非對稱變截面斜塔斜拉橋主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工

饒宗潤，李 明

（南華大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001）

1 工程概況

本項(xiàng)目香溪河大橋?yàn)楠?dú)臂斜塔中央單面斜拉索斜拉橋，跨徑為（90+238）m+（2×15）m、塔身高度 126m、塔身為傾角10°的獨(dú)斜塔。該橋地處昭君故鄉(xiāng)湖北興山縣，根據(jù)當(dāng)?shù)匚幕魉捎谩芭谩毙酮?dú)斜塔，橫橋向由橢圓、圓曲線、直線段相互銜接過渡，順、橫橋向各部尺寸均不相同，塔內(nèi)箱室尺寸相異，整個塔身造型美觀、結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變。主梁邊跨90m，主跨238m，跨徑懸殊大，結(jié)構(gòu)平衡難度較大，同時該橋地處三峽溝谷地帶，受峽谷風(fēng)影響較大。施工期間，主梁和主塔產(chǎn)生風(fēng)動顫振不平衡，與塔身結(jié)構(gòu)自身傾斜產(chǎn)生的不平衡疊加，施工難度較大。香溪河大橋橋型布置如圖1 所示。

圖1 峽口香溪河大橋橋型布置

2 主要設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

（1）道路等級：雙向四車道一級公路。（2）計(jì)算行車速度：60km/h。（3）荷載等級：汽車活載等級為公路I 級，人群為3.5kN/m2。（4）最大縱坡：主線0.949%。（5）洪水頻率：1/300。（6）通航標(biāo)準(zhǔn)：內(nèi)河1（3）級航道，通航凈高不小于18m（兼顧24m 高三峽庫區(qū)客輪）。（7）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為 100年。（8）設(shè)計(jì)水位：最高通航水位 173.31m，1/300 水位為173.31m。（9）設(shè)計(jì)基本風(fēng)速：24.1m/s。

3 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 上部結(jié)構(gòu)

橋面縱坡為1.0%單向下坡。混凝土主梁及主跨鋼箱梁均為帶懸臂翼緣的箱型斷面，中跨越過橋塔11.05m 處為鋼混結(jié)合面。

橋面全寬 25.5m：1.5m 人行道+0.5m 護(hù)欄+0.75m 硬路肩+（3.75+3.5）m 行車+0.75m 硬路肩+0.5m 護(hù)欄+3.0m 中央布索區(qū)+0.5m 護(hù)欄+0.75m 硬路肩+（3.5+3.75）m 行車+0.75m硬路肩+0.5m 護(hù)欄+1.5m 人行道。

3.2 主橋支承體系

結(jié)構(gòu)總體為塔、墩、梁固結(jié)體系。索塔位置橋塔中塔柱、主塔墩、混凝土主梁三者固結(jié)于一體；0 號橋臺、主跨過渡墩墩頂設(shè)置豎向支座（縱向活動）及橫向抗震擋塊。

全橋約束體系匯總見表1。

3.3 主橋下構(gòu)及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

3.3.1 主塔基礎(chǔ)

表1 結(jié)構(gòu)體系約束系統(tǒng)匯總

主塔基礎(chǔ)為整體式承臺基礎(chǔ)，承臺尺寸17×26×7.5m，配15 根直徑為2.2m 的鉆孔灌注樁。樁基為嵌巖樁。樁基外層設(shè)置直徑2.5m、壁厚16mm 的永久鋼護(hù)筒，鋼護(hù)筒長度設(shè)置為15m。

3.3.2 過渡墩

采用橫向雙肢實(shí)體板式墩，墩身尺寸為2×3m（順×橫）；蓋梁截面尺寸為2.8×2.6m（寬×高），實(shí)心截面；承臺平面尺寸3.6×8.0m（順×橫），厚2.5m，承臺系梁截面尺寸為2.0×2.0m（寬×高）；每個承臺下配置4 根直徑2.2m 樁基，按照嵌巖樁設(shè)計(jì)。

3.4 主塔設(shè)計(jì)

該橋地處昭君故鄉(xiāng)湖北興山縣，根據(jù)當(dāng)?shù)匚幕?，索塔采用“琵琶”型?dú)斜塔，主塔塔身由上塔柱、下塔柱、橫梁等組成。塔身向岸側(cè)順橋向傾斜10°。主塔總高度（塔座頂至塔頂）豎向?yàn)?26m，塔身采用箱形截面，從上至下分為2 段（上、下塔柱）。

圖2 峽口香溪河大橋主塔剖立面圖（單位：cm）

上塔柱豎向高度為53m，為單箱單室截面。順橋向?qū)挾扔伤?m 漸變到上塔柱底7.524m，橫向?qū)挾扔伤?.0m漸變到上塔柱底13.407m，順橋向塔壁厚為1.0m，橫橋向塔壁厚為0.8m。上塔柱斜拉索錨固區(qū)錨固段局部采用齒板式并采用厚1cm 鋼板包裹。

下塔柱高為73m，采用單箱單室截面。順橋向?qū)挾扔?.524m 漸變到8.2m，橫向?qū)挾惹€變寬，最小寬度4.5m，順橋向塔壁厚為0.8m，橫橋向厚為0.8m。主塔在橋面以下及承臺頂以上，采用塔梁固結(jié)，根據(jù)計(jì)算配置預(yù)應(yīng)力鋼束，采用金屬波紋管，輔助壓漿法進(jìn)行施工。在靠向岸側(cè)設(shè)置三道寬1.0m 的實(shí)心楔形豎向支撐。主塔柱設(shè)有勁性骨架，以便于施工定位。為滿足施工和檢修的需要，在塔柱內(nèi)設(shè)置檢修樓梯。

3.5 主梁設(shè)計(jì)

斜拉橋主梁采用帶懸臂的大傾角的斜腹板箱型斷面，箱梁頂板橫向?qū)?5.5m，底板寬13.7m，翼緣懸臂長3.5m。

3.5.1 混凝土主梁

為平衡主跨重量，邊跨采用整體斷面式混凝土箱梁，并適當(dāng)增加了截面面積。頂板設(shè)2%雙向橫坡，底板水平；道路中心線處梁高2.98m，箱梁一般斷面處頂板厚35cm、底板厚50cm；為簡化混凝土梁范圍的斜拉索錨固構(gòu)造，并增加主梁自重，箱梁中央設(shè)置了厚3.2m 的縱腹板，整個箱梁為單箱雙室斷面，其中邊腹板厚50cm。

圖3 混凝土主梁標(biāo)準(zhǔn)梁段斷面圖（單位：cm）

混凝土箱梁在布索區(qū)每隔4m 設(shè)一道橫隔板，在無索區(qū)每隔4.3m 左右設(shè)一道橫隔板，橫隔板共分5 類：第Ⅰ類為普通中橫隔板，厚50cm；第Ⅱ類為梁端端橫隔，厚300cm；第Ⅲ類為塔、墩、梁固結(jié)處橫隔板，厚100cm；第IV類為鋼混結(jié)合段處橫隔板，厚150cm；第Ⅴ類為邊跨最靠近主塔處中橫隔板，厚40cm。

主橋混凝土箱梁采用兩向預(yù)應(yīng)力體系，縱橋向采用每股直徑15.2mm 鋼束按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)；橫橋向采用每股直徑15.2mm 鋼束按部分預(yù)應(yīng)力A 類構(gòu)件設(shè)計(jì)。

3.5.2 鋼箱主梁

鋼箱梁為整體斷面形式，鋼箱梁的中心處高度為3.0m，節(jié)段標(biāo)準(zhǔn)長度設(shè)置為12.8m，其頂板厚16mm，斜腹板和底板厚14mm；鋼箱梁頂板、斜腹板、底板主要采用U 肋閉合加勁，頂板U 肋厚度8mm、斜腹板、底板U 肋厚度6mm。中縱腹板采用實(shí)腹式，板厚24mm，設(shè)5 道14×160mm 雙面加勁。

圖4 鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)梁段斷面圖（單位：mm）

鋼箱梁橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距3.20m，均為實(shí)體式隔板，對應(yīng)斜拉索錨固處橫隔板厚14mm，無斜拉索錨固處橫隔板厚12mm，過渡墩支座處橫隔板加厚至20mm。

3.5.3 鋼混結(jié)合段

鋼混結(jié)合段長7.85m，采用部分連接填充混凝土方式，其中鋼格室為箱形結(jié)構(gòu)，長度為2.0m，高0.8m，標(biāo)準(zhǔn)寬1.2m、0.8m；鋼格室腹板及抗剪鋼板上開有φ60mm 圓孔，并穿過φ20mm 鋼筋與進(jìn)入該圓孔的混凝土包裹在一起形成鋼筋混凝土剪力鍵（PBL 鍵）。鋼格室通過鋼箱梁加強(qiáng)段與鋼箱梁連接，其內(nèi)填充混凝土；鋼箱梁加強(qiáng)段采用在U 肋中間加設(shè)T 形加勁的方式，長3.25m。為保證鋼箱梁與混凝土箱梁緊密結(jié)合，在結(jié)合段還設(shè)置有預(yù)應(yīng)力鋼束；為保證混凝土澆注時在鋼格室內(nèi)能夠自由流動，在鋼格室頂板上開設(shè)澆注孔，腹板上設(shè)置連通孔。

3.6 斜拉索設(shè)計(jì)

采用fpk=1770MPa 平行鋼絲斜拉索，全橋共2×17×2=68根斜拉索，最大規(guī)格為PES7-211。根據(jù)索力的不同，共設(shè)置PES7-55、PES7-85、PES7-91、PES7-109、PES7-127、PES7-163、PES7-211 七種規(guī)格。

3.7 主橋施工

3.7.1 基礎(chǔ)施工

三峽庫區(qū)的蓄水位根據(jù)水庫調(diào)度與防汛的需要，每年均按照一定的規(guī)律變動?？紤]到開工日期的不確定性，為避免等待低水位期而延誤工期，本主墩樁基施工按水中基礎(chǔ)施工考慮，即采用鋼護(hù)筒輔助施工，其施工流程為：插打樁基鋼護(hù)筒；依附鋼護(hù)筒搭設(shè)樁基施工平臺；機(jī)械鉆孔施工；吊放鋼筋籠；灌注樁基水下混凝土。

為避免采用圍堰法施工承臺，將主墩承臺底面標(biāo)高設(shè)置于三峽庫區(qū)最高蓄水位以上，若承臺施工時處于高水位狀態(tài)，依托樁基及鋼護(hù)筒搭設(shè)承臺施工底模；若承臺施工時處于低水位期，用圬工混凝土筑島填平承臺區(qū)域。然后按照干處施工方式進(jìn)行承臺的施工。

3.7.2 主塔施工

主塔采用液壓爬模系統(tǒng)逐段現(xiàn)澆施工，根據(jù)需要在塔平面內(nèi)設(shè)豎向、橫向支撐。由于橋塔順橋向傾角為10°，計(jì)算表明塔身傾斜產(chǎn)生的自重彎矩將導(dǎo)致橋塔出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，所以中塔柱施工時設(shè)置必要的順橋向的臨時落地支撐。索塔中塔柱在橫橋向面內(nèi)有較大的傾斜角度，將產(chǎn)生較大的橫橋向彎矩，故施工過程中需設(shè)置橫橋向兩肢塔柱間的臨時支撐桿，并施加必要的頂推（或?qū)┝φ{(diào)節(jié)塔柱橫橋向彎矩。索塔上塔柱的施工，將導(dǎo)致索塔中塔柱順橋向的彎矩進(jìn)一步增加，為避免出現(xiàn)過大的裂縫，上塔柱施工建議采用塔、梁、索同步的方式。

中上塔柱過渡段施工完成之后，為調(diào)節(jié)中塔柱橫向彎矩，施加永久的對拉拉桿力。分批施加拉桿力的過程中可同步拆除橫橋向的臨時撐桿。上塔柱錨固區(qū)采用預(yù)應(yīng)力環(huán)向鋼束索塔錨固方案，其施工順序?yàn)椋核鶆判怨羌馨惭b、鋼筋綁扎、斜拉索索導(dǎo)管及錨墊板安裝、環(huán)向預(yù)應(yīng)力管道及錨具安裝、定位鋼筋及防崩鋼筋安裝、安裝模板、澆筑塔柱混凝土、張拉環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束并壓漿、封錨。

3.7.3 邊跨混凝土箱梁及鋼混結(jié)合段施工

邊跨混凝土箱梁采用多點(diǎn)支撐落地支架現(xiàn)澆施工，由橋塔向岸側(cè)分兩段進(jìn)行施工，其中塔梁交界段與鋼混結(jié)合段同步施工。待橋塔塔柱施工超過下橫梁后，搭設(shè)塔梁交界段混凝土主梁現(xiàn)澆支架及鋼混結(jié)合段托架，安裝混凝土主梁模板、綁扎鋼筋，吊裝鋼混結(jié)合段鋼箱梁并滑移就位，澆筑主梁混凝土并養(yǎng)生，張拉塔梁交界段混凝土主梁縱、橫向預(yù)應(yīng)力鋼束。

3.7.4 鋼箱梁施工

主梁及拉索施工鋼箱梁在工廠加工制造，鋼混結(jié)合段及索塔施工完成后，在邊跨混凝土梁段及鋼混結(jié)合段上拼裝橋面吊機(jī)，待橋面吊機(jī)就位后，吊裝1 號節(jié)段鋼箱梁，調(diào)整標(biāo)高，施加主梁節(jié)段間的連接，安裝該梁段斜拉索并進(jìn)行第一次張拉，前移橋面吊機(jī)，第二次張拉該斜拉索，吊裝下一個梁段。重復(fù)上述施工步驟進(jìn)行鋼箱梁和斜拉索的架設(shè)。

鋼箱梁過渡墩頂附近19 號梁段為邊跨合龍段，邊跨合龍段需要在主跨鋼梁懸臂吊裝期間，提前利用浮吊吊裝至輔助墩頂。邊跨合龍前精確測量全橋梁長，確定合龍段配切長度，現(xiàn)場配切后頂推合龍段至合龍對接口。通過配重或索力調(diào)整等措施，微調(diào)對接環(huán)縫的高度誤差，滿足對接精度要求后施加臨時連接固定，隨后實(shí)施對接環(huán)縫的焊接。

3.7.5 引橋施工

本項(xiàng)目引橋規(guī)模較小，為兩孔15m 連續(xù)普通鋼筋混凝土箱梁，采用滿堂支架法現(xiàn)澆施工。為消除支架的非彈性變形，設(shè)置不小于主梁自重120%的重量進(jìn)行壓重。

4 結(jié)束語

峽口香溪河大橋?yàn)楠?dú)塔、斜塔中央索面混合梁斜拉橋，其“琵琶”形主塔向岸傾斜10°?？缃粋?cè)的主跨為鋼箱梁，自重較輕，靠岸的邊跨則為混凝土現(xiàn)澆箱梁，自重和剛度較大，但起到了良好的錨固和壓重作用。通過這種合理設(shè)計(jì)，能夠減小邊跨上浮，抵消邊跨支點(diǎn)負(fù)反力，還能減小主跨下?lián)?，提高了斜拉橋的跨越能力，在中、西部山區(qū)及跨河道路橋梁建設(shè)中采用較多，故本斜拉橋的設(shè)計(jì)和施工可為類似工程提供參考。