大跨度剛構(gòu)部分斜拉橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)分析

管澤翔

摘要 大跨度斜拉橋是現(xiàn)代橋梁工程的重要分支，適于超越寬闊水域或復(fù)雜地形建設(shè)，斜拉索則將橋面懸掛于塔上實(shí)現(xiàn)大跨度設(shè)計(jì)。文章選擇案例分析法，以某綠道建設(shè)工程的斜拉橋施工中主橋和引橋設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，旨在探索大跨度剛構(gòu)部分斜拉橋的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)，提高該類橋梁設(shè)計(jì)效率、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。施工技術(shù)包括動(dòng)力學(xué)特性、風(fēng)振控制、施工技術(shù)及荷載分析，結(jié)果顯示，合理規(guī)劃斜拉橋設(shè)計(jì)技術(shù)可提升橋梁的穩(wěn)定性和耐久性。

關(guān)鍵詞 大跨度；剛度；斜拉橋；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào) U448.27文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）06-0137-03

0 引言

大跨度剛構(gòu)部分斜拉橋結(jié)構(gòu)為剛性構(gòu)件、斜拉索，大跨度剛構(gòu)部分斜拉橋橋梁設(shè)計(jì)中橋面由剛性構(gòu)件支撐，斜拉索則提供額外支持并輔以穩(wěn)定性，因此實(shí)現(xiàn)橋梁跨越距離并保持結(jié)構(gòu)剛性、穩(wěn)定性的目標(biāo)。

1 工程概況

某綠道建設(shè)工程位于中國(guó)云南，該工程包含一條主線和兩條支線，總長(zhǎng)約286 km。主線長(zhǎng)約278 km，起點(diǎn)位于某聯(lián)絡(luò)道起點(diǎn)，終點(diǎn)與國(guó)道相接。該項(xiàng)目中需設(shè)置景觀斜拉橋一座（以下簡(jiǎn)稱“該橋”），中心樁號(hào)為K14+553.3，主結(jié)構(gòu)為一座168 m長(zhǎng)的斜拉橋，一側(cè)岸邊設(shè)有5×8 m的引橋。

2 施工水文地質(zhì)條件分析

該區(qū)域的立體氣候獨(dú)特，該地區(qū)的巖石由上古生界中淺變質(zhì)巖和侵入巖體組成，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、巖漿侵入影響。怒江為主要地表水源，流域面積約1 000 km2，河床狹窄，水流湍急，地下水主要分布于第四系松散層和基巖裂隙中?；鶐r裂隙水主要存在于石炭系玄武巖中，水位受地形控制，地表水和地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有輕微的腐蝕性。

3 大跨度剛構(gòu)部分斜拉橋設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 主橋

該橋主橋長(zhǎng)度達(dá)168 m，整體橋?qū)挒? m，包括兩側(cè)的欄桿和中間3.5 m寬人行道。主梁采用鋼-混凝土混合梁設(shè)計(jì)，如圖1所示?？拷魉榛炷炼沃髁?，與主塔固結(jié)?；炷亮憾闻c鋼梁段之間通過(guò)鋼混結(jié)合段連接，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛度的漸變，保證橋梁的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性。混凝土標(biāo)號(hào)為C50，而鋼梁采用Q345qD高強(qiáng)度鋼材，保證結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固耐用。鋼梁箱形斷面設(shè)計(jì)使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提升，標(biāo)準(zhǔn)梁段長(zhǎng)12 m，提供充足支撐力[1]。橋主塔采用弧形門架塔設(shè)計(jì)，實(shí)心截面。塔的尺寸設(shè)計(jì)符合橫橋和順橋方向的穩(wěn)定性需求，塔高81 m，底部尺寸順橋向?yàn)?2.5 m，橫橋向?yàn)?.7 m，為整體結(jié)構(gòu)提供支撐。斜拉索采用扇形布置，索采用GJ鋼絞線整束擠壓式拉索體系，共有三種規(guī)格：GJ15A（C）-4、GJ15A（C）-6、GJ15A（C）-9，以滿足不同部位的力學(xué)要求。此外，主橋還設(shè)有兩對(duì)背索，也采用鋼絞線拉索體系，規(guī)格為GJ15A（C）-12。索塔的承臺(tái)設(shè)計(jì)厚度為3.5 m，順橋向長(zhǎng)度為16.4 m，橫橋向長(zhǎng)度為11.9 m，下方設(shè)有12根直徑為1.8 m的鉆孔灌注樁，采用鉆孔摩擦樁設(shè)計(jì)。

3.2 引橋

位于小半徑平曲線上的引橋采用8 m跨徑的現(xiàn)澆混凝土連續(xù)板結(jié)構(gòu)，能有效適應(yīng)地形變化，小樁號(hào)側(cè)引橋設(shè)計(jì)為5 m×8 m跨徑，如圖2所示。引橋結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆板，板寬4 m，板厚達(dá)到50 cm，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，也能承受交通荷載和環(huán)境因素的影響。橋墩設(shè)計(jì)為柱式墩，墩柱直徑為0.8 m，接0.12 m直徑的樁基。柱頂設(shè)有蓋梁以提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性。橋臺(tái)部分采用重力式設(shè)計(jì)，以提供良好的穩(wěn)定性。在不均勻地質(zhì)條件下能有效分散荷載，減輕地基壓力。由此可知，引橋的設(shè)計(jì)要素囊括結(jié)構(gòu)功能性、穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性。

4 大跨度剛構(gòu)部分斜拉橋設(shè)計(jì)施工要點(diǎn)

4.1 混凝土結(jié)構(gòu)

該橋的混凝土結(jié)構(gòu)施工涉及地錨、索塔、引橋等部分，包括預(yù)應(yīng)力混凝土部分，其施工過(guò)程需嚴(yán)格控制材料選擇和施工技術(shù)?；炷敛牧戏矫?，主梁和塔柱使用C50混凝土，承臺(tái)和樁基則采用C35混凝土，而兩岸引橋和地錨采用C45混凝土?；炷潦┕りP(guān)鍵在于控制溫度裂縫和水化熱，以及保證混凝土結(jié)構(gòu)的均勻性和強(qiáng)度。為此，混凝土表面與接觸物的溫差在15 ℃以內(nèi)，低溫條件下需采用保溫措施?；炷敛鹉r(shí)間的確定需考慮強(qiáng)度、內(nèi)外溫差，以避免因溫度變化過(guò)快導(dǎo)致開裂。大體積混凝土施工如承臺(tái)和索塔需注意入模溫度的控制以防止由于溫度變化引起的裂縫。鋼筋加工、安裝和質(zhì)量驗(yàn)收都需嚴(yán)格遵守《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》，施工中需對(duì)鋼筋的位置進(jìn)行調(diào)整以避免與預(yù)應(yīng)力管道或其他主要構(gòu)件干擾。此外，施工過(guò)程要密切注意施工觀測(cè)和記錄，保障質(zhì)量檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性，并將觀測(cè)數(shù)據(jù)和施工記錄寫入工程竣工報(bào)告，以預(yù)防風(fēng)害并采取環(huán)境保護(hù)相關(guān)措施。

4.2 鋼結(jié)構(gòu)

該橋的鋼結(jié)構(gòu)元素包括主梁的縱梁、橫梁、橋面板以及加勁部分，均采用Q345qD鋼材，符合《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 714—2015）的規(guī)定。焊接材料包括焊條、焊劑、焊絲等，均須匹配母材，遵循相關(guān)國(guó)標(biāo)規(guī)定，如《氣體保護(hù)電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲》（GB/T 8110—2008），高強(qiáng)度螺栓為10.9級(jí)，滿足《鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓》要求。斜拉索使用標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa的多根鋼絞線，其性能嚴(yán)格控制并滿足《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》的規(guī)定。斜拉索體和錨頭為成品，且外涂防銹油脂，采用三層防腐處理以提高耐久性，斜拉索安裝時(shí)需采取措施防止外層HDPE護(hù)套的劃痕和破裂，以及顏色的污染。拉索張拉應(yīng)確保張拉后每根拉索的索力準(zhǔn)確。鋼箱梁的制造按照國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)程和規(guī)范實(shí)施，分節(jié)段在工廠制造并現(xiàn)場(chǎng)吊裝、焊接成橋。鋼箱梁共分為13個(gè)梁段，最大梁段長(zhǎng)為12 m。制造過(guò)程采用減小焊接變形和收縮的工藝，所有類型的焊縫需進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，進(jìn)場(chǎng)的鋼板應(yīng)進(jìn)行化學(xué)成分和力學(xué)性能試驗(yàn)，確保斜拉索使用的鋼材符合設(shè)計(jì)要求。鋼梁的油漆防腐工作應(yīng)在廠內(nèi)進(jìn)行初步處理。由于鋼箱梁為全焊結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)焊縫所產(chǎn)生的焊接變形和殘余應(yīng)力較大，制造應(yīng)采用焊接變形小焊縫收縮小的工藝，所有類型的焊縫在施焊前應(yīng)做焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，試驗(yàn)的指導(dǎo)原則：焊縫及其熱影響區(qū)?20 ℃時(shí)V型沖擊韌性、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度不低于對(duì)母材的要求。所有要求熔透的對(duì)接焊縫及連接焊縫均應(yīng)熔透并對(duì)焊縫打磨，以保證有較高的抗疲勞強(qiáng)度；所有要求熔透的角焊縫，原則上都應(yīng)熔透，熔透確有困難可開坡口焊接，坡口焊接的角焊縫一般以不小于1.5（t）1/2考慮取值，t為兩焊件中較厚焊件的厚度，采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊。對(duì)進(jìn)場(chǎng)的鋼板均應(yīng)分批進(jìn)行化學(xué)成分和力學(xué)性能的檢驗(yàn)，確保斜拉索采用的鋼材符合設(shè)計(jì)力學(xué)性能。鋼梁前幾道油漆防腐應(yīng)在廠內(nèi)進(jìn)行，最后一道到現(xiàn)場(chǎng)待橋面安裝完成后一次性全面噴涂。板件組成梁段的步驟：鋼－混凝土接合段制造流程：端板—底板—腹板—橫隔板—頂板；鋼箱梁：底板—腹板—橫隔板—頂板。組裝必須在胎架上進(jìn)行，胎架長(zhǎng)度不得小于五個(gè)梁段的長(zhǎng)度，按設(shè)計(jì)線形及梁段間預(yù)留的間隙（還需計(jì)入焊接收縮量）使相鄰梁段連接斷面相匹配，然后施焊組裝焊縫。施焊完畢，標(biāo)記梁段號(hào)，將前三個(gè)梁段運(yùn)出堆放，留下最后兩個(gè)梁段，與下三個(gè)梁段進(jìn)行預(yù)拼裝。梁段拼裝順序應(yīng)與吊裝順序相同，吊裝時(shí)不允許調(diào)換梁段號(hào)，梁段預(yù)拼裝線形待橋面吊機(jī)重量確定后給出。

5 大跨度剛構(gòu)部分斜拉橋施工關(guān)鍵技術(shù)分析

5.1 動(dòng)力學(xué)特性與風(fēng)振控制

大跨度剛構(gòu)斜拉橋具有獨(dú)特的動(dòng)力響應(yīng)特性，該橋的動(dòng)力學(xué)特性分析首先需要考慮結(jié)構(gòu)的自然頻率和振型，直接影響橋梁對(duì)風(fēng)荷載的敏感度。風(fēng)速增大時(shí)，橋梁可能遭受較大的橫向風(fēng)振，甚至導(dǎo)致橋面產(chǎn)生大幅度的振動(dòng)。為有效控制風(fēng)振，選擇流體動(dòng)力學(xué)模擬預(yù)測(cè)在不同風(fēng)速和風(fēng)向下橋梁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，或可安裝阻尼器控制風(fēng)振，吸收部分結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量，減少由風(fēng)荷載引起的振動(dòng)幅度。斜拉橋設(shè)計(jì)中應(yīng)在橋塔和斜拉索中合理配置阻尼器，估算橋面板設(shè)計(jì)對(duì)減少風(fēng)的影響，還需進(jìn)行風(fēng)速和風(fēng)向?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，在強(qiáng)風(fēng)條件下采取相應(yīng)的安全措施。由此可見，大跨度剛構(gòu)斜拉橋風(fēng)振控制策略的設(shè)計(jì)和實(shí)施，是確保其長(zhǎng)期穩(wěn)定性和安全性的關(guān)鍵。綜合應(yīng)用動(dòng)力學(xué)分析、流體動(dòng)力學(xué)模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為橋梁設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，使其在復(fù)雜風(fēng)環(huán)境下保持結(jié)構(gòu)安全性。

5.2 施工技術(shù)

大跨度剛構(gòu)部分斜拉橋施工技術(shù)的應(yīng)用是為了確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和施工效率。施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性需通過(guò)臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)和斜拉索有序安裝保證。施工策略應(yīng)保障各階段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和力學(xué)性能，避免過(guò)度變形或損傷。大跨度剛構(gòu)斜拉橋設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的幾何形狀、尺寸和位置的控制應(yīng)達(dá)到精細(xì)化水平，可使用先進(jìn)的測(cè)量和定位技術(shù)，如全站儀和GPS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)施工組件準(zhǔn)確對(duì)接和定位。此外，施工現(xiàn)場(chǎng)的噪音、揚(yáng)塵和廢料處理需符合環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)[2]，施工安全計(jì)劃應(yīng)涵蓋潛在危險(xiǎn)和應(yīng)急措施，確保施工人員安全。

5.3 荷載分析

荷載分析是對(duì)施工階段及最終結(jié)構(gòu)承受的荷載綜合考量，自重荷載即結(jié)構(gòu)自身重量，是持續(xù)作用在橋梁上的主要荷載。施工階段，此荷載隨結(jié)構(gòu)組件安裝逐漸增加，施工荷載包括施工人員、設(shè)備、材料等重量，需在施工計(jì)劃中精確計(jì)算并合理分配，避免過(guò)大應(yīng)力，施工導(dǎo)致局部超載或不均勻負(fù)載，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。動(dòng)力荷載如車輛和行人的運(yùn)動(dòng)荷載雖不主要，但在設(shè)計(jì)和施工規(guī)劃中仍需予以考慮，因其影響橋梁長(zhǎng)期使用，對(duì)施工安全性產(chǎn)生影響。

6 大跨度剛構(gòu)部分斜拉橋耐久性與維護(hù)

6.1 混凝土結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)

水泥的選擇關(guān)鍵在于使用低水化熱、低堿含量的穩(wěn)定質(zhì)量水泥，且鋁酸三鈣（C3A）含量不超過(guò)8%，堿含量（按Na2O計(jì)）不超過(guò)0.6%，同時(shí)應(yīng)選擇比表面積不超過(guò)350 m2/kg的硅酸鹽水泥。細(xì)集料應(yīng)選用級(jí)配良好、吸水率低的潔凈天然中粗河砂或合格的人工砂，粗集料則應(yīng)選用堅(jiān)硬、粒形良好的碎石或卵石，且有害物質(zhì)含量需嚴(yán)格控制[3]?；炷劣盟畱?yīng)清潔且無(wú)有害雜質(zhì)，粉煤灰等礦物摻合料應(yīng)符合GB/T 1596—2017的規(guī)定。外加劑選擇應(yīng)符合GB 50119—2013及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行化學(xué)成分和劑量適應(yīng)性試驗(yàn)，參照最佳摻量、緩凝時(shí)間等多項(xiàng)指標(biāo)。

6.2 鋼結(jié)構(gòu)涂裝

該橋鋼結(jié)構(gòu)涂裝中鋼材組裝前必須經(jīng)過(guò)徹底除銹處理，鋼箱梁頂面處理符合鋪設(shè)瀝青混凝土要求。除銹采用噴丸除銹技術(shù)，鋼材表面無(wú)油污、氧化皮、鐵銹等雜物，清凈度達(dá)到國(guó)標(biāo)GB/T 8923.4—2013規(guī)定的Sa2.5級(jí)，表面粗糙度達(dá)到25～60 μm。噴丸操作需控制好風(fēng)壓、噴射角和距離，濕度低于85%的環(huán)境中，除銹后需在4 h內(nèi)完成涂裝。涂裝工作采用高壓氣噴涂方式以提高涂層的質(zhì)量和均勻性。涂裝過(guò)程中需嚴(yán)格控制環(huán)境條件，避免在雨雪霧天及高濕度環(huán)境下進(jìn)行，確保涂層的平滑、均勻和無(wú)缺陷。涂層膜厚也需遵循涂料技術(shù)要求并重視對(duì)涂層損傷處的修補(bǔ)，保障涂裝質(zhì)量。涂裝材料必須選擇性能可靠、附著力強(qiáng)、耐候性好的涂裝防護(hù)體系，建議外涂裝采用水性涂層+油漆涂層，如車間底漆、底漆、中層漆、面漆，干膜厚度分別為20 μm、80 μm、2×80 μm、

2×40 μm。內(nèi)涂裝則采用全油漆涂層，如車間底漆、底漆、面漆，干膜厚度分別為20 μm、50 μm、2×100 μm。鋼結(jié)構(gòu)的防腐與涂裝還需經(jīng)嚴(yán)格質(zhì)量檢查及驗(yàn)收，確保除銹和涂裝工作達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，大跨度剛構(gòu)部分斜拉橋的設(shè)計(jì)綜合性較強(qiáng)，未來(lái)工程實(shí)踐應(yīng)集成上述關(guān)鍵技術(shù)，以優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高施工效率，確保工程安全，最終實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

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