某跨越渠江預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋的設(shè)計(jì)

楊烈軍

(中國華西工程設(shè)計(jì)建設(shè)有限公司高新分公司，四川成都 610000)

1 工程概述

省道406線明月渠江大橋位于廣安/市華鎣市明月鎮(zhèn)，在明月渡口下游250 m處跨越渠江，橋位位于富流灘樞紐庫區(qū)，距離樞紐大壩28.1 km。本項(xiàng)目路線起于渠江左岸明月鎮(zhèn)竹合村順接省道406線，通過新建橋梁跨越渠江，止于省道406線廣安市方坪鄉(xiāng)芙蓉村。本項(xiàng)目的建設(shè)切實(shí)改善渠江兩岸的交通條件，改變交通落后的面貌，提高過境交通能力，完善境內(nèi)路網(wǎng)與國省干道的銜接，促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展。

明月渠江大橋橋跨布置主要受地形、地質(zhì)、通航及行洪條件影響；主橋采用(110+210+110) m預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，引橋采用40 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁。全橋孔跨布置為5×40 m簡支T梁+(110+210+110) m預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋+4×40 m簡支T梁，全橋長799 m、橋?qū)?3 m；主橋立面如圖1所示、橋梁總體效果如圖2所示。

圖1 主橋立面(單位：cm)

圖2 橋梁總體效果

2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

(1)道路等級(jí)：一級(jí)公路。

(2)設(shè)計(jì)速度：60 km/h。

(3)汽車荷載等級(jí)：公路-I級(jí)。

(4)人群荷載：2.5 kN/m2。

(5)橋面寬度：橋梁寬度23 m=2 m人行道及欄桿+0.5 m路緣帶+2×3.5 m行車道+0.5 m路緣帶+3 m中央分隔帶+0.5 m路緣帶+2×3.5 m行車道+0.5 m路緣帶+2 m人行道及欄桿。

(6)設(shè)計(jì)洪水頻率：1/300，最高洪水位237.17 m(黃海高程)。

(7)橋面橫坡：雙向2 %。

(8)通航標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)劃內(nèi)河III-(3)級(jí)航道。最高通航水位:230.06 m(黃海高程)，最低通航水位213.4 m(黃海高程)。凈高(最高設(shè)計(jì)通航水位以上)不小于10 m，凈寬不小于180 m。船舶撞擊力：主墩橫橋向800 kN，主墩順橋向650 kN。

(9)橋梁抗震設(shè)防類別：A類。地震動(dòng)峰值加速度0.05g，基本地震烈度VI度，抗震設(shè)防措施等級(jí)7度。

(10)設(shè)計(jì)基本風(fēng)速：百年一遇10 min平均最大風(fēng)速24.3 m/s。

(11)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)：一級(jí)。

3 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主墩、主梁、主塔采用固結(jié)形式；交界墩除設(shè)置豎向支座外，另設(shè)橫向限位擋塊。

3.1 主梁設(shè)計(jì)

主橋箱梁為三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)。

主梁為C60全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用變高度單箱三室截面，斜腹板。頂板寬23.0 m，頂板懸臂長度4.00 m，跨中梁高3.20 m，主墩頂梁高7.50 m，梁底曲線按二次拋物線形變化，中跨直線跨長18.00 m，邊跨直線長13.80 m。頂板板厚30 cm，底板板厚由跨中28 cm變厚至支點(diǎn)處70 cm，邊腹板厚為60 cm，中腹板板厚為45 cm。懸臂板端部厚20 cm，中部板厚37.5 cm，根部板厚75 cm。在支點(diǎn)和斜拉索錨固處設(shè)置橫隔板，橫隔板上設(shè)有人孔，中室和邊室橫隔板厚度分別為50 cm和30 cm。端橫梁的厚度為180 cm。

橫坡設(shè)置：底板水平，頂板設(shè)橫坡2 %，通過中腹板與邊腹板不等高來處理。

主梁零號(hào)塊長度為12 m，懸臂施工標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長度分為4×3.50 m和21×4.00 m兩種，全橋共設(shè)3個(gè)合龍段，其長度均為2.00 m，懸臂施工的節(jié)段最大重量為3 201 kN。邊跨現(xiàn)澆段長度3.80 m。

3.2 預(yù)應(yīng)力鋼束

主橋箱梁為三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)。

3.2.1 縱向預(yù)應(yīng)力束

箱梁縱向預(yù)應(yīng)力鋼束均采用高強(qiáng)低松弛鋼絞線，頂板束采用15φS15.2、19φS15.2，腹板束采用15φS15.2，中跨底板束采用20φS15.2、22φS15.2，邊跨底板束采用10φS15.2，中跨合龍段頂板束采用12φS15.2，邊跨合龍段頂板束采用17φS15.2。

3.2.2 豎向、橫向預(yù)應(yīng)力束

豎向預(yù)應(yīng)力束采用3φS15.2高強(qiáng)低松弛鋼絞線、低回縮錨具體系，在箱梁有腹板束的腹板內(nèi)沿縱向每隔50 cm左右交錯(cuò)布置一束豎向預(yù)應(yīng)力束，其余位置沿腹板中心線縱向每隔50 cm左右布置。箱梁頂板內(nèi)沿縱向每隔100 cm左右設(shè)一道橫向預(yù)應(yīng)力束，采用5φS15.2高強(qiáng)低松弛鋼絞線。為避免與斜拉索導(dǎo)管產(chǎn)生干擾，在斜拉索導(dǎo)管處水平彎曲。

箱梁0#段和梁端橫梁內(nèi)均設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力束，采用10φS15.2高強(qiáng)低松弛鋼絞線。

3.3 主塔

主塔布置在中央分隔帶上，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，截面采用矩形。橫橋向?yàn)?.5 m，縱橋向由有索區(qū)段4.5 m漸變?yōu)樗椎?.0 m，塔高32.05 m。斜拉索在塔頂?shù)腻^固采用分絲管索鞍結(jié)構(gòu)。主塔采用C50混凝土。

3.4 拉索、索鞍

斜拉索為單索面雙排索，布置在中央分隔帶上，全橋共56對(duì)索。塔根附近主梁無索區(qū)長度為36.00 m，梁上索距4.00 m，塔上索距0.85 m。

斜拉索采用高強(qiáng)度環(huán)氧樹脂噴涂鋼絞線索，規(guī)格為37-φS15.2和 43-φS15.2。其標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1860MPa，設(shè)計(jì)強(qiáng)度取為0.55fpk=1023MPa。

斜拉索的防腐措施：首先采用環(huán)氧噴涂鋼絞線(中心絲與邊絲各鋼絲外表均單獨(dú)形成環(huán)氧樹脂涂膜)，然后在單股鋼絞線外熱擠PE防護(hù)，成索后再在外層設(shè)PE防護(hù)套，其表面采用彩色的PE，顏色由建設(shè)單位自行確定。

索鞍采用分絲管結(jié)構(gòu)，拉索中每一根鋼絞線穿過對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向鋼管內(nèi)，形成分離布置，互不干涉。索塔上鞍座兩端設(shè)置抗滑錨筒，然后灌注特殊配方的高強(qiáng)環(huán)氧砂漿(以滿足拉索錨固和抗疲勞的要求)，以實(shí)現(xiàn)抵抗索塔鞍座兩側(cè)不平衡索力。

3.5 主墩及交界墩

主墩采用單箱雙室鋼筋混凝土空心薄壁墩樁基承臺(tái)結(jié)構(gòu)；主墩橫向14.0 m×縱向7.00 m，標(biāo)準(zhǔn)段外壁厚0.80 m，內(nèi)壁厚1 m，在墩頂及墩底加厚，兩側(cè)為1 m圓端型。承臺(tái)樁基縱向按3排布置、橫向按4排布置，承臺(tái)順橋向長16.0 m，橫橋向?qū)?0.5 m，厚5.5 m，一個(gè)承臺(tái)采用12根直徑φ2.5 m鉆孔灌注樁；基礎(chǔ)均按嵌巖樁設(shè)計(jì)。

交界墩采用矩形空心墩，斷面尺寸為13.0 m×3.5 m，壁厚60 cm，四周設(shè)置半徑5 cm圓角，承臺(tái)厚3.5 m，樁基為6根直徑φ1.8 m鉆孔灌注樁，樁基按嵌巖樁設(shè)計(jì)。

4 主橋結(jié)構(gòu)計(jì)算

主橋箱梁按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)，采用軟件Midas2015計(jì)算，按梁單元進(jìn)行主梁施工及成橋階段的結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算，材料按線彈性計(jì)。永久作用包括：結(jié)構(gòu)重力、預(yù)應(yīng)力、索力、混凝土收縮及徐變作用、基礎(chǔ)變位，可變作用包括：汽車荷載、人群荷載、溫度作用。計(jì)算中考慮了施工階段的施工荷載(掛籃等)及使用階段車道荷載作用下引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、應(yīng)力、位移影響(圖3)。

圖3 主橋計(jì)算模型

4.1 靜力計(jì)算參數(shù)

(1)混凝土、鋼筋和鋼絞線等材料的彈性模量、設(shè)計(jì)抗壓(拉)強(qiáng)度等基本參數(shù)均按規(guī)范取值。

(2)主體結(jié)構(gòu)混凝土容重取26.5 kN/m3，鋪裝取25 kN/m3。

(3)二期恒載包括橋面鋪裝、護(hù)欄等。

(4)不均勻沉降：主墩按2 cm計(jì)算，交界墩按1 cm計(jì)算。

(5)汽車荷載等級(jí)：公路-I級(jí)。

縱向計(jì)算汽車荷載按單向4車道加載，考慮縱向、橫向折減及偏載；汽車荷載的橫向分布系數(shù)為3.484。

(6)汽車制動(dòng)力按JTG D60-2015《公路橋函設(shè)計(jì)通用規(guī)范》采用同向2車道計(jì)算。

(7)設(shè)計(jì)合龍溫度取15～18 ℃，考慮以下溫度影響力：體系升溫25 ℃，體系降溫25 ℃。

(8)溫度梯度按JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》4.3.10條取值，T1取14 ℃，T2取5.5 ℃。

(9)計(jì)算時(shí)掛籃自重按1 600 kN考慮(包括模板)，若掛籃重量有變化，將影響內(nèi)力和標(biāo)高，應(yīng)重新根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算其內(nèi)力及標(biāo)高。

4.2 靜力計(jì)算結(jié)果

4.2.1 主橋110 m+210 m+110 m矮塔斜拉

根據(jù)計(jì)算，施工階段主梁上緣最大壓應(yīng)力為17.6 MPa、最大拉應(yīng)力為-0.3 MPa，主梁下緣最大壓應(yīng)力為20.9 MPa、最大拉應(yīng)力為-0.5 MPa；主梁正常使用極限狀態(tài)抗裂驗(yàn)算，頻遇組合作用下主梁上緣最小壓應(yīng)力為1.1 MPa、下緣最小壓應(yīng)力為3.5 MPa、最大主拉應(yīng)力為1.02 MPa；主梁正常使用極限狀態(tài)應(yīng)力驗(yàn)算，標(biāo)準(zhǔn)組合主梁上緣最大壓應(yīng)力為18.4 MPa、下緣最大壓應(yīng)力為17.4 MPa、最大主壓應(yīng)力為18.4 MPa；主梁正截面抗彎、斜截面抗剪承載能力均滿足要求(圖4、圖5)。

圖4 抗彎承載能力包絡(luò)圖

圖5 最大最小剪力包絡(luò)圖

斜拉索索力驗(yàn)算：在最不利組合工況下，斜拉索的最大應(yīng)力為983.4 MPa，小于0.55倍標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 023 MPa，滿足要求，最小安全系數(shù)為1.89；各斜拉索應(yīng)力值如表1所示。

表1 斜拉索應(yīng)力 MPa

4.2.2 主墩計(jì)算結(jié)果

主墩計(jì)算考慮船舶撞擊力，其撞擊力施加在模型中，程序自動(dòng)組合計(jì)算。6號(hào)主墩承載能力滿足規(guī)范要求，安全系數(shù)最小為2.19，發(fā)生在主墩墩底截面。7號(hào)主墩承載能力滿足規(guī)范要求，安全系數(shù)最小為2.25，發(fā)生在主墩墩底截面。

4.3 穩(wěn)定分析

考慮施工期和運(yùn)營期風(fēng)荷載等的影響，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 各階段的穩(wěn)定性系數(shù)

彈性特征值穩(wěn)定計(jì)算表明：主墩施工階段穩(wěn)定最小安全系數(shù)為32.8，成橋階段穩(wěn)定最小安全系數(shù)為36.9，均大于4，滿足規(guī)范要求。

4.4 抗震計(jì)算

針對(duì)明月大橋進(jìn)行抗震分析，研究方法首先建立主橋的全橋空間有限元模型，然后進(jìn)行地震作用下的內(nèi)力和變形計(jì)算，結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，評(píng)價(jià)該橋的地震計(jì)算結(jié)果及抗震性能。具體分析時(shí)，根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)資料合理確定地震動(dòng)輸入，采用時(shí)程分析進(jìn)行不同水平地震動(dòng)作用下的效應(yīng)計(jì)算(圖6)。

在E1和E2兩種地震作用下，對(duì)明月渠江大橋進(jìn)行了抗震性能分析并在E1和E2地震下進(jìn)行了控制截面抗彎承載能力與抗剪承載能力驗(yàn)算。本報(bào)告按照J(rèn)TG/TB 02-01-2008《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》規(guī)范進(jìn)行計(jì)算。

(1)該橋的主墩、承臺(tái)、樁基礎(chǔ)等構(gòu)件抗彎能力、抗剪能力、位移能力驗(yàn)算均滿足JTG/TB 02-01-2008《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》的相關(guān)要求。

(2)地震荷載作用下，主墩墩柱的結(jié)構(gòu)構(gòu)造及配筋情況滿足規(guī)范要求，達(dá)到設(shè)防目標(biāo)：E1地震作用驗(yàn)算滿足規(guī)范要求，全橋各部位處于彈性階段，一般不受損壞或不需修復(fù)可繼續(xù)使用，E2地震作用驗(yàn)算也滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)束語

矮塔斜拉橋受力以梁為主、索為輔，主梁高度是連續(xù)梁的1/2左右；塔高比斜拉橋降低一半以下、結(jié)構(gòu)輕盈、造型獨(dú)特，斜索長度短，索的垂度小，振動(dòng)等引起次應(yīng)力變動(dòng)?。唤Y(jié)構(gòu)上對(duì)斜索的依賴程度較少，斜拉索拉力變動(dòng)對(duì)梁的影響較小，不必進(jìn)行斜拉索二次索力調(diào)整。