墩最小正應(yīng)力2.1 MPa,最大正應(yīng)力3.2 MPa。所有混凝土構(gòu)件均為出現(xiàn)拉應(yīng)力滿足全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件要求。

3.2 主梁剛度計(jì)算

主梁在活載下最大變形12.8 mm,僅為主跨的1/5 703，結(jié)構(gòu)剛度較大,行車舒適性好。圖5為主梁變形圖。

圖5 主梁變形圖

3.3 斜拉索應(yīng)力計(jì)算

在最不利荷載下斜拉索最大拉應(yīng)力為328 MPa,為最短內(nèi)側(cè)索,因此索的安全系數(shù)為5,安全系數(shù)較高。

4 結(jié)語(yǔ)

盡管該橋跨徑不大,但橋?qū)?4 m,如采用整體式設(shè)計(jì),不僅受力復(fù)雜,施工難度大,線形也不好控制,橋面板裂縫難以有效克服?；谝陨显?該橋采用塔梁分離、左右分幅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),克服了以往設(shè)計(jì)這類橋均采用整體式結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的一系列的缺點(diǎn),受力簡(jiǎn)單,施工容易,主梁可以左右幅分開(kāi)施工,且造型優(yōu)美,不失為寬體斜拉橋設(shè)計(jì)的一種好方法。

該橋整個(gè)施工過(guò)程順利,目前已建成通車,且運(yùn)行狀態(tài)良好。

U448.27

B

1009-7716(2015)03-0057-04

2014-12-01

葉國(guó)勇(1984-),男,安徽懷寧人,工程師,從事橋梁設(shè)計(jì)工作。