強(qiáng)震區(qū)高墩多塔部分斜拉橋結(jié)構(gòu)體系研究

羅亞林，張忠良，朱朝陽

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

1 工程概況

多塔斜拉橋是在常規(guī)斜拉橋的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新橋型，在跨越寬度較大的江河、峽谷時(shí)，多塔斜拉橋是一種可行的技術(shù)方案[1]。

斗中路高架快速干道南起高新區(qū)，向北與蟠龍新區(qū)連接，全長約7.3 km。其中上蟠龍塬段采用雙索面十塔斜拉橋，為本工程的控制性節(jié)點(diǎn)及重要的景觀工程。斗中路高架快速干道工程采用雙層橋方案上蟠龍塬，其中上層橋?yàn)椴糠中崩瓨?，下層橋?yàn)檫B續(xù)梁橋，橋梁位于曲線上。上層橋最高橋墩高140 m，最矮橋墩高103.8 m，橋梁共11跨，全長1 222 m，由于橋梁高度高，總長長，主塔多，地震烈度高，在地震作用下主梁梁端位移和主塔塔底內(nèi)力較大，需對其結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行比選以確定合理的結(jié)構(gòu)體系。

斗中路橋?yàn)槎嗨A(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，采用塔梁墩固結(jié)體系，主梁整幅布置，采用變高度預(yù)應(yīng)力混凝土雙邊箱截面。標(biāo)準(zhǔn)截面梁頂寬度26.5 m，主塔支點(diǎn)處梁高5.0 m，跨中和邊支點(diǎn)位置梁高2.8 m，梁底曲線按1.8次拋物線變化。橋塔為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用左右分離式塔柱，左右塔柱對稱布置，塔柱之間采用橫梁連接，上塔柱塔高21 m，橫橋向向外傾角度為10°，下塔柱為雙柱式直立塔柱，采用等截面矩形空心截面，截面尺寸為7.0 m(縱橋向)×4.5 m(橫橋向)，壁厚0.9 m。下層橋支墩采用分離式矩形實(shí)心墩，支撐于承臺上。主塔承臺尺寸為38.2 m(長)×18.2 m(寬)×5.0 m(高)，下設(shè)32根直徑2.0 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，按摩擦樁設(shè)計(jì)。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)道路等級：城市快速路；(2)汽車荷載等級：城-A級；(3)抗震設(shè)防烈度：8度；地震動(dòng)峰值加速度：0.2 g；(4)橋梁設(shè)計(jì)安全等級：一級；(5)設(shè)計(jì)使用年限：100年。

3 橋址處建設(shè)條件

擬建場地位于寶雞市金臺區(qū)，場地范圍內(nèi)地貌由北往南依次為渭河河漫灘、一級階地、三級階地、五級階地。擬建場地地勢變化較大，地形總體趨勢是北高南低，向渭河微傾，高程為769.00～583.00 m，最大高差約186 m。

根據(jù)鉆孔和探井揭露結(jié)果，擬建工程場地在勘探深度范圍內(nèi)的地層巖性主要為第四系松散堆積物，晚更新統(tǒng)風(fēng)積黃土、殘積古土壤和中更統(tǒng)統(tǒng)風(fēng)積黃土、殘積古土壤、卵石、新近系礫砂等組成。

依據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)[2]，場地抗震設(shè)防烈度為8°，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20 g，設(shè)計(jì)特征周期為0.40 s。

4 結(jié)構(gòu)體系研究

斗中路橋場地抗震設(shè)防烈度為8°，地震烈度高，墩高較高，聯(lián)長全長1 222 m，在地震作用下主梁梁端位移大，墩底內(nèi)力大，考慮以上原因，為解決梁端位移及主塔內(nèi)力較大的問題提出以下四種解決方案：

方案一：分兩聯(lián)，兩聯(lián)之間設(shè)鋼掛梁方案，解決整聯(lián)內(nèi)力較大問題；

方案二：分兩聯(lián)，兩聯(lián)之間設(shè)剛性鉸方案，解決整聯(lián)內(nèi)力較大及兩聯(lián)之間位移較大問題；

方案三：主橋整聯(lián)設(shè)計(jì)，解決兩聯(lián)之間跨中下?lián)霞拔灰戚^大問題，可通過在邊主跨合攏前施加對頂力等措施改善邊塔受力；

方案四：分兩聯(lián)，兩聯(lián)之間設(shè)過渡墩方案，可解決跨中下?lián)蠁栴}及整聯(lián)內(nèi)力較大問題。

4.1 方案一：兩聯(lián)之間設(shè)鋼掛梁

通過midas Civil軟件建立有限元分析模型，結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果如下。

主梁在靜力作用下，標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)截面上緣最小壓應(yīng)力1.1 MPa，最大壓應(yīng)力15.2 MPa；截面下緣最小壓應(yīng)力0.5 MPa，最大壓應(yīng)力15.1 MPa，截面強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

主塔計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 方案一 主塔內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

經(jīng)驗(yàn)算，主塔靜力及E1地震作用下強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，其安全系數(shù)在1.5以上，E2地震作用進(jìn)行延性設(shè)計(jì)，其位移和抗剪承載力滿足規(guī)范要求。

經(jīng)計(jì)算，活載作用下掛梁側(cè)懸臂端部最大向下豎向位移為85.7 mm，最大向上豎向位移為34.9 mm，換算縱坡為0.0087 3 rad。橋面附加縱坡增加0.8%，造成行車不適。

掛梁處主梁懸臂端各荷載工況下縱向位移計(jì)算如表2所示。

表2 方案一 掛梁處主梁懸臂端 各荷載工況下縱向位移

從表2可知地震工況作用掛梁的位移很大，掛孔兩側(cè)主橋梁端E1作用下最大相對位移為665.4 mm，E2作用下最大相對位移為3 216.7 mm，在地震作用下兩側(cè)主梁相對位移較大，普通支座行程難以滿足位移要求，且掛梁極易發(fā)生落梁風(fēng)險(xiǎn)，為限制其縱向位移，掛孔與主梁間需設(shè)置限位措施。

目前應(yīng)用較廣泛的限位措施主要有以下三種：(1)設(shè)置阻尼器；(2)在懸臂梁端設(shè)置拉索錨固在對面主塔；(3)設(shè)置拉桿。

經(jīng)計(jì)算，以上三種限位措施優(yōu)缺點(diǎn)比較如表3所示。

表3 方案一 掛梁與主梁不同限位措施比較表

從表3可知以上三種限位措施均有其局限性，都不能很好的適用于斗中路橋縱向限位。故斗中路橋采用掛孔時(shí)其縱向限位存在較大問題。

4.2 方案二：兩聯(lián)之間設(shè)剛性鉸

為解決掛梁體系行車舒適性及地震作用下主梁的落梁風(fēng)險(xiǎn)，考慮在主跨跨中處設(shè)置剛性鉸，其基本構(gòu)造是在一側(cè)主梁內(nèi)部放置小箱梁，小箱梁固定在一側(cè)主梁上，另一端自由，可以釋放兩側(cè)主梁縱向相對線位移，但約束兩側(cè)主梁的相對轉(zhuǎn)角和豎向與橫向平動(dòng)，使結(jié)構(gòu)受力得到改善，同時(shí)又能滿足行車舒適性要求。國內(nèi)運(yùn)用剛性鉸的工程實(shí)例相對較少，可查詢的工程實(shí)例有湖北鄖陽漢江大橋[3]和浙江嘉紹大橋主航道橋[4]，均為斜拉橋，國外的應(yīng)用工程有美國奧克蘭海灣大橋引橋和新貝尼西亞馬丁內(nèi)茲大橋。

斗中路橋主梁為混凝土雙邊箱結(jié)構(gòu)，考慮在每個(gè)箱室內(nèi)設(shè)置一道伸縮鋼縱梁，鋼縱梁一端錨固于一側(cè)主梁上，另一端活動(dòng)，該端主梁通過在兩道橫隔板上設(shè)置帶球鉸的聚四氟乙烯滑板支座為活動(dòng)端的鋼縱梁提供支點(diǎn)，通過這些支點(diǎn)約束跨中主梁的豎向位移和剪切、側(cè)向彎矩和剪切及扭轉(zhuǎn)變形，將主梁的彎矩、剪力和扭轉(zhuǎn)受力轉(zhuǎn)換為鉸支座的支反力。

剛性鉸方案可以有效解決跨中位置行車舒適性問題，同時(shí)也消除了地震作用下產(chǎn)生較大的相對縱向位移導(dǎo)致掛孔落梁的風(fēng)險(xiǎn)。但剛性鉸體系存在較多的技術(shù)問題：

(1)剛性鉸技術(shù)要求較高，構(gòu)造較為復(fù)雜，支座的可調(diào)節(jié)性、耐磨性及安裝精度要求高，支座及剛性鉸的后期養(yǎng)護(hù)、更換較為困難，需進(jìn)行大量的科研試驗(yàn)驗(yàn)證鉸結(jié)構(gòu)的可靠性及耐久性。

(2)鄖陽漢江大橋聯(lián)長較短，嘉紹大橋主梁為鋼箱梁，兩座橋的跨中伸縮量相對較小，斗中路高架主橋后期收縮徐變作用下，主梁縱向相對位移已達(dá)到217 mm，運(yùn)營階段及地震荷載作用鋼縱梁的伸縮行程較大，且兩側(cè)主梁后期不均勻豎向位移差導(dǎo)致支座長期受壓，剛縱梁豎向累積，導(dǎo)致支座摩擦力增加，鋼縱梁滑動(dòng)受阻，支座及縱梁容易發(fā)生破壞。

4.3 方案三：主橋整聯(lián)設(shè)計(jì)

斗中路橋聯(lián)長較長，若采用整聯(lián)設(shè)計(jì)，混凝土收縮徐變作用及溫度力作用下主塔內(nèi)力較大，邊塔控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但整聯(lián)橋結(jié)構(gòu)整體性較好，行車舒適，有條件采取有效的防落梁措施。國內(nèi)也有許多已建或在建大跨長聯(lián)高墩結(jié)構(gòu)的工程實(shí)例。如正在建設(shè)中的丹錫高速西拉沐倫河大橋[5]，采用主跨240 m的6塔矮塔部分斜拉橋，孔跨布置為128+5×240+128=1 456 m；咸旬高速公路三水河特大橋[6],采用主跨185 m的7跨連續(xù)剛構(gòu)橋，孔跨布置為98+5×185+98=1 121 m；滬蓉西高速公路馬水河特大橋,采用主跨200 m的5跨連續(xù)剛構(gòu)橋，孔跨布置為110+3×200+110=820 m。

由于斗中路橋橋墩較高，能顯著降低溫度和收縮徐變對其影響，但由于聯(lián)長較長，邊墩受力仍較大，故需通過合理的施工順序和主跨合攏時(shí)施加對頂力等施工措施改善邊塔受力。

考慮合理的施工順序和主跨合攏時(shí)施加對頂力建立主橋模型，結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果如下：

主梁在靜力作用下，標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)截面上緣最小壓應(yīng)力0.8 MPa，最大壓應(yīng)力15.5 MPa；截面下緣最小壓應(yīng)力0.6 MPa，最大壓應(yīng)力15.2 MPa，截面強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

主塔由邊塔控制設(shè)計(jì)，邊塔計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 方案三 邊塔內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

經(jīng)驗(yàn)算，主塔靜力及E1地震作用下強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，其安全系數(shù)在1.5以上，E2地震作用進(jìn)行延性設(shè)計(jì)，其位移和抗剪承載力滿足規(guī)范要求。

主梁梁端處各荷載工況下縱向位移計(jì)算如表5所示。

從表5可知地震工況作用梁端的位移較大，但過渡墩縱向?qū)挾容^寬，可避免發(fā)生落梁危險(xiǎn)。

表5 方案三 梁端位移計(jì)算結(jié)果

斗中路橋設(shè)計(jì)為多跨長聯(lián)結(jié)構(gòu)時(shí)主要存在以下問題：

(1)收縮徐變、整體升降溫度及地震作用下主梁和橋墩的受力會(huì)變大，邊墩控制設(shè)計(jì)?？赏ㄟ^合理的施工順序和主跨合攏時(shí)施加對頂力等施工措施改善邊塔受力。

(2)收縮徐變、整體升降溫度及地震作用下梁端的位移較大，但過渡墩縱向?qū)挾容^寬，可避免發(fā)生落梁危險(xiǎn)。

4.4 方案四：兩聯(lián)之間設(shè)過渡墩

兩聯(lián)主橋之間設(shè)過渡墩橋墩的受力和縱向位移與設(shè)掛孔的方案類似，但其行車舒適性好，過渡墩有足夠的縱向尺寸避免落梁風(fēng)險(xiǎn)，邊塔受力相對較小，施工工序簡單。

4.5 方案比選及建議

根據(jù)以上研究可知，跨中設(shè)掛梁體系及跨中設(shè)鉸體系均存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，技術(shù)難度大，國內(nèi)外在建橋梁已很少采用這兩種結(jié)構(gòu)體系，故不推薦這兩種體系。整聯(lián)橋體系主要是溫度及收縮徐變作用下邊塔受力較大，邊塔控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可通過合理的合攏順序和在合攏前施加對頂力等施工措施改善邊塔受力，國內(nèi)近年來已有數(shù)座已建或在建的高墩長聯(lián)橋梁工程實(shí)例，故推薦本體系作為實(shí)施方案?？缰性O(shè)墩體系結(jié)構(gòu)受力最佳，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度和后期風(fēng)險(xiǎn)控制等方面考慮為最優(yōu)方案，但對橋跨的連續(xù)性和景觀效果有一定影響，會(huì)增一定的工程數(shù)量，可作為備選實(shí)施方案。

5 結(jié) 語

(1)兩聯(lián)之間設(shè)鋼掛孔方案可改善邊塔在收縮徐變及溫度力作用下結(jié)構(gòu)受力并減小接引橋側(cè)梁端位移，但運(yùn)營階段掛孔處主梁懸臂端部豎向位移較大，影響行車舒適性，地震作用下主橋間相對位移較大，控制措施效果小，支座和伸縮縫設(shè)計(jì)困難，地震作用下落梁風(fēng)險(xiǎn)大，后期收縮徐變產(chǎn)生的懸臂端主梁下?lián)陷^難控制。

(2)兩聯(lián)之間設(shè)剛性鉸方案可改善跨中位置行車舒適性，解決落梁風(fēng)險(xiǎn)，但剛性鉸技術(shù)要求較高，構(gòu)造較為復(fù)雜，支座及剛性鉸的后期養(yǎng)護(hù)、更換較為困難，同時(shí)支座容易損壞。

(3)整聯(lián)橋設(shè)計(jì)解決分聯(lián)設(shè)計(jì)的后期懸臂端主梁下?lián)峡刂茊栴}，行車舒適，同時(shí)可通過在邊主跨合攏前施加對頂力等措施改善邊塔受力。

(4)兩聯(lián)之間設(shè)過渡墩具有兩聯(lián)之間設(shè)掛孔的所有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可解決其跨中下?lián)蠁栴}，改善行車舒適，但跨中設(shè)墩影響橋跨連續(xù)性和景觀效果，同時(shí)將增加工程造價(jià)。

綜合比選推薦采用整聯(lián)橋方案，該方案受力、景觀效果及經(jīng)濟(jì)性均較好。