椒江二橋主橋索塔設(shè)計(jì)

鄭本輝

（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）

椒江二橋主橋索塔設(shè)計(jì)

鄭本輝

（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）

浙江省臺州市椒江二橋主跨480 m，采用雙塔五跨半封閉鋼箱組合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)形式，是浙江省臺州市的一座重要的公路橋梁。重點(diǎn)介紹了該橋索塔方案選擇、考慮臺州地區(qū)強(qiáng)臺風(fēng)的索塔受力分析、索塔錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及施工方案設(shè)計(jì)等情況，著力解決索塔抗風(fēng)、防船撞、斜拉索錨固等難題，確保結(jié)構(gòu)安全、合理。希望本橋的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)軐V大同行有所幫助。

臺州；椒江二橋；斜拉橋；索塔；鋼錨梁；設(shè)計(jì)；臺風(fēng)；施工

0 引言

椒江二橋是浙江省臺州市內(nèi)75省道跨越椒江的一座重要的公路橋梁。橋梁全長1665 m，主橋長900 m，主跨480 m。根據(jù)橋位處的自然、地質(zhì)條件以及通航要求，最終設(shè)計(jì)采用雙塔五跨半封閉鋼箱組合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)體系。主橋結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。由于橋梁所處位置為臺風(fēng)高發(fā)地區(qū)，設(shè)計(jì)風(fēng)速高達(dá)45 m/s，主橋索塔最終選擇采用有利于提高抗風(fēng)性能的鉆石形索塔。本文將對索塔方案選擇、考慮強(qiáng)臺風(fēng)荷載的索塔受力分析、索塔錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及施工方案加以詳細(xì)介紹。

1 索塔設(shè)計(jì)的主要控制性因素和塔型選擇

橋塔設(shè)計(jì)主要考慮以下控制因素：

（1）需要適應(yīng)特大跨斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。椒江二橋主橋跨徑達(dá)到480 m，屬于特大跨徑斜拉橋。索塔作為主橋的主要承重構(gòu)件，除了承受恒載和正常使用活載、溫度等作用之外，風(fēng)荷載、地震力、波浪力、船撞力都是重要的設(shè)計(jì)控制因素。索塔設(shè)計(jì)需要綜合考慮這些因素，確保結(jié)構(gòu)安全、可靠。同時要考慮斜拉索的集中錨固、張拉，做到構(gòu)造合理、施工便利。

（2）需要適應(yīng)椒江入海口位置的復(fù)雜地質(zhì)條件。椒江入?？谖恢玫刭|(zhì)情況復(fù)雜，有超過40 m厚的淤泥層，其他土層承載力也相對較差，理想的樁基持力層中風(fēng)化巖層埋深標(biāo)高在-130 m左右。因此在橋塔方案選擇時需要盡可能選擇基礎(chǔ)規(guī)模相對較小的塔型，如鉆石形塔、花瓶形塔等，不宜采用基礎(chǔ)規(guī)模較大的A形塔、倒Y形塔。

（3）需要適應(yīng)椒江入?？谖恢玫膹?fù)雜氣象條件。臺州位于我國的臺風(fēng)多發(fā)區(qū)。設(shè)計(jì)風(fēng)速為45 m/s，幾乎為國內(nèi)橋梁設(shè)計(jì)之最。因此在橋塔方案選擇時需要盡可能選擇抗風(fēng)性能好的空間索面塔型，如鉆石形塔、花瓶形塔等，不宜采用平行索面的H形塔。另外要對索塔進(jìn)行專項(xiàng)研究，擬定合理的索塔斷面，減少橋塔的渦振效應(yīng)。

（4）需要適應(yīng)椒江入?？谖恢玫膹?fù)雜航運(yùn)條件。椒江入?？诤竭\(yùn)繁忙，經(jīng)過通航論證，設(shè)計(jì)通航萬噸雜貨輪。索塔設(shè)計(jì)需要確保具有一定的防船撞能力。

在綜合考慮上文相關(guān)因素后，在初步設(shè)計(jì)階段考慮了三種索塔塔型方案，見表1。其中花苞塔為國內(nèi)首創(chuàng)。

經(jīng)過初步設(shè)計(jì)專家評審，一致認(rèn)為鉆石形塔造價最省、施工簡便、工藝成熟，傳力路徑明確，確定為最終的實(shí)施方案。

2 索塔設(shè)計(jì)

如圖2所示，索塔采用鉆石形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，總高152.76 m。從上至下分為塔頭、上塔柱、下橫梁、下塔柱、塔座五個部分。其中塔頭高25 m，上塔柱高91.56 m，下塔柱高36.2 m；下塔柱橫橋向外側(cè)面的斜率為1/4.213，內(nèi)側(cè)面的斜率為1/2.843；上塔柱橫橋向斜率為1/6.474。上塔柱截面順橋向?qū)挾扔?.5 m漸變到8.5 m，橫橋向?qū)挾葹?.5 m。下塔柱截面順橋向?qū)挾扔?.5m漸變到11.5 m，橫橋向?qū)挾扔?.5 m漸變到8 m。索塔在橋面以上高度為107.992 m，高跨比為0.225，塔底左右塔柱中心間距20.00 m。

圖1 椒江二橋主橋總體布置圖（單位：mm）

表1 三種塔型綜合比選

圖2 索塔總體布置圖（單位：mm）

上塔柱為斜拉索錨固區(qū)，采用鋼錨梁與環(huán)向預(yù)應(yīng)力結(jié)合的結(jié)構(gòu)方案。在上、下塔柱轉(zhuǎn)折處設(shè)置下橫梁抵抗橫橋向水平力。塔柱采用空心箱形斷面，為改善索塔景觀效果同時減少風(fēng)荷載作用，塔柱外側(cè)均設(shè)兩級的倒角。上塔柱錨固區(qū)塔壁厚度為橫橋向0.8 m，順橋向1.2 m，中間設(shè)鋼錨梁；上塔柱非錨固區(qū)壁厚為橫橋向1.2 m，順橋向1.4 m；下塔柱塔壁厚度均為1.2 m。

索塔基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁加承臺的結(jié)構(gòu)形式，單個索塔基礎(chǔ)采用30根樁徑由2.8 m變到2.5 m的超長嵌巖樁，最大樁長139 m，為國內(nèi)橋梁之最。之所以采用超長嵌巖樁是基于該地區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件，經(jīng)過計(jì)算比選，采用嵌巖樁相對摩擦樁可以大大減小橋梁基礎(chǔ)規(guī)模，降低承臺自重產(chǎn)生的附加荷載，造價相對摩擦樁節(jié)省約2億元。

為了滿足抗震及萬噸輪防船撞的需要，索塔樁基參照蘇通大橋的設(shè)計(jì)思路，將鉆孔樁施工鋼護(hù)筒作為永久構(gòu)件參與受力。另外索塔承臺外的施工鋼套箱兼做防船撞鋼套箱，有效減小船撞對索塔和船舶本身的傷害。

3 索塔受力計(jì)算分析

椒江二橋索塔施工階段及成橋使用階段主要受力計(jì)算的主要荷載工況組合如下：

（1）正常使用階段荷載組合。

a.恒載。

b.恒載+活載。

c.恒載+活載+溫度+基礎(chǔ)變位+常規(guī)風(fēng)（與汽車荷載組合）。

d.恒載+基礎(chǔ)變位+極限風(fēng)。

e.恒載+基礎(chǔ)變位+地震荷載。

f.恒載+基礎(chǔ)變位+船撞荷載。

（2）施工階段荷載組合。

a.裸塔+施工階段風(fēng)荷載。

b.最大雙懸臂+施工臨時荷載+施工階段風(fēng)荷載。

c.最大單懸臂+施工臨時荷載+施工階段風(fēng)荷載。

d.主橋合攏+施工臨時荷載+施工階段風(fēng)荷載。

除以上工況外，還考慮了遠(yuǎn)期使用階段斷索、換索的不利工況以及施工期間落梁的不利工況。主要選取鉆石形索塔四個不利截面進(jìn)行驗(yàn)算，分別為下塔柱底部截面、上塔柱底部截面、上塔柱中部截面、上塔柱頂部截面。

索塔設(shè)計(jì)采用了Midas軟件進(jìn)行空間三維分析，并采用ANSYS實(shí)體模型進(jìn)行校核。經(jīng)計(jì)算，由于臺州地區(qū)風(fēng)荷載（設(shè)計(jì)風(fēng)速45 m/s）遠(yuǎn)大于其他地區(qū)，使用階段主要控制工況為恒載+極限風(fēng)（含考慮抖振）工況。施工期間主要控制工況為最大雙懸臂+施工臨時荷載+施工階段風(fēng)荷載（含抖振）。最終設(shè)計(jì)受力最大的上塔柱頂部斷面采用了雙排32的束筋，其他控制斷面基本采用單排32的束筋。并且要求在施工期間保留最上面一道臨時支撐，直到主梁合攏后方可拆除。

4 索塔錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 錨固方案比選

主塔的拉索錨固段是將一個斜拉索的局部集中力安全、均勻地傳遞到塔柱的重要受力構(gòu)造。采取何種方式錨固與拉索的布置、拉索的根數(shù)和形狀、塔型和構(gòu)造等方面密切相關(guān)。本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過程中，對錨固結(jié)構(gòu)進(jìn)行了專題研究。根據(jù)椒江二橋橋塔的形式及拉索的構(gòu)造特點(diǎn)，有三種錨固方式可以選擇：鋼錨箱、鋼錨梁和環(huán)向預(yù)應(yīng)力（見表2）。

在三種錨固形式中，鋼錨箱方案明顯不適合本橋的塔柱尺度。環(huán)向預(yù)應(yīng)力有著造價低、后期維護(hù)簡單的優(yōu)點(diǎn)。但結(jié)合國內(nèi)以往的經(jīng)驗(yàn)，環(huán)向預(yù)應(yīng)力的性能如何往往取決于施工質(zhì)量，人為因素比較大。而且高空作業(yè)，質(zhì)量檢測也比較困難。因此將可靠性更高的鋼錨梁結(jié)合環(huán)向預(yù)應(yīng)力粗鋼筋的方式作為最終的推薦方案。

4.2 錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼錨梁作為斜拉索錨固結(jié)構(gòu)，設(shè)置在塔頭和上塔柱中，承受斜拉索的平衡水平力。鋼錨梁共19節(jié)，分四類，各錨固一對斜拉索。鋼錨梁由受拉錨梁和錨固構(gòu)造組成。根據(jù)總體計(jì)算各階段索力，A8～A26（J8～J26）共19對斜拉索均可采用鋼錨梁結(jié)合預(yù)應(yīng)力粗鋼筋方式錨固，A1～A7（J1～J7）僅采用預(yù)應(yīng)力粗鋼筋方式錨固，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用JL32 mm精軋螺紋粗鋼筋。

相關(guān)布置圖、平面圖、立面圖如圖3～圖5所示。

5 索塔施工方案及實(shí)施情況

圖3 鋼錨梁總體布置圖

圖4 鋼錨梁平面圖

圖5 鋼錨梁立面圖

索塔施工主要采用勁性骨架結(jié)合爬模施工的施工方案。由于下塔柱外傾，上塔柱內(nèi)傾，施工期間分別設(shè)置一道平衡拉桿和三道臨時橫撐以改善索塔施工期間的受力狀態(tài)。具體施工步驟及現(xiàn)場照片見表3。

表3 索塔施工過程及照片記錄

鋼錨梁錨固施工步驟為：

（1）在索塔和鋼筋混凝土牛腿施工時，牛腿頂面預(yù)埋鋼板，鋼板與牛腿間通過剪力釘連接。

（2）索塔和牛腿的混凝土達(dá)到強(qiáng)度后，張拉塔內(nèi)預(yù)應(yīng)力粗鋼筋。

（3）分別吊裝鋼錨梁左右兩部分到指定位置，在塔上完成栓接。

（4）安裝斜拉索，張拉斜拉索到指定噸位（張拉噸位由施工監(jiān)控單位提供，報(bào)由設(shè)計(jì)、監(jiān)理同意后實(shí)施）后再對鋼錨梁底板和牛腿頂部預(yù)埋鋼板之間進(jìn)行最終固定。

6 結(jié)語

椒江二橋作為浙江省的重點(diǎn)工程、臺州市的標(biāo)志性建筑，所處地理位置建橋條件極其復(fù)雜，對設(shè)計(jì)人員提出了很高的要求。設(shè)計(jì)中吸取了國內(nèi)外大跨徑斜拉橋梁設(shè)計(jì)的寶貴經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，著力解決索塔抗風(fēng)、防船撞、斜拉索錨固等難題。利用有限元軟件對成橋和施工階段的各部分構(gòu)件進(jìn)行了驗(yàn)算，確保結(jié)構(gòu)安全、合理。該橋于2014年1月建成通車，建成三年多來使用情況良好（見圖6）。本橋索塔的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)也將為國內(nèi)類似橋梁的設(shè)計(jì)起到借鑒作用。

圖6 椒江二橋?qū)嵕罢掌?/p>

[1] 上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司，同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，臺州市交通勘察設(shè)計(jì)院.椒江二橋（椒江大橋復(fù)線）及接線工程可行性研究報(bào)告[R]，2008.

[2] 同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，臺州市交通勘察設(shè)計(jì)院.椒江二橋及接線工程初步設(shè)計(jì)[R]，2008.

[3] 同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，臺州市交通勘察設(shè)計(jì)院.椒江二橋及接線工程施工圖設(shè)計(jì)[R]，2009.

[4] JTG D60—2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

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

U442.5

B

1009-7716（2017）11-0073-05

2017-07-18

鄭本輝（1976-），男，吉林長春人，高級工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。

10.16799/j.cnki.csdqyf h.2017.11.021