佛山市南莊大橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與靜力分析

郭濟(jì)

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

1 概 況

近30年來(lái)，隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)建設(shè)投資力度不斷加大，我國(guó)大型橋梁的修建規(guī)模呈快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。斜拉橋以其跨越能力強(qiáng)、造型優(yōu)美而備受人們的青睞，其中獨(dú)塔斜拉橋在100~300m跨徑范圍內(nèi)具備競(jìng)爭(zhēng)力[1-2]。

本文介紹的佛山市南莊大橋?yàn)橹骺?68m的獨(dú)塔雙索面斜拉橋（見(jiàn)圖1）。設(shè)計(jì)中，為滿足水利部門(mén)對(duì)大堤保護(hù)的要求，斜拉橋主塔設(shè)置于佛山市東平水道西側(cè)，主跨1跨跨越大堤，邊墩設(shè)置于水道東側(cè)大堤外。斜拉橋跨徑布置為65m+75m+268m，主梁為混合式箱形梁，其中主跨采用全鋼梁，邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，主塔造型為寶瓶形，下部采用大直徑鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

圖1 南莊大橋總體布置（單位：m）

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級(jí)：I級(jí)公路，兼顧城市道路功能。

（2）主線設(shè)計(jì)速度：60km/h。

（3）橋梁設(shè)計(jì)荷載：汽車(chē)荷載為公路-I級(jí)并按城-A級(jí)驗(yàn)算，人群荷載3.5kN/m2。

（4）抗震設(shè)防類(lèi)別為A類(lèi)，抗震設(shè)防烈度為7度，抗震設(shè)防措施等級(jí)為8度，抗震重要性系數(shù)E1地震作用下為1.0、E2地震作用下為1.7。

（5）設(shè)計(jì)風(fēng)速：設(shè)計(jì)基本風(fēng)速V10=31.3m/s（重現(xiàn)期為100a）。

（6）耐久性設(shè)計(jì)環(huán)境類(lèi)別：Ⅰ類(lèi)。

2.2 設(shè)計(jì)方案

2.2.1 結(jié)構(gòu)體系

斜拉橋跨徑布置為65m+75m+268m，獨(dú)塔雙索面結(jié)構(gòu)、塔梁墩固結(jié)體系，主跨采用全鋼梁、邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，邊墩設(shè)減隔震支座和橫向限位裝置，輔助墩設(shè)球型鋼支座，邊墩、輔助墩墩頂設(shè)混凝土壓重。

2.2.2 主梁設(shè)計(jì)

主跨鋼箱梁（見(jiàn)圖2）采用整箱正交異性板扁平鋼箱梁，全寬36.5m（不含風(fēng)嘴），道路中心線處梁高3.3m，頂板設(shè)2%橫坡，底板水平。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)度取12m，梁上索距取12m。節(jié)段吊裝施工及支架拼裝最大節(jié)段質(zhì)量約370t（該節(jié)段采用橫向分段，吊裝質(zhì)量控制在300t以內(nèi)）。主梁鋼材均采用Q345qC橋梁用結(jié)構(gòu)鋼。

圖2 主跨鋼箱梁橫斷面（單位：mm）

邊跨混凝土箱梁（見(jiàn)圖3）采用預(yù)應(yīng)力混凝土單箱3室斷面，全寬36.5m（不含風(fēng)嘴），中心線高度3.205m，頂板設(shè)雙向2%橫坡，底板水平，采用支架分段現(xiàn)澆施工。主梁采用C55混凝土，其中，為了防止收縮開(kāi)裂，后澆段采用C55鋼纖維混凝土。

圖3 邊跨混凝土箱梁橫斷面（單位：mm）

鋼混結(jié)合段設(shè)在主跨距離主塔15m處，鋼混結(jié)合段長(zhǎng)5m，采用有格室的后承壓板連接方式。其中，鋼箱梁加強(qiáng)段長(zhǎng)3m，采用帶T型加勁的U肋；鋼格室長(zhǎng)2m，高800mm，在格室內(nèi)填充混凝土，并通過(guò)PBL剪力鍵及焊釘共同傳遞軸力、剪力和彎矩。為了使鋼箱梁與混凝土箱梁緊密結(jié)合，采用了預(yù)應(yīng)力鋼束進(jìn)行連接。

2.2.3 主塔設(shè)計(jì)

主塔采用寶瓶型橋塔，總高151m，橋面以上約133.5m。上塔柱采用單室箱形斷面，并設(shè)置2道上橫梁。上塔柱為標(biāo)準(zhǔn)單室箱形截面，斷面尺寸為4.5m×7.0m，下塔柱采用變截面單室箱形截面，截面尺寸從4.5m×7.0m變化至8.0m×9.0m。為保證塔底反力能夠均勻傳遞到主塔承臺(tái)上，在塔底設(shè)置2m實(shí)心段。

主塔上塔柱內(nèi)設(shè)置鋼錨箱，塔內(nèi)設(shè)置爬梯。主塔在下橫梁處與主梁固結(jié)，下橫梁采用箱形混凝土截面。橫梁頂、板內(nèi)共配置44根φs15.2-19的鋼束，腹板內(nèi)共配置20根φs15.2-19鋼束。

主塔基礎(chǔ)位于東平水道西側(cè)岸上，采用18根φ3.0m鉆孔灌注樁。樁基持力層為微風(fēng)化砂巖或微風(fēng)化砂質(zhì)泥巖。

2.2.4 橋墩基礎(chǔ)

邊墩、輔助墩結(jié)構(gòu)均采用矩形截面橋墩，邊墩立柱間用蓋梁連接，蓋梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土A類(lèi)結(jié)構(gòu)。每個(gè)立柱下布置直徑2.0m的鉆孔樁4根。

2.2.5 拉索設(shè)計(jì)

拉索采用空間雙索面布置。塔上索距2.4～3.2m，梁上標(biāo)準(zhǔn)段索距中跨12.0m、邊跨6.0m。全橋共40對(duì)、80根斜拉索，拉索水平傾角27°～76°，最長(zhǎng)索長(zhǎng)278m。最大單根拉索噸位約650t，安全系數(shù)不小于2.5。

拉索為高強(qiáng)鍍鋅鋼絲，強(qiáng)度為1670MPa，鋼絲束外設(shè)雙層PE護(hù)套。錨具采用冷鑄錨。另外在斜拉索兩端安裝內(nèi)置式阻尼器，在索導(dǎo)管出口與拉索結(jié)合處加裝新型拉索密封系統(tǒng)，該系統(tǒng)由高強(qiáng)度鋁合金氣囊等構(gòu)件組成?？紤]雨顫影響，PE護(hù)套外表面設(shè)螺紋或凹槽。

綜合考慮本橋斜拉索在塔上張拉、索力大小、橋塔造型和尺寸等各方面因素，采用鋼錨箱的塔上錨固形式。鋼錨箱采用焊接，節(jié)段之間采用高強(qiáng)螺栓連接，鋼錨箱順橋向與塔壁之間焊釘連接。

鋼主梁錨固采用懸臂式鋼錨箱，全焊接的連接方式?；炷亮哄^固在箱梁外腹板底面，設(shè)置外凸式錨塊，拉索穿過(guò)鋼導(dǎo)管錨于梁底。

2.3 施工方案

主要施工工藝為主塔爬模施工，主梁懸臂拼裝施工。具體步驟如下：

（1）施工鉆孔灌注樁及承臺(tái)基礎(chǔ)。

（2）主塔下塔柱施工；塔梁固結(jié)處D2梁段分段澆筑，張拉塔橫梁第1批橫向預(yù)應(yīng)力；斜拉橋邊墩、輔助墩施工。

（3）主塔上塔柱施工；主塔鋼錨箱安裝；張拉塔內(nèi)鋼錨箱內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束；混凝土主梁支架搭設(shè)、預(yù)壓。

（4）主塔封頂；安裝鋼混結(jié)合段的鋼箱梁M1；支架上現(xiàn)澆D1、D3梁段及鋼混凝土結(jié)合段；張拉D1、D3梁段內(nèi)各橫梁的第1批橫向預(yù)應(yīng)力鋼束；張拉D梁段的第D-1批縱向預(yù)應(yīng)力鋼束。

（5）支架上澆筑A、B、C梁段；張拉A、B、C梁段內(nèi)各橫梁的第1批橫向預(yù)應(yīng)力鋼束；張拉相應(yīng)梁段的第A-1、B-1批縱向預(yù)應(yīng)力鋼束。

（6）支架上澆筑混凝土主梁合龍段；張拉第2批縱向預(yù)應(yīng)力鋼束；施工南莊岸鋼箱梁支架平臺(tái)。

（7）陸上段鋼主梁M2船運(yùn)到位，通過(guò)浮吊吊裝滑移到支架平臺(tái)上；張拉混凝土主梁的HL0和HL0'橫梁的第2批預(yù)應(yīng)力鋼束；張拉第1對(duì)斜拉索相應(yīng)混凝土主梁橫梁的第2批預(yù)應(yīng)力鋼束；張拉第1對(duì)斜拉索；張拉相應(yīng)混凝土主梁橫梁的第3批預(yù)應(yīng)力鋼束。

（8）循環(huán)步驟(7)施工，安裝其余陸上段鋼箱梁；張拉相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力鋼束和斜拉索。

（9）河中段鋼箱梁船運(yùn)到位，橋面吊機(jī)吊裝就位；張拉相應(yīng)混凝土主梁橫梁的第2批預(yù)應(yīng)力鋼束；張拉第n對(duì)斜拉索；張拉相應(yīng)混凝土主梁橫梁的第3批預(yù)應(yīng)力鋼束。

（10）循環(huán)懸臂施工架設(shè)河中段鋼箱梁；每拼裝1段鋼箱梁，張拉相應(yīng)混凝土主梁橫梁的第2批預(yù)應(yīng)力鋼束；成對(duì)張拉相應(yīng)的斜拉索；張拉相應(yīng)混凝土主梁橫梁的第3批預(yù)應(yīng)力鋼束。

（11）拼裝最后一段鋼箱梁；陸上段采用軌道滑移，支架上提升就位鋼箱梁；張拉相應(yīng)混凝土主梁橫梁的第2批預(yù)應(yīng)力鋼束；成對(duì)張拉相應(yīng)的斜拉索；張拉相應(yīng)混凝土主梁橫梁的第3批預(yù)應(yīng)力鋼束；主跨合龍。

（12）拆除支架；橋面系及附屬工程施工；斜拉索索力調(diào)整；成橋運(yùn)營(yíng)。

3 靜力分析

3.1 分析模型

采用大型有限元分析軟件Midas/Civil對(duì)全橋進(jìn)行分析。在實(shí)際建模分析過(guò)程中，對(duì)于主梁、橋墩、橋塔采用三維梁?jiǎn)卧M，斜拉索采用只拉桁架單元模擬，各個(gè)構(gòu)件截面特性按照結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸進(jìn)行取值。整個(gè)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型共有839個(gè)節(jié)點(diǎn)，740個(gè)單元。

結(jié)構(gòu)邊界條件根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際情況分別進(jìn)行模擬（見(jiàn)圖4），其中：

（1）斜拉索錨點(diǎn)與梁、塔間采用主從連接。

（2）鋼梁、混凝土梁間采用剛臂連接。

（3）塔梁固結(jié)。

（4）承臺(tái)底固結(jié)。

圖4 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

3.2 合理成橋狀態(tài)

斜拉橋?qū)俑叽纬o定結(jié)構(gòu)，成橋階段的內(nèi)力和線形較大程度上取決于斜拉索的索力[3]。因此，為使斜拉橋在成橋階段能處于一個(gè)相對(duì)合理的成橋狀態(tài)，有必要對(duì)其成橋索力做一定的優(yōu)化。與常規(guī)對(duì)稱(chēng)布置的獨(dú)塔斜拉橋相比，本橋在靜力優(yōu)化過(guò)程中尚需特別考慮橋跨布置的不對(duì)稱(chēng)特性。目前，常用的斜拉橋索力優(yōu)化方法大致可以分為以下4類(lèi)：指定狀態(tài)法、無(wú)約束優(yōu)化法、有約束優(yōu)化法以及影響矩陣法[4]。

本橋求解過(guò)程中，在確定斜拉橋結(jié)構(gòu)布置、壓重等基本信息后，施加結(jié)構(gòu)自重和壓重等外荷載并作一次落架線性計(jì)算。過(guò)程中通過(guò)改變構(gòu)件的剛度來(lái)改變相應(yīng)內(nèi)力的分配，并調(diào)整壓重等參數(shù)直至結(jié)構(gòu)整體受力良好。此時(shí)所得內(nèi)力就是彎曲能量最小時(shí)的成橋內(nèi)力，可將其作為斜拉橋成橋合理狀態(tài)，該過(guò)程實(shí)際上是索力優(yōu)化影響矩陣法的簡(jiǎn)化方法。

3.3 施工階段靜力分析

經(jīng)分析，各施工階段的結(jié)構(gòu)應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。其中：

（1）混凝土塔、梁正應(yīng)力值均滿足《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD62—2004）第7.2.8條規(guī)定。

（2）鋼梁應(yīng)力值均滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD64—2015）第3.2.1條的規(guī)定，小于270MPa的鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

部分施工階段的靜力分析結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 主跨合攏階段混凝土塔、梁正應(yīng)力（單位：MPa）

圖6 成橋狀態(tài)鋼梁正應(yīng)力（單位：MPa）

3.4 成橋階段靜力分析

經(jīng)分析，成橋階段的結(jié)構(gòu)應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。其中：

（1）成橋階段混凝土塔、梁根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD62—2004）第6.3.1條規(guī)定，按照A類(lèi)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)主梁進(jìn)行驗(yàn)算。在頻域效應(yīng)組合下，截面上下緣均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，截面最小壓應(yīng)力約0.1MPa；準(zhǔn)永久效應(yīng)組合下，截面上下緣均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，截面最小壓應(yīng)力約0.9MPa，均滿足上述規(guī)范要求。

（2）成橋階段鋼梁根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD64—2015）第3.2.1條的規(guī)定，主梁最大拉應(yīng)力117MPa、最大壓應(yīng)力73MPa，均小于270MPa的鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，滿足上述規(guī)范要求。

部分成橋階段的靜力分析結(jié)果見(jiàn)圖7、圖8。斜拉索方面，根據(jù)《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/TD65-01—2007）第3.4.1條，運(yùn)營(yíng)階段斜拉索的安全系數(shù)不應(yīng)小于2.5。由分析結(jié)果可知，本橋拉索最大應(yīng)力能滿足要求。拉索最大應(yīng)力幅為137MPa，小于本橋拉索應(yīng)力幅允許值200MPa，滿足要求。

圖7 成橋階段混凝土塔、梁頻遇組合應(yīng)力（單位：MPa）

圖8 成橋階段鋼梁基本組合應(yīng)力（單位：MPa）

位移方面，汽車(chē)荷載作用下主梁最大豎向位移為338mm（見(jiàn)圖9），小于主梁跨徑的1/500。主塔最大水平位移為105mm，約為塔高度的1/1457。

此外，通過(guò)合理調(diào)整索力和適當(dāng)壓重，標(biāo)準(zhǔn)組合下支座均保有一定壓力儲(chǔ)備，其中主跨邊墩162t，邊跨過(guò)渡墩180t，邊跨邊墩277t。

3.5 靜力穩(wěn)定性分析

圖9 活載作用主梁最大豎向位移（單位：mm）

分析了成橋狀態(tài)下全橋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)1階失穩(wěn)模態(tài)為主塔橫橋向側(cè)彎，1階彈性穩(wěn)定系數(shù)為22，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了佛山市南莊大橋的結(jié)構(gòu)體系和施工方案，研究得到該橋合理的成橋狀態(tài)，并在此基礎(chǔ)上給出施工狀態(tài)和成橋狀態(tài)下的靜力分析結(jié)果，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定安全性進(jìn)行評(píng)估。