分析預(yù)應(yīng)力混凝土無(wú)背索斜拉橋設(shè)計(jì)

王麗娟

(山東中咨公路咨詢?cè)O(shè)計(jì)有限公司，山東 東營(yíng) 257091)

對(duì)于無(wú)背索斜拉橋，它是對(duì)普通斜拉橋在造型上的突破，整體橋型有強(qiáng)大支撐力，能給人以十分深刻的印象。對(duì)于普通斜拉橋，會(huì)在橋塔的兩側(cè)設(shè)置斜拉索，在恒載作用下，兩側(cè)斜拉索實(shí)際水平力可以保持平衡，而主塔則在活載情況下承受水平方向的作用力與彎矩。

1 工程概況

某高科技園區(qū)是直接面向于新世紀(jì)的以高科技產(chǎn)業(yè)為核心的園區(qū)基地，是國(guó)家級(jí)的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)基地，將科技、教育、生產(chǎn)和培訓(xùn)等集為一體。根據(jù)城市發(fā)展總體戰(zhàn)略，該科技園區(qū)是今后很長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展重點(diǎn)，南北和東西方向的長(zhǎng)度分別為6 km左右和1 km左右。在該地區(qū)中的開發(fā)地塊內(nèi)，有一座橋梁從河道上直接跨越，是進(jìn)入到這一開發(fā)區(qū)中的大門之一。按照開發(fā)區(qū)整體布局，這一橋梁是開發(fā)區(qū)中的主要景觀，其外觀必須具備一定標(biāo)志性，充分體現(xiàn)出和現(xiàn)代化工業(yè)園區(qū)良好協(xié)調(diào)適應(yīng)的風(fēng)格?；诖耍捎矛F(xiàn)階段在我國(guó)還很少使用的無(wú)背索斜拉結(jié)構(gòu)，使其外觀如同一艘帆船，以此表現(xiàn)出未來蓬勃發(fā)展和一帆風(fēng)順的含蘊(yùn)。該橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)荷載為城-B，同時(shí)按照汽車-20級(jí)和掛車-100級(jí)進(jìn)行驗(yàn)算，人群荷載為4.0 KN/m2，橋面布置結(jié)構(gòu)：寬度為0.25 m的欄桿+寬度為3 m的人行道+寬度為8 m的車行道+寬度為2 m的中央分隔帶+寬度為8 m的車行道+寬度為3 m的人行道+寬度為0.25 m的欄桿，全寬為24.5 m，橋面設(shè)置2%的橫坡，梁底標(biāo)高不小于5 m，地震烈度取6度，橋梁設(shè)計(jì)中提高一個(gè)等級(jí)，并進(jìn)行加強(qiáng)抗震設(shè)計(jì)，提高墩柱結(jié)構(gòu)延性，并在樁的頂部設(shè)置箍筋予以加強(qiáng)?，F(xiàn)圍繞該橋梁實(shí)際情況，對(duì)其設(shè)計(jì)做如下分析研究。

2 設(shè)計(jì)構(gòu)思

因開發(fā)區(qū)中沒有跨度相對(duì)較大的河道，對(duì)于小跨徑梁橋，只有橋欄桿可以適當(dāng)裝飾，總體形象很難形成景觀。基于此，只能進(jìn)行人工造景，將橋梁的結(jié)構(gòu)確定為無(wú)背索斜拉式，利用橋梁塔身創(chuàng)造制高點(diǎn)，以此充分體現(xiàn)橋梁工程的氣勢(shì)與力度。總體上，該結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，塔身向岸邊的方向后傾，能獲得新穎且良好的穩(wěn)定感，將拉索僅配置于跨河其中一側(cè)，通過鋼索使橋面被提起，以此能增添驚險(xiǎn)刺激之感，形成壯闊畫面。縱立面整體造型和船只類似，能表現(xiàn)出良好的寓意。

無(wú)背索斜拉橋?qū)儆谔厥庑问降男崩瓨?，然而也和斜拉橋相同，因索力處于梁體之外能增加一定力臂，多條索形成的索力能形成一個(gè)彈性支承，使梁內(nèi)彎矩變小，提高梁體跨越能力，并能減小主梁的高度。這樣的設(shè)計(jì)是為了保證景觀，所以所選的跨徑及結(jié)構(gòu)形式不是最經(jīng)濟(jì)的組合。

因該橋所在位置和河道的規(guī)劃藍(lán)線發(fā)生了移位，在施工過程中還沒有開河，所以可在岸上進(jìn)行支架的搭設(shè)來完成澆筑，不需要進(jìn)行懸臂澆筑或采用預(yù)制拼裝的方法。

拉索的初始拉力需要嚴(yán)格按照塔身下端截面實(shí)際彎矩等于零來控制，為了方便實(shí)際的設(shè)計(jì)與施工，應(yīng)使用四根保持平行位置關(guān)系的拉索，每一條拉索的初始應(yīng)力都要按照完全下相等來考慮。

對(duì)于外部結(jié)構(gòu)受力，其中一端采用塔身和主梁與橋臺(tái)固結(jié)，而另外一端采用超靜定體系。對(duì)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)受力，主梁在拉索部位按照彈性支撐形式的連續(xù)梁來充分考慮。

3 總體設(shè)計(jì)

3.1 橋型布置

橋孔采用單孔跨徑為48 m的獨(dú)塔形式，無(wú)背索。在橋上設(shè)置一個(gè)凸起的豎曲線，曲線的半徑為4 000 m。在橋面上設(shè)置2%的橫坡，總寬度為24.5 m。在獨(dú)塔以下，1#橋臺(tái)采用單箱四室截面，而另外一側(cè)的0#臺(tái)為鋼混實(shí)體，以上均為方柱基礎(chǔ)。

3.2 上部結(jié)構(gòu)

主梁采用單箱雙室結(jié)構(gòu)，采用強(qiáng)度等級(jí)為C50的混凝土，高度和寬度分別為1.6 m、16 m，邊腹板的厚度為40 cm，中腹板的厚度為60 cm，頂板的厚度為22 cm，并設(shè)置2%的橫坡，底板的厚度為20 cm。同時(shí)，采用雙向預(yù)應(yīng)力技術(shù)，按照10 m的間隔距離設(shè)置橫梁，其寬度為50 cm。在箱梁的頂板進(jìn)行橫向力筋的設(shè)置，其設(shè)置間距為50 cm。整橋共采用80根力筋，在每個(gè)邊腹板中都布置12根力筋，在中腹板中布設(shè)56根力筋。所用力筋的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa，在張拉過程中按照1 395 MPa的應(yīng)力進(jìn)行控制。在混凝土的實(shí)際強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，方可開始張拉。

斜塔結(jié)構(gòu)截面為矩形，采用鋼混結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的高度為35.4 m，和橋面之間的夾角為60°，主要布置在中央分隔帶，整橋僅設(shè)置一個(gè)斜塔。主要采用為強(qiáng)度等級(jí)為C50的混凝土，在塔中縱向布設(shè)力筋，在兩端同時(shí)進(jìn)行張拉。同時(shí)，在周圍配置44根力筋。

塔和橋面的縱梁之間設(shè)置四根拉索，在水平方向的間隔距離按10 m控制，將橫梁的位置作為張拉位置，斜拉索和梁之間的夾角按30°控制。斜拉索為高強(qiáng)鍍鋅鋼絲，其外包一層聚乙烯，為拉索提供有效保護(hù)，每根拉索采用85根鋼絲。

橋面結(jié)構(gòu)共分為兩層，分別為鋼筋混凝土和瀝青混凝土，其中，鋼筋混凝土層的厚度為8 cm，強(qiáng)度等級(jí)為C30，瀝青混凝土的厚度為20 cm。在橋面上設(shè)置2%的橫坡，以利于橋面的排水。橋面上的人行道必須比橋面略高20 cm，并設(shè)置和橋面相反的橫坡，坡度按1%控制。

3.3 下部結(jié)構(gòu)

(1)1#橋臺(tái)采用單箱四室截面，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C50，臺(tái)高4 m。橋臺(tái)和箱梁之間采用剛性連接，通過整體澆筑而成，無(wú)需設(shè)置支座，其下方均采用方形樁。

(2)0#臺(tái)為實(shí)體臺(tái)，采用強(qiáng)度等級(jí)為C30的混凝土澆筑而成，每一片腹板都設(shè)置支座。另外，在橋臺(tái)和箱梁之間布置伸縮縫裝置，其下方均采用方形樁。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算與施工順序

無(wú)背索斜拉橋主要通過塔身向后傾適當(dāng)角度來產(chǎn)生足夠彎矩，使主橋的荷載彎矩達(dá)到平衡。斜拉索的索力可以通過兩者的平衡進(jìn)行計(jì)算。通過計(jì)算可知，斜拉索的索力為150t左右。

在本次設(shè)計(jì)過程中，主要采用由同濟(jì)大學(xué)提出的系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為24個(gè)，單元的個(gè)數(shù)為25個(gè)，1#～8#單元是箱梁，9#～11#單元是橋臺(tái)，12#～21#單元是斜塔，22#～25#單元是斜拉索。

施工過程中的荷載包括：結(jié)構(gòu)自身重量、二期恒載、預(yù)應(yīng)力、各個(gè)齡期混凝土發(fā)生的收縮與徐變；在運(yùn)營(yíng)過程中的荷載包括：汽車、掛車與人群荷載。

施工過程中的計(jì)算結(jié)果為：(1)箱梁：上緣正應(yīng)力為8.12 MPa，應(yīng)力的最大值為17.5 MPa，下緣正應(yīng)力為7.99 MPa，應(yīng)力的最大值為17.5 MPa；(2)橋臺(tái)：上緣正應(yīng)力為4.42 MPa，應(yīng)力的最大值為17.5 MPa，下緣正應(yīng)力為2.68 MPa，應(yīng)力的最大值為17.5 MPa；(3)斜塔：上緣正應(yīng)力為2.72 MPa，應(yīng)力的最大值為17.5 MPa，下緣正應(yīng)力為2.09 MPa，應(yīng)力的最大值為17.5 MPa。橋梁所用斜拉索的拉應(yīng)力為60.9 MPa<62.79 MPa。使用過程中的計(jì)算結(jié)果為：(1)箱梁：上緣正應(yīng)力為9.79 MPa，應(yīng)力的最大值為17.5 MPa，下緣正應(yīng)力為9.66 MPa，應(yīng)力的最大值為17.5 MPa；(2)橋臺(tái)：上緣正應(yīng)力為4.06 MPa，應(yīng)力的最大值為17.5 MPa，下緣正應(yīng)力為2.61 MPa，應(yīng)力的最大值為17.5 MPa；(3)斜塔：上緣正應(yīng)力為2.26 MPa，應(yīng)力的最大值為17.5 MPa，下緣正應(yīng)力為2.74 MPa，應(yīng)力的最大值為17.5 MPa。橋梁所用斜拉索的拉應(yīng)力為61.01 MPa<62.79 MPa。

施工順序?yàn)椋簶痘┕ぁЪ艽钤O(shè)、鋼筋綁扎、模板支設(shè)、橋臺(tái)澆筑→箱梁鋼筋綁扎、模板支設(shè)、橋臺(tái)與箱梁澆筑→支設(shè)塔身支架、鋼筋綁扎、分段澆筑→張拉梁內(nèi)橫向筋→張拉梁內(nèi)縱向筋→張拉塔下斜拉索→張拉斜塔中力筋→張拉剩下的斜拉索→拆模與支架拆除。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，無(wú)背索斜拉橋是一種比較新穎和特殊的斜拉橋結(jié)構(gòu)型式，目前該工程的無(wú)背索斜拉橋設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，且通過了專家的論證，認(rèn)為橋梁設(shè)計(jì)合理可行，可以為施工提供可靠參考依據(jù)，設(shè)計(jì)中所用的方法也可為其它類似工程提供參考借鑒。