預應力混凝土矮塔斜拉橋設計研究

文/重慶交建工程勘察設計有限公司 皇甫全顯 敖建輝

矮塔斜拉橋通常也被稱為部分斜拉橋, 其雛形是反拱形梁橋，由于這種橋型具有索塔高度比較低的特點，所以在國內(nèi)有的文章又把這種橋稱作是矮塔斜拉橋，這種橋型介于斜拉橋和連續(xù)梁（剛構(gòu)）橋兩者間，其在結(jié)構(gòu)性能以及經(jīng)濟指標上都有著相當良好的表現(xiàn)，在近幾年發(fā)展非常迅速。

矮塔斜拉橋最初起源于國外，由Christian Menn設計并在1981年建造的Ganter大橋，是矮塔斜拉橋最初出現(xiàn)的形式，甘特大橋為其后矮塔斜拉橋的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。繼甘特大橋之后，美國、墨西哥、葡萄牙等國家也建造了此種形式的橋梁。世界上第一座矮塔斜拉橋是1994年在日本的建造小田原港橋，而后這種橋型在日本迅速發(fā)展。我國在矮塔斜拉橋領(lǐng)域之中的第一次應用是2000年8月竣工通車的蕪湖長江公鐵兩用大橋，其主梁使用的是連續(xù)桁組合梁，這也是世界上首次采用這種主梁結(jié)構(gòu)。

修建于2001年的福州漳州戰(zhàn)備橋，是國內(nèi)的第一座屬于預應力混凝土矮塔斜拉橋。隨后，矮塔斜拉橋在我國得到了快速地推廣。隨著矮塔斜拉橋不斷地在國內(nèi)修建，所積累的工程經(jīng)驗和教訓都為這種橋型在我國的發(fā)展打下了較好的基礎(chǔ)。

本橋為預應力混凝土梁矮塔斜拉橋公路橋，汽車荷載等級為公路一級，雙向六車道，無人行道。只考慮系統(tǒng)升溫和降溫（±20℃），不考慮梯度溫差。設計內(nèi)容為橋式方案擬定、預應力筋估算、斜拉索索力確定及進行橋梁檢算。

結(jié)構(gòu)設計

結(jié)合設計要求、設計指標及同類已建橋梁的設計經(jīng)驗，本橋采用的設計方案為圖1所示。

材料

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)立面圖 (單位 cm)

三種混凝土材料C60、C50和C40分別用于主梁、索塔和橋墩?？v向及橫向預應力筋均使用的是高強度的低松弛鋼絞線，其單根公稱直徑為Φs15.24，標準強度1860MPa，豎向預應力筋為Φ32精軋螺紋鋼筋，標準強度為750Mpa?？v向預應力采用OVM15型錨具，豎向預應力采用YGM錨具，預應力管道均按塑料波紋管成孔設計。

橋面設計

公路橋面構(gòu)造包括行車道鋪裝、排水防水系統(tǒng)、人行道（或安全帶）、緣石、欄桿、護欄、照明燈具和伸縮縫等。橋面寬度為防撞欄（0.5m）+三車道（3.25m+3.5m+3.5m）+防撞欄（0.5m）+中央分隔帶兼做拉索保護區(qū)（3.0m）+防撞欄（0.5m）+三車道（3.5m+3.5m+3.25m）+防撞欄（0.5m），總寬度為25.5m。橋面不設縱坡，橫坡為1.5%～2%。擬定橫坡為2%。

主梁設計

主梁橫截面選用的是單箱三室截面，腹板設置為斜腹板，頂板厚度要考慮能夠達到在橫向的抗彎和縱向的抗壓的要求；頂板大都是受到橋面板橫向的抗彎控制，一般選為不變厚度；為了能夠有效地滿足縱向抗壓的要求，底板使用的是變厚度，跨中主要是受到構(gòu)造要求控制，支點主要受縱向壓應力控制，需加厚；腹板主要承擔剪應力和主拉應力，在中支點附近受主拉應力控制，而在跨中則主要由構(gòu)造來控制。根據(jù)設計的要求在斜拉索的錨固處截面和有支撐點的截面要設置橫隔板。具體尺寸如圖2所示。

圖2 主梁橫截面圖 (單位 cm)

圖3 主塔側(cè)立面圖 (單位 cm)

橋塔設計

參考公路規(guī)范（高跨比一般為1/8至1/12）和國內(nèi)外的公路矮塔斜拉橋梁的工程例子，索塔設計為15m高，索塔高和橋梁主跨跨度的比值大約為1/10。在本設計中，因為索面是單索面，并且橋塔是較矮的，所以選擇單塔，主塔構(gòu)造如圖3所示。本設計要求不考慮橋梁的抗震問題，所以選用索塔、主梁和主墩固結(jié)的支撐體系。

斜拉索設計

本設計選用了扇形單索面的拉索形式，在箱梁內(nèi)進行錨固并通過貫通錨固方式將拉索的局部集中力安全均勻地傳遞到塔柱上。

計算分析

計算模型

采用有限元分析軟件Midas Civil建立全橋模型，斜拉索采用只受拉單元來模擬，主梁、橋塔、橋墩均采用梁單元來模擬。梁墩塔固結(jié)，主梁與主墩選擇模型中的剛性連接，索塔和主梁選擇模型之中的彈性連接之中的剛性連接；斜拉索與主梁選擇彈性連接。

初索力施加

根據(jù)JTG D65-01-2007第4.3.3條，矮塔斜拉橋斜拉索可按體外索設計容許應力可采用0.6fpk，在施工中可不做索力調(diào)整。本設計不進行索力調(diào)整，只施加初索力。設計首先將各索的斜拉索初索力設為5000kN，進行模型分析計算，得到各施工階段數(shù)據(jù)，然后代入公式，其中為斜拉索初應力；為后續(xù)施工階段影響產(chǎn)生的拉索應力，由施工階段數(shù)據(jù)導出；錯誤! 未找到引用源。為二期恒載影響產(chǎn)生的拉索應力，由施工階段數(shù)據(jù)導出；錯誤! 未找到引用源。為活載影響產(chǎn)生的拉索應力，取活載條件下計算值。得到一組初索力的值，再將這組值按以上流程進行迭代，在成橋運營斜拉索索力接近設計索力后可以終止。

預應力筋估算

對梁進行縱向預應力配筋，配置的預應力鋼束有三種類型包括頂板鋼束、底板鋼束和腹板鋼束，根據(jù)主梁的受力特征，主梁內(nèi)力包括M、N、Q三種類型，且主梁屬于壓彎構(gòu)件。本設計采用1.0恒載+1.0活載的組合內(nèi)力取最大彎矩對應的軸力和最小彎矩對應的軸力進行預應力鋼束的估算。

結(jié)果分析

矮塔斜拉橋的主梁從受力來看屬于壓彎構(gòu)件，《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》中規(guī)定，主梁應該根據(jù)承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)分別進行驗算。

主梁剛度

根據(jù)規(guī)范，主梁位移要考慮荷載長期效應影響，荷載長期效應作用下的撓度為：式中，，fs為荷載短期效應作用產(chǎn)生的撓度；ηθ為撓度長期增長系數(shù)。C60混凝土，ηθ取1.4。中跨的荷載短期效應最大撓度如表1所示。按照規(guī)范的要求，在減去自重產(chǎn)生的長期撓度之后主梁的最大撓度不大于跨徑的1/600，即∶

主梁抗彎承載力

主梁的控制截面（ 邊跨跨中、邊跨1/4、中跨跨中、和主墩和主梁固結(jié)處）在承載能力的極限狀態(tài)下，主梁彎矩的最大值在中跨跨中即單元82 處，最大值為104145.27 kN錯誤! 未找到引用源。m，小于此處結(jié)構(gòu)的抗力104497.67kN錯誤! 未找到引用源。m，故主梁正截面強度的檢算通過。

表1 短期效應荷載組合下主梁的撓度(單位：mm)

主梁正截面的抗裂性檢算

對于主梁正截面的抗裂性驗算應該驗算的是混凝土正截面的拉應力的值。本次設計中主梁屬于分段澆筑的全預應力構(gòu)件，在荷載的短期效應作用下應該滿足：

計算得單元的最小應力為0.6MPa，容許拉應力為0，故正截面抗裂性的檢算通過。

圖4 鋼絞線斜拉索的張拉

施工方案

主梁施工

在矮塔斜拉橋主梁施工的過程之中，主要可以使用的方法有頂推法、平轉(zhuǎn)法、支架法以及懸臂施工法，而其中懸臂施工法是最為常用的一種方法，這種方法無論跨度如何都可以使用。本設計主梁施工方法選用的是掛籃懸臂施工。

索塔和墩施工

本次設計中由于塔高比較矮高度為15m，所以和墩一樣均使用支架法進行施工。這種方法最大的優(yōu)點就在于可以不使用大型吊裝設備，但是其缺點也較為明顯，那就是施工所需要的漲價模板消耗量比較大，同時工期也較長，在山區(qū)橋梁及高墩上都有著較大的局限性。

斜拉索施工

斜拉索的施工主要分為掛索以及張拉這兩個過程—掛索：如果使用成品索進行掛索，那么就需要進行整索安裝。如果使用的成品索不長，在進行掛索施工時就可以通過吊機直接進行起吊，然后通過卷揚機來利用鋼絞線或者是鋼絲繩作為引導，將斜拉索的兩端分別引入到塔柱之上以及主梁上所事先預留的孔道之中。最后則是將斜拉索的兩端固定到鎖孔端面之上的錨板上。

張拉：對于成品索，通常情況下是采用千斤頂來進行整索的張拉。特別是對于現(xiàn)場制作出的成品索，可以利用小千斤頂來逐根的進行張拉，還可以通過小千斤頂來對初應力進行有效調(diào)整，然后再使用大千斤頂來整索張拉。張拉施工過程如圖4所示。