某轉(zhuǎn)體施工獨(dú)塔混合梁斜拉橋設(shè)計(jì)與創(chuàng)新

支燕武

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津市 300251）

1 工程概況

本項(xiàng)目為某市政道路上跨鐵路站場(chǎng)工程，道路與鐵路接近正交。主橋結(jié)構(gòu)形式采用獨(dú)塔單索面混合梁斜拉橋，橋長(zhǎng)255 m，寬32 m（含4 m索區(qū)），跨徑布置為90 m+165 m，支承體系采用塔-梁-墩全固結(jié)體系。橋梁為整體單幅橋，橫斷面布置為：0.75 m排水槽+0.5 m防撞護(hù)欄+2m緊急停車帶+10.75m機(jī)動(dòng)車道（3.5m×2+3.25m+0.5m）+4 m塔區(qū)+10.75 m機(jī)動(dòng)車道（3.5 m×2+3.25 m+0.5 m）+2 m緊急停車帶+0.5 m防撞護(hù)欄+0.75 m排水槽，總寬32 m。為減少施工期間對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)安全的影響，主橋采用轉(zhuǎn)體法施工。主橋立面及橫斷面布置分別見圖1~圖3。

圖1 主橋立面布置（單位：m）

圖2 主橋橫斷面布置（索塔位置）（單位：m）

圖3 主橋1/2橫斷面圖（主跨跨中）（單位：mm）

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級(jí)：城市主干道。

（2）設(shè)計(jì)車速：60 km/h。

（3）橋梁設(shè)計(jì)荷載：跨鐵路孔1.3×城A級(jí)。

（4）橋梁安全等級(jí)：一級(jí)，重要性系數(shù)1.1。

（5）橋梁設(shè)計(jì)環(huán)境類別：Ⅱ類。

（6）橋區(qū)抗震設(shè)防烈度：6度，地震動(dòng)峰值加速度0.05 g。

3 橋梁方案設(shè)計(jì)

隨著城市建設(shè)日新月異，對(duì)橋梁景觀文化內(nèi)涵的要求也與日俱增。該項(xiàng)目作為城市主干道上跨鐵路橋梁，除滿足基本交通要求、鐵路限界要求以外，還應(yīng)契合地域特征，使之成為傳承歷史文脈的載體和宣揚(yáng)城市特色的地標(biāo)性建筑。橋梁位于城市中軸線之上，在此線位之上已有一座象征太陽(yáng)的旭日斜拉橋，因此該橋選用獨(dú)塔斜拉橋方案，月亮造型放置于索塔塔頂，與旭日橋形成“日月同輝”的呼應(yīng)效果。橋塔刻意規(guī)避了常規(guī)斜拉橋橋塔的呆板、生硬感受，使建筑與環(huán)境和諧共處，展現(xiàn)了橋梁結(jié)構(gòu)的地標(biāo)性和建筑美，見圖4。

圖4 橋梁夜景效果圖

4 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1-6]

4.1 上部結(jié)構(gòu)

上部結(jié)構(gòu)主梁采用混合梁結(jié)構(gòu)，主跨采用鋼箱梁，邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，在鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)連接處采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)連接。設(shè)計(jì)中心線處梁高為3 m，梁頂設(shè)1.5%的雙向坡，梁底水平，其中：

（1）鋼箱梁

采用正交異性板扁平流線形封閉鋼箱梁，總長(zhǎng)153.42 m，全寬32.6 m，橋梁中心線處梁高3 m，鋼箱梁鋼結(jié)構(gòu)采用Q345qE，局部受力較大區(qū)段采用Q390qE。標(biāo)準(zhǔn)段頂板厚16 mm，除局部范圍內(nèi)采用板式加勁外，其余均采用U型加勁肋加勁。標(biāo)準(zhǔn)段底板厚14 mm，除局部范圍內(nèi)采用板式加勁外，其余段均采用U型加勁肋加勁。全橋共設(shè)置8道腹板，其中錨腹板厚25 mm，標(biāo)準(zhǔn)段中腹板厚14 mm，并設(shè)置縱向及橫向加勁肋。橫隔板一般段厚度均為14 mm，拉索對(duì)應(yīng)位置加強(qiáng)到20 mm，中支點(diǎn)、邊支點(diǎn)位置加強(qiáng)到28 mm。橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距為3 m，橫隔板需設(shè)置自身的縱、橫向加勁。

（2）預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁采用等截面預(yù)應(yīng)力箱梁，總長(zhǎng)101.45 m，采用單箱七室構(gòu)造，中心線處梁高3 m，采用C50混凝土。頂板厚0.3~0.6 m，底板厚0.25~0.6 m，腹板厚40~90 cm。墩位處及拉索區(qū)均設(shè)置橫梁，橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。

（3）鋼-混凝土結(jié)合段

本橋結(jié)合段采用部分截面連接承壓傳剪式，通過(guò)鋼梁端部40 mm厚承壓板將鋼梁端部的力傳遞給混凝土梁。過(guò)渡段鋼箱梁將頂、底板加厚至25 mm、腹板加厚至20 mm，并且頂、底板、腹板伸入鋼混結(jié)合段2.25 m。采用“U”肋上加焊“T”肋方式進(jìn)行加勁，通過(guò)“T”肋高度的改變，逐漸變化至與鋼混結(jié)合段混凝土頂、底板相匹配，以保證傳力連續(xù)性。在頂?shù)装濉⒊袎喊迳喜贾脠A柱鐓頭剪力釘外，還在鋼箱梁頂?shù)装迳霞雍?PBL傳剪板埋入混凝土內(nèi)，與焊釘共同起到傳遞剪力的作用。PBL剪力板作為主要連接件，其上開有Ф60 mm的圓孔，貫穿Ф20 mm的鋼筋。結(jié)合段預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線方法，混凝土梁縱向預(yù)應(yīng)力通過(guò)承壓板分別錨固在端承壓板上，增加結(jié)合段的整體性。

4.2 索塔

計(jì)入塔頂裝飾部分索塔全高100 m，塔頂圓形裝飾采用鋼結(jié)構(gòu)，塔身采用混凝土結(jié)構(gòu)，連接部位采用鋼-混凝土結(jié)合段。

混凝土部分塔高75.5 m，采用部分變截面設(shè)計(jì)。其中塔腳截面尺寸為4 m×8 m，順橋向?qū)挾? m，橫橋向?qū)挾扔? m過(guò)渡到3 m，采用空心截面；30 m以上部分采用等截面設(shè)計(jì)，塔腳截面尺寸為3 m×8m，順橋向?qū)挾? m，橫橋向?qū)挾葹? m，采用實(shí)心截面?；炷敛牧蠘?biāo)號(hào)為C50?；炷了┕すに嚥捎门滥７侄螡沧⑹┕ぃ虼诵璐钤O(shè)勁性骨架作為模板支撐，勁性骨架也可提高混凝土的整體性能。

塔頂部分及月亮造型裝飾采用鋼結(jié)構(gòu)，塔頂部分采用手型塔設(shè)計(jì)，該部位高3.5 m，底部截面尺寸為 4 m×8 m，采用板肋進(jìn)行加勁。月亮型造型直徑18 m，底部伸入手型塔頂。鋼-混凝土結(jié)合段亦是主塔設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位，長(zhǎng)度為2.7 m，采用常見的全截面連接承壓傳剪式，通過(guò)塔頂部的超厚承壓板將塔頂部的力傳遞給混凝土塔身，承壓板采用30 mm厚鋼板。過(guò)渡段塔壁加厚至20 mm、腹板加厚至16 mm。在側(cè)板上布置圓柱鐓頭剪力釘外，還在塔頂結(jié)合段設(shè)置一定數(shù)量的預(yù)應(yīng)力鋼棒，使結(jié)合段受力均勻過(guò)渡。

4.3 斜拉索及錨固體系

本橋斜拉索采用單索面雙排索布置。塔上斜拉索與主塔交點(diǎn)在豎直方向間距約為4 m，主梁上水平方向索距約為12 m（鋼梁段）及6 m(預(yù)應(yīng)力混凝土梁段)。全橋共有斜拉索24對(duì)、共48根。斜拉索采用單層PE防護(hù)單絲涂覆環(huán)氧涂層鋼絞線斜拉索體系，單根鋼絞線直徑15.2 mm，公稱抗拉強(qiáng)度1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105 MPa。斜拉 索 規(guī) 格 為 分 別 為 31-Φs15.2、37-Φs15.2、39-Φs15.2、43-Φs15.2、47-Φs15.2 和 55-Φs15.2，采用鋼絞線拉索群錨體系。每套斜拉索應(yīng)為包含拉索及兩端錨頭、螺母、減震器、抗滑鍵配套系統(tǒng)、保護(hù)罩和防水罩的成套制品。外層防護(hù)采用雙層雙螺旋線HDPE護(hù)套，護(hù)套采用高耐久性的HDPE材料制作加工，雙螺旋線是在光面護(hù)套的基礎(chǔ)上加工出雙螺旋線，其外壁凸起的肋條可有效阻止雨水在風(fēng)的作用下在護(hù)套表面形成水線，從而有效降低或阻止因風(fēng)雨激振對(duì)拉索造成的不良振動(dòng)，具有良好的抗風(fēng)雨激振性能。

拉索與鋼箱梁的連接采用鋼錨箱構(gòu)造形式，錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)主要由一塊承壓板、一塊錨墊板與兩塊承剪板組成。每塊承壓板的外側(cè)各設(shè)有加勁板，兩承剪板之間設(shè)置兩塊U形加勁板。拉索在混凝土梁上設(shè)置錨塊進(jìn)行錨固。斜拉索在塔上的錨固方式采用鋼絞線在塔上通過(guò)集束鋼管貫通（索鞍）錨固方式。

4.4 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)

轉(zhuǎn)體系統(tǒng)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)體下盤、球鉸、上轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)動(dòng)牽引系統(tǒng)組成。

（1）轉(zhuǎn)體下盤。下盤為支承轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)全部重量的基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)體完成后，與上轉(zhuǎn)盤共同形成基礎(chǔ)。下轉(zhuǎn)盤采用C50混凝土。下轉(zhuǎn)盤上設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)體支座、保險(xiǎn)撐腳環(huán)形滑道及轉(zhuǎn)體拽拉千斤頂反力座等。

（2）轉(zhuǎn)體支座。本次設(shè)計(jì)采用300 000 kN的轉(zhuǎn)體支座，直徑為Φ4 750 mm，高度為430 mm，是平轉(zhuǎn)法施工轉(zhuǎn)動(dòng)體系的核心，它是轉(zhuǎn)體施工的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。

（3）轉(zhuǎn)體上盤撐腳與滑道。上盤撐腳即為轉(zhuǎn)體時(shí)支撐轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)平穩(wěn)的保險(xiǎn)腿。從轉(zhuǎn)體時(shí)保險(xiǎn)腿的受力情況考慮，轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)稱的兩個(gè)保險(xiǎn)腿之間的中心線與上盤縱向中心線重合，使8個(gè)保險(xiǎn)腿對(duì)稱分布于縱軸線的兩側(cè)。在撐腳的下方（即下盤頂面）設(shè)有1.1 m寬的滑道，滑道半徑為6 m，轉(zhuǎn)體時(shí)保險(xiǎn)撐腳可在滑道內(nèi)滑動(dòng)，以保持轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)平穩(wěn)。

（4）轉(zhuǎn)體上盤。上盤是轉(zhuǎn)體的重要結(jié)構(gòu)，在整個(gè)轉(zhuǎn)體過(guò)程中形成一個(gè)多向、立體的受力狀態(tài)，上盤高4.9 m，布有縱、橫預(yù)應(yīng)力鋼筋。轉(zhuǎn)臺(tái)直徑Φ13 m，高度0.8m。轉(zhuǎn)臺(tái)是球鉸、撐腳與上盤相連接的部分，又是轉(zhuǎn)體牽引力直接施加的部位。轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)預(yù)埋轉(zhuǎn)體牽引索，預(yù)埋端采用P型錨具。

5 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）橋梁設(shè)計(jì)不僅僅要滿足使用功能，要隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，在力學(xué)規(guī)律和美學(xué)法則的支配下，將是人文科學(xué)、工程技術(shù)和藝術(shù)三位一體的產(chǎn)物。由于橋梁橫跨交通線路之上而廣受關(guān)注，成為審美的對(duì)象。索塔塔頂設(shè)置月亮造型，通過(guò)夜景燈光變換表現(xiàn)月亮盈虧變換，打破了常規(guī)斜拉橋橋塔的造型呆板、傳統(tǒng)做法，將橋梁的功能性與建筑美學(xué)完美融合與統(tǒng)一，和諧地融入了周圍環(huán)境。

（2）將非對(duì)稱混合梁斜拉橋與轉(zhuǎn)體法施工相結(jié)合，不但能降低工程造價(jià)，而且非常適用于預(yù)制場(chǎng)地受限的工程，為以后類似跨鐵路橋梁的設(shè)計(jì)提供了新思路。為模擬施工階段及成橋運(yùn)營(yíng)階段的受力特征及其使用性能，利用有限元軟件模擬結(jié)合段在各種工況下的受力模式，有限元計(jì)算模型見圖5、圖6。通過(guò)計(jì)算結(jié)果表明結(jié)合段各個(gè)部位應(yīng)力分布及過(guò)度較為均勻，沒(méi)有發(fā)生明顯突變，設(shè)計(jì)較為合理，為精細(xì)設(shè)計(jì)提供了理論支撐。

圖5 鋼混結(jié)合段有限元模型渲染圖

圖6 鋼混結(jié)合段有限元模型邊界圖

（3）橋梁采用非對(duì)稱獨(dú)塔混合梁斜拉橋，索塔兩側(cè)索力差異較大，采用常規(guī)拉索錨固形式均不能滿足使用要求。設(shè)計(jì)將交叉錨固形式與索鞍錨固形式相結(jié)合，采用傳統(tǒng)分絲技術(shù)設(shè)計(jì)索鞍，索塔兩側(cè)單根鋼絞線均穿過(guò)各自分絲管分別利用抗滑鍵錨固在索塔的相對(duì)一側(cè)，每一根鋼絞線為均可作為一個(gè)單獨(dú)的拉索系統(tǒng)，亦可以實(shí)現(xiàn)單根鋼絞線換索。在施工過(guò)程中，該拉索體系能滿足施工過(guò)程各個(gè)階段的受力，且施工較為簡(jiǎn)便，為一種新型的斜拉橋拉索錨固系統(tǒng)。為了驗(yàn)證該新型斜拉索錨固系統(tǒng)的安全性，同時(shí)驗(yàn)證施工的可行性，進(jìn)行了模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，見圖7、圖8，試驗(yàn)取得了滿意的效果。

圖7 模型現(xiàn)場(chǎng)立面圖

圖8 模型現(xiàn)場(chǎng)側(cè)面圖

（4）為減少施工期間對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)安全的影響，主橋采用轉(zhuǎn)體法施工。轉(zhuǎn)體部分總重量達(dá)2.45萬(wàn)t，轉(zhuǎn)體支座型號(hào)采用3.0萬(wàn)t。球鉸的設(shè)計(jì)與施工、轉(zhuǎn)動(dòng)體系布置、轉(zhuǎn)體施工準(zhǔn)備及轉(zhuǎn)體穩(wěn)定性控制是橋梁轉(zhuǎn)體施工中的關(guān)鍵技術(shù)，是一座橋梁安全、順利建成的保證。而實(shí)際上，這些技術(shù)在我國(guó)的理論研究并不深入，仍有較大的提升空間。目前工業(yè)鑄造領(lǐng)域的最大直徑單球鉸達(dá)到4.5 m，而直徑更大、噸位3.0萬(wàn)t的單球鉸尚屬空白，本項(xiàng)目將設(shè)計(jì)直徑4.75 m，30 000 kN噸位的單球鉸進(jìn)行安裝實(shí)屬首次應(yīng)用，通過(guò)實(shí)踐與理論結(jié)合，用實(shí)踐檢驗(yàn)理論，將促進(jìn)我國(guó)橋梁轉(zhuǎn)體施工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)市政、交通建設(shè)的快速發(fā)展，上跨鐵路橋梁會(huì)越來(lái)越多，橋梁建設(shè)時(shí)除了滿足功能性及適用性以外，還要滿足景觀性的要求。希望本文介紹的這座橋梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)造及創(chuàng)新對(duì)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)類似項(xiàng)目中提供啟發(fā)與幫助。