戒指造型多塔部分斜拉橋技術(shù)研究

華 波 張忠良

(中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司 武漢 430056)

九江市八里湖大橋位于八里湖新區(qū)，是城市向西的門戶橋梁，也是九江市主干道——長虹西大道上橫跨八里湖的1座特大型城市橋梁。

橋位處湖面寬約1 300 m，橋面距離湖面高度12 m。從橋梁景觀效果考慮，主橋長度確定為430 m，橋型方案采用三塔(戒指形塔)部分斜拉橋。

橋梁全長1 620.9 m，孔跨布置為15×32.7 m(東岸引橋)+(80.55 m+2×132 m+80.55 m)(主橋)+19×32.7 m+3×28 m(西岸引橋)。主橋橋面總寬35.6 m，雙向6車道。主橋橋型布置見圖1。

圖1 主橋橋型布置圖(單位：m)

本橋橋型為三塔部分斜拉橋，橋面以上塔高26 m，橋面以下塔高13.9 m，斜拉索豎向傾角17.10°～29.80°。部分斜拉橋也稱矮塔斜拉橋，其受力特點(diǎn)介于常規(guī)斜拉橋和連續(xù)梁橋之間，由于主塔較矮，斜拉索較短，方便施工，在100～300 m跨徑范圍內(nèi)具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。為盡可能提高斜拉索的傾角，發(fā)揮拉索效率，通常采用塔內(nèi)設(shè)置整體式集中索鞍，將索塔視為斜拉索的轉(zhuǎn)向點(diǎn)。多塔斜拉橋的受力特點(diǎn)較常規(guī)斜拉橋復(fù)雜，和常規(guī)斜拉橋相比,多塔斜拉橋具有塔多聯(lián)長的布置形式, 其主要構(gòu)件索、塔、梁受活載效應(yīng)和溫度效應(yīng)的影響均會有所增大，如何采用經(jīng)濟(jì)的加勁方式提高結(jié)構(gòu)剛度并以合理的構(gòu)造措施規(guī)避溫度效應(yīng)成為多塔斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[1-2]。

本橋兼具多塔斜拉橋和部分斜拉橋的特點(diǎn)于一體，設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于選擇合理的支撐體系滿足結(jié)構(gòu)剛度、降低溫度效應(yīng)和活載效應(yīng)的需要，同時(shí)因主塔造型奇特，需仔細(xì)研究主塔的受力情況，確保工程安全。

1 主橋結(jié)構(gòu)體系

從支承體系上看，常規(guī)斜拉橋常用的結(jié)構(gòu)體系為漂浮體系、支承體系、塔梁固結(jié)體系和剛構(gòu)體系，而本橋介于常規(guī)的斜拉橋與梁式橋之間，是斜拉橋和梁式橋的組合結(jié)構(gòu)體系，一般多采用剛構(gòu)體系和塔梁固結(jié)、塔墩分離體系[3]，見圖2。

圖2 常用支撐體系

本橋采用三塔結(jié)構(gòu)形式，溫度跨徑較長(邊塔處溫度跨徑為264 m)，且橋面以下塔墩較矮，僅約14 m。經(jīng)計(jì)算分析，在溫度和混凝土收縮徐變作用下，如果采用剛構(gòu)體系，則邊塔塔柱受力極大，難以滿足設(shè)計(jì)要求；如果采用塔梁固結(jié)、塔墩分離體系，由于橋面較寬，豎向荷載較大，可達(dá)1.2×106kN，現(xiàn)行的支座產(chǎn)品難以滿足塔墩處的承重要求。通過對本橋結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行計(jì)算、分析比較后，選用了常規(guī)斜拉橋中經(jīng)常采用的剛構(gòu)-支承體系，見圖3。

圖3 剛構(gòu)-支承體系示意圖

剛構(gòu)-支承體系中塔處塔梁墩固結(jié)，以增加結(jié)構(gòu)體系的縱向剛度、減少結(jié)構(gòu)位移，邊塔處墩梁之間設(shè)支座連接，以減少邊塔的溫度、收縮內(nèi)力，同時(shí)邊塔的支座承重大幅度降低，僅需要豎向承載力2.25×106kN的普通支座即可滿足使用要求。

2 戒指型主塔

主橋因景觀需要采用與常規(guī)斜拉橋主塔外形不同的戒指型主塔空間結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 主塔結(jié)構(gòu)示意圖(單位：cm)

空間結(jié)構(gòu)對設(shè)計(jì)和施工均提出了較高要求。采用空間造型的塔柱，每個截面的尺寸和空間位置均不相同，增加了結(jié)構(gòu)外形控制和塔頂斜拉索定位的難度，設(shè)計(jì)中比較了混凝土和鋼2種主塔材料，考慮到本橋索塔造型復(fù)雜，鋼結(jié)構(gòu)加工、拼裝將十分繁瑣，且鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)連接處的構(gòu)造和受力也較復(fù)雜，后期維修費(fèi)用較高，最終選用混凝土主塔材料形式。

主塔外形呈“戒指”造型，橋面以上塔高26 m，采用長軸25 m、短軸18.2 m的半橢圓曲線；橋面以下高度13.9 m，采用半徑37.13 m圓曲形。塔柱順橋向獨(dú)立布置2片，在塔頂、索區(qū)、支座處連接成整體。塔柱順橋向凈距塔底為1.0 m，塔頂為1.4 m。塔柱截面尺寸塔頂為2.0×1.4 m，塔底為5.5×1.8 m。單個主塔布設(shè)12根直徑2.2 m鉆孔灌注樁。

由于上塔柱的橢圓造型，橋面處塔的橫向達(dá)到最寬，該處與塔底橫向彎矩均較大，中塔因塔梁固結(jié)，通過上下塔柱相交處設(shè)置的預(yù)應(yīng)力混凝土中橫梁可抵消大部分彎矩；而邊塔由于僅設(shè)豎向支座，未設(shè)中橫梁，經(jīng)有限元結(jié)構(gòu)分析，邊塔下塔柱受力非常大，最大軸力Nd=101 175 kN，對應(yīng)彎矩Md=248 408 kN·m。

塔柱有限元模型及計(jì)算內(nèi)力見圖5。

圖5 邊塔彎矩分布圖(單位：kN·m)

下塔柱巨大的橫向彎矩皆因?yàn)榱思骖櫂蛄赫w景觀而未設(shè)置橫向系梁導(dǎo)致，設(shè)計(jì)時(shí)曾考慮采用體外拉桿，但因運(yùn)營后的養(yǎng)護(hù)維修和更換較困難而放棄。為了抵抗巨大的塔柱橫向彎矩，采用在下塔柱布置豎向體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束方案。經(jīng)計(jì)算，下塔柱單側(cè)體內(nèi)需布置5束15-Φs15.2鋼絞線，具體構(gòu)造措施見圖6。

圖6 下塔柱預(yù)應(yīng)力構(gòu)造(單位：cm)

3 主梁

根據(jù)部分斜拉橋的受力特點(diǎn)，由于主塔較矮，斜拉索傾角小，通過斜拉索張力能為主梁提供強(qiáng)大的軸向壓力和一定的豎向彈性支撐，因而可以有限地降低主梁高度。上部結(jié)構(gòu)的恒、活載主要通過主梁的豎向抗彎剛度承擔(dān)，斜拉索僅起輔助作用，結(jié)構(gòu)的整體受力性能更接近于梁式橋[4-5]，因此，目前國內(nèi)外的混凝土矮塔斜拉橋均采用變高度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，且選擇箱室布置在中央的整箱截面，以增加主梁的豎向抗彎剛度。如：漳州戰(zhàn)備橋、蘭州小西湖橋、江珠高速荷麻溪大橋、日本木曾川橋等。

本橋由于橋面距離水面高度較低，即使采用變高度主梁，視覺仍然會對整體景觀造成壓迫感。為滿足景觀效果要求，經(jīng)過與變高度混凝土主梁的綜合比較，選用等高度混凝土主梁；另外，因橋面較寬，結(jié)合主塔造型，斜拉索布置在橋梁兩側(cè)，主梁采用邊箱截面形式，見圖7。

圖7 主梁斷面圖(單位：cm)

邊箱式主梁梁高2.7 m，橫隔梁間距4.5 m，橋面板厚28 cm。主塔根部無索區(qū)長18.75 m，邊跨無索區(qū)長21.2 m，中跨無索區(qū)長13.5 m。

邊箱式主梁能夠提供足夠的豎向剛度，同時(shí)能夠有效地減輕結(jié)構(gòu)自重，但相對于普通整體式箱形主梁，由于邊箱梁強(qiáng)大的抗扭轉(zhuǎn)能力使得結(jié)構(gòu)橫向受力更為復(fù)雜。為研究主梁的橫向受力，取5個橫隔梁間距梁段為分析對象，采用空間有限元程序midas Civil，建立空間實(shí)體有限元模型，計(jì)算模型見圖8。

圖8 主梁有限元模型

通過對橋面最不利活載布置工況的模擬加載，箱梁橫向受力分析結(jié)果見圖9。

圖9 主梁橫向應(yīng)力分布

由計(jì)算結(jié)果可知，主梁在張拉完橫向預(yù)應(yīng)力后，邊箱左右側(cè)頂板橫橋向出現(xiàn)0.4 MPa的正截面拉應(yīng)力，跨中頂板均為壓應(yīng)力；橫隔板邊箱附近橋面板最大主拉應(yīng)力為0.2 MPa，邊箱抗扭承載能力滿足要求。

4 結(jié)論

1) 對多塔部分斜拉橋橋型，選擇合理的支撐體系，能夠充分發(fā)揮主梁的豎向抗彎能力、減小縱向溫度效應(yīng)，有效降低主梁高度，兼顧了技術(shù)經(jīng)濟(jì)和橋型美觀要求。

2) 通過對戒指造型主塔的結(jié)構(gòu)受力分析發(fā)現(xiàn)，塔柱在橋面弧線曲率變化處和下塔根部受力復(fù)雜，可通過采用工程措施(如增設(shè)中橫梁或施加預(yù)應(yīng)力等)使結(jié)構(gòu)受力滿足需要，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行精細(xì)化的空間實(shí)體分析，同時(shí)給施工帶來了一定的難度。

3) 加勁主梁在滿足結(jié)構(gòu)豎向承載的情況下可選擇等截面箱梁，能夠減輕結(jié)構(gòu)重量。