浮山縣丞相河特大橋主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

關(guān) 偉

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

PC矮塔斜拉橋即部分斜拉橋，其主梁的高跨比值大于一般斜拉橋，其橋型是介于斜拉橋與連續(xù)梁之間，整體剛度主要由梁體提供，斜拉索對主梁的剛度起加強(qiáng)作用[1-3]。國內(nèi)常見的矮塔斜拉橋橋塔多呈“1字”形，斜拉索一般布置于橋面中心線處，多為單索面布置，斜拉索在主梁的抗扭性能方面存在不足[4]，而外傾式雙索面矮塔斜拉橋橋塔呈“Y形”，斜拉索扇形布置于橋面兩側(cè)，索面呈外傾狀，斜拉索對主梁的抗扭性能貢獻(xiàn)要優(yōu)于“1字”形矮塔斜拉橋，加之“Y形”主塔造型獨(dú)特，使橋梁結(jié)構(gòu)輕盈靈動、整體美觀效果提升。

1 工程概況

浮山縣丞相河特大橋位于山西省臨汾市浮山縣城柏村附近，是浮山縣城至北王公路改造工程全線中的控制性工程，該橋北接柏村，南連南霍村，橋梁跨越丞相河。丞相河河谷呈“W”形，兩岸沿線地勢陡峻，屬黃土梁塬、峁區(qū)，橋址處揭露地層巖性由上至下表現(xiàn)為：黏土、卵石土、泥巖、砂巖，橋址處地形、地質(zhì)條件復(fù)雜。丞相河特大橋橋梁跨徑組成為：4×40 m T梁+（87+160+87）m雙塔斜向雙索面PC矮塔斜拉橋+6×40 m T梁+（87+160+87）m雙塔斜向雙索面PC矮塔斜拉橋 +6×40 m T梁，橋梁全長1.316 km，橋跨在“W”形河谷兩溝分別設(shè)置相同結(jié)構(gòu)的雙塔斜向雙索面PC矮塔斜拉橋，主溝、次溝主橋主塔高度分別為111 m、106 m、107 m、94 m，橋梁平面位于直線段上。主溝主橋橋型布置圖見圖1。

圖1 主溝主橋橋型布置圖（立面）（單位：cm）

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

a）公路等級：一級公路；b）設(shè)計速度：80 km/h；c）橋面寬度：橋面全寬28 m，其中拉索區(qū)2×1.0 m，人行道2×2.5 m，車行道2×9.5 m，中央分隔帶2.0 m；d）汽車荷載等級：公路 -I級；e）人群荷載：3.5 kN/m2；f）設(shè)計基本風(fēng)速：27.7 m/s（重現(xiàn)期 100年）；g）地震動加速度峰值：0.20g，基本烈度Ⅷ度；h）設(shè)計洪水頻率：1/300；i）通航要求：無。

3 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 主橋結(jié)構(gòu)力學(xué)平衡機(jī)理

主橋結(jié)構(gòu)力學(xué)元素主要由三大部分組成，即主梁、斜拉索、外傾式主塔。取橫橋向1/2主塔結(jié)構(gòu)對主橋結(jié)構(gòu)力學(xué)平衡機(jī)理進(jìn)行分析，主橋結(jié)構(gòu)梁、索、塔空間位置見圖2，主梁、主塔空間受力見圖3、圖4。

圖2 主橋梁、索、塔空間位置圖

圖2中主塔上塔柱塔肢軸線CN與橋梁中心線夾角α為主塔外傾角度，斜拉索軸線Sx、Sd與主塔上塔柱塔肢軸線CN相較于點(diǎn)C，A1、A2點(diǎn)為斜拉索在主梁翼緣外側(cè)的錨固點(diǎn)，A1CA2三角形所形成的面為斜拉索索面，θ角為主塔塔肢軸線CN與斜拉索索面A1CA2間的夾角，主橋結(jié)構(gòu)的力學(xué)平衡主要依靠斜拉索索面A1CA2與主塔上塔柱塔肢軸線CN所形成的夾角θ來平衡，θ角的存在使主橋結(jié)構(gòu)在力學(xué)和橋梁美學(xué)上達(dá)到了完美的融合，致使主橋結(jié)構(gòu)主梁、斜拉索、主塔三者的結(jié)構(gòu)平衡，且使橋塔結(jié)構(gòu)造型美觀、橋塔外傾橋面視野開闊。

從圖3可以看出，由于主塔塔肢外傾，斜拉索Sx、Sd對主梁索梁錨固點(diǎn) A1、A2處的作用力 Fx、Fd可以分解為沿橫橋向的分力Fh1、Fh2,沿縱橋向的分力Fz1、Fz2，沿豎橋向的分力 Fs1、Fs2。橫橋向分力對稱于橋梁中心線向橋面外側(cè)，橫橋向分力使主梁橋面板橫向受拉，在索梁錨固點(diǎn)A1、A2附近設(shè)置橫隔梁就很有必要了，且在橫隔梁中可根據(jù)主梁結(jié)構(gòu)橫向?qū)嶋H受力設(shè)置一定數(shù)量的預(yù)應(yīng)力?？v橋向分力對稱于主塔中心線且指向主塔中心線，在主梁懸臂澆筑過程中，隨著主梁長度的增長，塔梁交界部處主梁截面的壓應(yīng)力會逐漸增大，靠塔側(cè)無索區(qū)梁段設(shè)計為變截面對主梁的安全、穩(wěn)定就顯得重要了。豎橋向分力對主梁的抗彎剛度起輔助增強(qiáng)作用，可承擔(dān)梁體承載能力部分的荷載效應(yīng)[5]。斜拉索對主梁的力主要依靠橫隔梁傳遞到箱梁腹板上，在主梁箱梁懸臂板外側(cè)設(shè)置縱梁及在橋面板下設(shè)置橫隔梁就很有必要了。

圖3 主梁空間受力圖

圖4 主塔空間受力圖

從圖4可以看出，斜拉索Sx、Sd在主塔塔肢軸線CN上錨固點(diǎn)C處的作用力Fx、Fd可以分解為沿縱橋向的分力Fx1、Fd1及沿A1CA2索面內(nèi)的分力Fm1、Fm2，F(xiàn)m1、Fm2兩分力的合力可分解為沿主塔軸線CN向下的壓力Ft和垂直于主塔軸線向橋梁中心線方向的拉力Fp壓力Ft對主塔結(jié)構(gòu)“瘦腰”段（即橋塔中橫梁處塔肢部位）處塔肢截面應(yīng)力影響較大，這在設(shè)計時應(yīng)予以高度重視。拉力Fp對主橋成橋階段主塔的安全、穩(wěn)定性起到關(guān)鍵性作用，但在主塔施工完成階段主塔的安全、穩(wěn)定性還需設(shè)置臨時塔冠橫橋向預(yù)應(yīng)力束來保證，所以外傾式矮塔斜拉橋主橋結(jié)構(gòu)斜拉索索面A1CA2與主塔塔肢軸線CN間的夾角θ對主塔結(jié)構(gòu)的力學(xué)平衡具有重要意義。

3.2 主梁設(shè)計

主梁采用單箱雙室箱形截面，采用C55號水泥混凝土，箱梁頂板以箱梁中心線向兩側(cè)設(shè)置2%人字形橫坡。箱梁中心線處主梁根部梁高為5.0 m，跨中及拉索區(qū)段梁高均為3.5 m。箱梁頂板厚度為0.28 m，底板厚度為0.28～1.35 m，腹板采用直腹板，其厚度為0.6～1.2 m，懸臂板長度5.0 m。主梁以主塔對稱向兩側(cè)分為3個區(qū)段：靠塔側(cè)無索區(qū)梁段（主梁為變截面）、拉索區(qū)梁段（斜拉索主梁錨固區(qū)，主梁為等截面）、跨中側(cè)無索區(qū)梁段（主梁為等截面）?？克?cè)無索區(qū)梁段設(shè)置成變截面箱梁不僅基于梁體掛籃懸澆施工、斜拉索施工完成后及成橋運(yùn)營后梁體受力需求，且顧及橋梁主梁景觀效果的需求，靠塔側(cè)無索區(qū)梁段范圍內(nèi)主梁高度按1.7次拋物線變化。主梁每隔4 m在縱橋向設(shè)置橫隔梁一道，橫隔梁厚度在無索區(qū)厚0.25 m，在有索區(qū)厚0.55 m。上部結(jié)構(gòu)主梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系，在拉索區(qū)梁段橫隔梁中設(shè)置橫隔梁橫向預(yù)應(yīng)力。主梁在0號塊橫隔板及兩邊跨現(xiàn)澆段底板上設(shè)置人孔。上部結(jié)構(gòu)主梁典型橫斷面及拉索區(qū)主梁典型橫斷面見圖5。

圖5 主梁典型橫斷面圖（1/2跨中及根部）（單位：cm）

3.3 主塔設(shè)計

圖6 主塔一般構(gòu)造圖（5號主塔）（單位：cm）

主塔造型橫橋向呈“Y字形”，采用C50混凝土。主溝、次溝主橋主塔外形一致，主塔一般構(gòu)造圖見圖6。主塔橫橋向布置左右兩肢，用上、中、下3道橫梁進(jìn)行連接。主塔截面可分為3部分：上塔柱有索區(qū)、上塔柱無索區(qū)及下塔柱，上塔柱有索區(qū)為實心圓角矩形截面，上塔柱無索區(qū)及下塔柱均為空心箱形截面，主塔倒角半徑為20 cm，主塔上塔柱高為25 m。主塔上塔柱左右肢軸線相交于橋面以下28.718 m處，主塔外傾角度為22°。上塔柱塔肢橫橋向?qū)挾?.5 m，縱橋向?qū)挾? m，塔底截面橫橋向?qū)?.932 m，縱橋向?qū)?.908 m，橋塔塔肢間距為10 m。橋塔承臺采用實體式承臺，其尺寸為（18.5×26×4.5）m，基礎(chǔ)采用直徑2.0 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，平面布置18根樁基，主塔構(gòu)造見圖6。

3.4 斜拉索設(shè)計

主橋斜拉索扇形布置于橋面兩側(cè)，索面呈外傾狀，全橋共布置128根斜拉索，斜拉索采用61-Φs15.2 mm和73-Φs15.2 mm環(huán)氧噴涂鋼絞線，單股鋼絞線規(guī)格直徑為15.2 mm，鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 860 MPa。拉索錨具采用可換索式250型15.2-61和250型15.2-73群錨體系。主梁拉索錨固縱橋向索距4 m，主塔拉索錨固豎橋向索距1.5 m。主塔上斜拉索通過索鞍貫通，主塔側(cè)設(shè)置抗滑裝置，主梁上設(shè)置斜拉索混凝土錨固塊，在主梁錨固塊處對斜拉索進(jìn)行張拉。環(huán)氧噴涂鋼絞線采取3道防腐措施，即環(huán)氧樹脂層、防腐油脂層、HDPE層確保了環(huán)氧噴涂鋼絞線的防腐蝕。

4 主橋結(jié)構(gòu)計算

4.1 有限元建模

主橋結(jié)構(gòu)采用有限元軟件建立橋梁模型計算，斜拉索采用桁架單元模擬，通過設(shè)置剛性桿件模擬主梁與斜拉索之間、主塔與斜拉索之間的連接。主塔墩底采用固結(jié)約束，主梁與主塔上橫梁采用固結(jié)約束，拉索與主塔及拉索與主梁錨固點(diǎn)處采用固結(jié)約束，主梁伸縮端下設(shè)3個抗震盆式支座，邊支座為雙向活動支座，中支座為單向活動支座。主橋結(jié)構(gòu)空間模型見圖7。

圖7 主橋結(jié)構(gòu)空間模型圖

4.2 靜力計算

主橋斜向雙索面矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系為剛構(gòu)體系，即塔、墩、梁固結(jié)體系，主橋主梁采用懸臂澆筑法施工，主橋結(jié)構(gòu)按照實際施工流程對結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工階段及成橋階段的計算，綜合考慮結(jié)構(gòu)恒載、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變、活載、溫度荷載、風(fēng)荷載等對結(jié)構(gòu)效應(yīng)的影響，按照規(guī)范對承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行計算，及裂縫、撓度、應(yīng)力等各項規(guī)范要求的指標(biāo)進(jìn)行計算，通過計算各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求[6]。

活載作用下主橋結(jié)構(gòu)豎向撓度5.3 cm，撓跨比為1/3 018，滿足規(guī)范規(guī)定的1/600限值要求[7]。

主梁靜力計算時容易忽略的計算荷載為斜拉索重量及索梁、索塔間的溫差，這在設(shè)計中應(yīng)當(dāng)予以重視，因從計算結(jié)果中可知索塔連接點(diǎn)、索梁連接點(diǎn)兩點(diǎn)的索力是不一樣的，這對橋塔索鞍局部應(yīng)力分析具有重要意義，以確保橋塔索鞍的安全。主橋結(jié)構(gòu)靜力計算關(guān)鍵點(diǎn)是對斜拉索索力與主梁預(yù)應(yīng)力的掌控，為得到理想的斜拉索布設(shè)及預(yù)應(yīng)力布置軌道，需要反復(fù)調(diào)整斜拉索初張力及預(yù)應(yīng)力的配置，以便使結(jié)構(gòu)受力、變形合理且滿足規(guī)范要求[8]。

4.3 動力計算

4.3.1 抗震計算

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》（JTG/T B02-01—2008）、橋位地質(zhì)勘查報告、工程場地地震動參數(shù)復(fù)核報告，橋梁抗震設(shè)防類別為A類，橋址處場地類別為Ⅲ類，抗震設(shè)防烈度為8度，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.40 s。E1、E2地震水平設(shè)計加速度反應(yīng)譜最大值分別為4.414 5、7.504 6。通過計算主橋結(jié)構(gòu)動力特性前4階結(jié)構(gòu)自振頻率及振型特征見表1。

表1 主橋結(jié)構(gòu)前4階自振頻率及振型特征

主橋結(jié)構(gòu)采用反應(yīng)譜方法進(jìn)行抗震分析，采用永久作用+E1地震荷載及永久作用+E2地震荷載兩種荷載組合對結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)驗算，通過計算主橋結(jié)構(gòu)各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

4.3.2 抗風(fēng)計算

對主橋結(jié)構(gòu)施工階段最大懸臂狀態(tài)及成橋狀態(tài)分別進(jìn)行了風(fēng)致顫振穩(wěn)定分析，橋梁顫振臨界風(fēng)速均大于顫振檢驗風(fēng)速，滿足規(guī)范要求[9]。由表2主橋風(fēng)致顫振穩(wěn)定計算結(jié)果可知主橋結(jié)構(gòu)風(fēng)穩(wěn)安全。

表2 主橋風(fēng)致顫振穩(wěn)定計算結(jié)果 m/s

4.4 穩(wěn)定性計算

根據(jù)主橋施工過程和成橋運(yùn)營后的實際情況對結(jié)構(gòu)進(jìn)行第一類穩(wěn)定計算[10]，分別計算主橋在工況1～工況5情況下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)和失穩(wěn)模態(tài)特征。

a）工況1 單個主塔施工完成結(jié)構(gòu)自重；

b）工況2 最大懸臂施工階段結(jié)構(gòu)自重；

c）工況3 成橋階段結(jié)構(gòu)自重；

d）工況4 成橋階段結(jié)構(gòu)自重+二期恒載；

e）工況5 成橋階段結(jié)構(gòu)自重+二期恒載+風(fēng)荷載；

f）工況6 成橋階段結(jié)構(gòu)自重+二期恒載+車道荷載+人群荷載。主橋穩(wěn)定安全系數(shù)λ見表3。

表3 主橋穩(wěn)定安全系數(shù)λ

由表3可知：從工況1～工況6結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)及結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模態(tài)來看，外傾式雙索面矮塔斜拉橋第一階失穩(wěn)模態(tài)主塔均表現(xiàn)為主塔縱橋向側(cè)彎，尤其在最大懸臂施工階段時，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)為5.1，相比其他工況為最小，所以該種橋型Y型主塔在構(gòu)造設(shè)計時應(yīng)予以重視，結(jié)構(gòu)第一類穩(wěn)定性為荷載對結(jié)構(gòu)剛度影響的問題，必要時可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的彈性剛度，即加大主塔的縱橋向構(gòu)造尺寸，使結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)增大。

4.5 主橋塔梁結(jié)合部計算

主橋塔梁結(jié)合部構(gòu)造及受力復(fù)雜，此處桿系結(jié)構(gòu)分析已失真，所以必須對塔梁結(jié)合部進(jìn)行三維實體分析，以便掌握結(jié)構(gòu)此處的真實應(yīng)力狀況。通過塔梁結(jié)合部實體模型計算，結(jié)構(gòu)各項應(yīng)力指標(biāo)滿足規(guī)范要求。在塔梁結(jié)合部構(gòu)造設(shè)計中，主塔下橫梁設(shè)置成弧形，不僅使結(jié)構(gòu)受力更加合理，可以降低上橫梁跨中截面的拉應(yīng)力，且使主塔美觀效果得以提升。

5 結(jié)語

浮山縣丞相河特大橋作為浮山縣丞相河生態(tài)綜合治理工程中的景觀橋梁，Y形主塔是同類PC矮塔斜拉橋中少見的形式，其結(jié)構(gòu)新穎、造型美觀、構(gòu)思巧妙，主塔呈Y字形并向橋面兩側(cè)傾斜，似人雙臂張開呈迎接美好未來之勢，寓意浮山縣人民厚德載物，有容乃大之意。加之斜拉索似彩帶般迎風(fēng)飄揚(yáng)，給人以“靜中有動，動中有靜”的感覺，橋型效果有明顯的標(biāo)識性。斜拉索外傾將主塔向內(nèi)拉起，利用斜拉索索面與主塔塔肢軸線形成的夾角確保了橋塔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。四塔兩兩成對，遙相呼應(yīng)，更顯橋梁的優(yōu)美輕盈。目前該橋正在進(jìn)行主塔樁基施工，該橋建成后將成為浮山縣丞相河上的一座標(biāo)志性建筑，同時該橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計也可供同類型橋梁在方案設(shè)計時參考。