洋塘大橋雙主肋式寬體混凝土斜拉橋總體設(shè)計

摘要 斜拉橋由于其出色的跨越能力與景觀效果被廣泛運用，但其結(jié)構(gòu)在力學(xué)上屬高次超靜定結(jié)構(gòu)，受力復(fù)雜。洋塘大橋主橋采用（115 m+115 m）獨塔雙索面斜拉橋，主梁采用寬幅雙主肋式預(yù)應(yīng)力混凝土梁，索塔為H形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，斜拉索采用空間扇形雙索面布置。該文介紹了該橋的總體設(shè)計，并通用有限元軟件進行了全橋結(jié)構(gòu)施工及運營階段靜力分析，結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足相關(guān)規(guī)范要求，該文研究成果能為相關(guān)設(shè)計人員在研究類似橋梁時提供一定設(shè)計思路和經(jīng)驗參考。

關(guān)鍵詞 混凝土斜拉橋；雙主肋式；H形橋塔；有限元計算

中圖分類號 U448 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 B 文章編號 2096-8949（2024）19-0053-04

0 引言

斜拉橋因其卓越的跨越能力和獨特的景觀效果，在橋梁工程中得到了廣泛應(yīng)用。隨著城市化進程的加速和交通需求的持續(xù)增長，道路的車道數(shù)量不斷增加，促使橋梁設(shè)計趨向于更寬的橋面。在這一背景下，寬體斜拉橋憑借其強大的跨越能力和高承載力，成為現(xiàn)代橋梁設(shè)計中的一個關(guān)鍵選擇。然而，隨著橋面寬度的增加，橋梁的受力特性也發(fā)生了顯著變化，這為橋梁的設(shè)計和施工帶來了新的挑戰(zhàn)。該文以洋塘大橋為研究對象，通過深入分析其設(shè)計實踐，旨在為寬體斜拉橋的設(shè)計提供理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

1 工程概況2pLoDpEnwZUpjGUr4bZ5OA==

洋塘大橋位于距離浙江省桐廬縣老城區(qū)2.2 km處，為桐廬縣“五橫八縱”框架路網(wǎng)其中一縱（舞象山路）的一座橫跨分水江的大橋，是連接起洋塘區(qū)塊及浮橋埠區(qū)塊，促進桐廬各大組團高效連接的一條便捷交通要道。大橋工程區(qū)總體屬浙西中山丘陵區(qū)地貌單元，橋址區(qū)屬河流沖、洪積相河漫灘型河谷，河谷寬闊，河面寬約360 m，兩岸谷坡大致平緩、對稱。

洋塘大橋主橋采用（115 m+115 m）獨塔雙索面斜拉橋，左岸引橋采用5×32.5 m先簡支后橋面連續(xù)T梁橋，右岸引橋采用（30 m+32.5 m+28 m+28 m）預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，橋跨總長607.04 m。

2 主要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

（1）設(shè)計基準(zhǔn)期100年，設(shè)計工作年限100年；

（2）道路等級：城市主干道；

（3）設(shè)計車速：40 km/h；

（4）車道數(shù)：雙向六車道，兩側(cè)設(shè)置非機動車道及人行道；

（5）汽車荷載：城—A級；人群荷載按《城市橋梁設(shè)計規(guī)范（2019版）》（CJJ 11—2011）10.0.5取值；

（6）航道標(biāo)準(zhǔn)：Ⅴ級航道，雙孔單向通航40×8 m，最高通航水位11.230 m；

（7）設(shè)計洪水位：16.080 m（設(shè)計洪水頻率P=1/100）；

（8）抗風(fēng)：W1風(fēng)作用水平的設(shè)計風(fēng)速取10年重現(xiàn)期基本風(fēng)速24.2 m/s，W2風(fēng)作用水平的設(shè)計風(fēng)速取100年重現(xiàn)期基本風(fēng)速29.4 m/s，場地的地表類別B類；

（9）抗震設(shè)防：地震基本烈度6度， 基本地震動峰值加速度0.05 g。

3 總體方案

3.1 總體布置

根據(jù)橋位地形和河道通航要求，洋塘大橋主橋跨徑布置為（115 m+115 m），采用獨塔雙索面斜拉橋，塔、梁、墩固結(jié)體系，主橋立面布置圖見圖1。標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置：0.25 m（欄桿）+2.0 m（人行道）+3.0 m （非機動車道）+2.0 m（索區(qū)）+ 0.5 m（防撞護欄）+11.5 m（機動車道）+0.5 m（中央防護欄）+11.5 m（機動車道）+0.5 m（防撞護欄）+ 2.0 m（索區(qū)） +3.0 m（非機動車道）+2.0 m（人行道）+0.25 m（欄桿）=39m。

3.2 景觀構(gòu)思

洋塘大橋以“鐘靈毓秀”為景觀設(shè)計理念，體現(xiàn)桐廬歷史悠久、人文薈萃，人杰地靈的特點。索塔的設(shè)計將飛翔的鳥，向上攀登、勇往直前的精神力量與擬人動態(tài)作為設(shè)計的初衷，結(jié)合橋梁雙塔柱結(jié)構(gòu)形式，展現(xiàn)橋梁在悠悠山水間的雄壯有力，堅韌挺拔。橋塔形式似“門”，將橫撐方案利用“門”的古漢字造型元素，進行景觀設(shè)計，使得上橫梁與塔橋整體性更加和諧，將桐廬文化與橋梁文化相結(jié)合，體現(xiàn)“門迎天下”的胸懷與豪情。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 主梁設(shè)計

主梁采用寬幅雙主肋式預(yù)應(yīng)力混凝土梁，有效減輕主梁的自重，使整個橋梁構(gòu)造都更為輕盈和柔軟，其截面形式也明顯簡單于封閉箱形截面[1]。主梁標(biāo)準(zhǔn)寬度39 m，兩側(cè)挑臂設(shè)15 cm后澆帶，中心梁高2.8 m，梁頂設(shè)置1.5%雙向橫坡，主肋中心高2.601 m，主梁橫斷面布置詳見圖2。兩道主肋中心線間距為26.5 m，肋寬2.0 m，靠近索塔16 m范圍內(nèi)梁肋線性加寬至3.4 m，邊跨現(xiàn)澆段肋加寬至3.0 m。主梁兩主肋之間用橫梁與橋面板相連，橋面板厚28 cm，橫梁厚0.3 m，間距與拉索間距相同，均為6 m。寬幅雙主肋式截面抗扭能力較封閉箱形截面弱，剪力滯效應(yīng)較突出 [2]。塔梁結(jié)合段和邊跨現(xiàn)澆段主梁由雙主肋式斷面線性漸變?yōu)橄湫螖嗝?，以降低偏載作用引起的梁端扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力。主梁采用C55混凝土。

4.2 索塔設(shè)計

4.2.1 塔柱外形

索塔采用H形索塔，主、副塔相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，索塔構(gòu)造見圖3。主索塔總高度為83.492 m，橋面以上索塔高度65 m，塔柱橫橋向內(nèi)傾角度為1.62°，中心間距為23.802～28.648 m。副塔柱布置于主塔外側(cè)、中塔柱及下塔柱范圍內(nèi)，橋面以下副塔與主塔交角為22.76°，橋面以上交角為165.55°。

4.2.2 塔柱構(gòu)造

塔柱總高81.492 m，分為上、中、下塔柱及副塔。下塔柱高度為7.47 m，采用矩形實心截面，順橋向?qū)挾?.50 m、橫向?qū)挾?.1～4.6 m。中塔柱高度為47.567 m，采用箱形截面，順橋向?qū)挾?.90 m、橫橋向?qū)挾?.0 m，順橋向壁厚1.0 m、橫橋向壁厚1.65 m。上塔柱高度26.455m（其中塔冠高6.955m），采用鋼-混凝土的組合截面，鋼錨箱四周側(cè)板設(shè)剪力釘與塔柱混凝土側(cè)壁相結(jié)合，鋼錨箱縱橋向?qū)?.6 m、橫橋向?qū)?.2 m，混凝土側(cè)壁順橋向厚0.9 m、橫橋向厚0.65 m。塔柱四角均設(shè)置30 cm×30 cm的凹槽裝飾條。副塔采用矩形實心截面，斷面寬3.0 m，高1.5 m。索塔采用C55混凝土。

4.2.3 索塔錨固區(qū)

從方便斜拉索定位、降低工程造價等方面考慮，將斜拉索在索塔上的錨固形式設(shè)置為兩種，其中上塔柱采用內(nèi)置式鋼錨箱錨固，中塔柱采用預(yù)應(yīng)力混凝土錨固結(jié)構(gòu)錨固。鋼錨箱采用Q345qC鋼材，側(cè)板厚35 mm，端板厚30 mm，支撐板與承壓板直接傳遞索力采用40 mm，錨下墊板厚80 mm。鋼錨箱側(cè)板為主受力拉板，且板厚大，為防止層狀撕裂，要求厚度方向性能不低于Z15的性能要求。

4.2.4 索塔基礎(chǔ)

索塔采用啞鈴形承臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。兩承臺間采用系梁相連，承臺厚度4.0 m，平面尺寸15.0 m×15.0 m。單承臺對應(yīng)樁基礎(chǔ)為4排共14根直徑1.8 m的鉆孔灌注樁，按嵌巖樁設(shè)計，持力層為中風(fēng)化凝灰?guī)r層。承臺采用C40混凝土，樁基礎(chǔ)采用C30混凝土。

4.3 斜拉索設(shè)計

斜拉索采用空間雙索面形式，縱向立面按扇形布置，橫向略微內(nèi)傾斜。全橋共34對索，塔上索距2～2.5 m，梁上索距6 m。斜拉索采用防腐型平行鋼絲束拉索體系，鋼絲采用φ7 mm熱鍍鋅平行鋼絲，標(biāo)準(zhǔn)強度為1 770 MPa。全橋共采用7種規(guī)格斜拉索，分別是PESC7—121、139、151、187、199、211和PES7—223。斜拉索錨具采用冷鑄鐓頭錨，為施工方便，斜拉索兩端均采用張拉端錨具。

5 計算分析

5.1 計算模型

采用通用有限元計算軟件MIDAS/CIVIL建立橋梁空間桿系有限元模型，對主橋結(jié)構(gòu)進行分析計算。斜拉索采用桁架單元模擬，其余構(gòu)件均采用梁單元模擬。主梁與下橫梁共節(jié)點，索與塔、索與梁之間連接均采用彈性連接的剛接模擬。樁底固結(jié)、樁側(cè)土約束根據(jù)“m法”[3]計算得到的地基彈性系數(shù)，采用節(jié)點線彈性支承模擬。

模型主要劃分為以下施工階段：（1）基礎(chǔ)、索塔及0號塊施工；（2）主梁各懸臂節(jié)段澆筑及掛索張拉施工；（3）主梁合龍；（4）成橋調(diào)索；（5）橋面附屬結(jié)構(gòu)施工。

5.2 主要計算結(jié)果

5.2.1 主梁

（1）施工階段：

整個施工過程中，在預(yù)應(yīng)力和構(gòu)件自重、施工荷載作用下，主梁截面邊緣最大壓應(yīng)力為14.74 MPa，最大拉應(yīng)力為0.4 MPa。假定施工過程中，混凝土拆模的強度為成橋狀態(tài)的85%，主梁配筋率為1.25%，截面預(yù)壓區(qū)邊緣混凝土壓應(yīng)力σt cc≤0.7fck’ =21.12 MPa，截面預(yù)拉區(qū)邊緣混凝土拉應(yīng)力σt ct≤1.15ftk’=2.67 MPa，fck’、ftk’分別為施工階段混凝土軸心抗壓強度、軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，主梁施工階段應(yīng)力均滿足規(guī)范[4]要求。

（2）運營階段：

承載能力極限狀態(tài)最不利荷載組合下，主梁的最大正彎矩發(fā)生在1/4跨截面附近，彎矩設(shè)計值為γ0Md=204 650.4 kN·m<抗彎承載力設(shè)計值Mu=292 788.7 kN·m；主梁最大負(fù)彎矩發(fā)生在塔梁固結(jié)處截面附近，彎矩設(shè)計值為γ0Md=124 467.2 kN·m<抗彎承載力設(shè)計值Mu=231 686.8 kN·m；主梁最大剪力發(fā)生在邊支點處，剪力設(shè)計值為γ0Vd=21 261.0 kN<抗剪承載力設(shè)計值Vu=51 826.5 kN；主梁下正面抗彎承載力和斜截面抗剪承載力均滿足規(guī)范[4]要求。

在正常使用極限狀態(tài)最不利荷載組合下，主梁上、下緣均不出現(xiàn)拉應(yīng)力，主梁上緣最大壓應(yīng)力為14.4 MPa，主梁下緣最大壓應(yīng)力為15.4 MPa，均滿足規(guī)范[4]要求。

主梁撓度采用有限元方法計算，汽車荷載（不計沖擊）作用下全跨最大的撓度29.1 mm，跨中最小的撓度?60.5 mm，跨中正負(fù)撓度絕對值之和89.6 mm<計算跨徑L/500 =230 mm，滿足規(guī)范[5]要求的容許變形值。

5.2.2 索塔

根據(jù)索塔截面及配置鋼筋變化情況，選取塔梁交接處截面、主塔根部截面進行承載力驗算。承載能力極限狀態(tài)下最大彎矩工況對應(yīng)的軸力組合最為不利，索塔關(guān)鍵控制截面強軸（縱橋向）、弱軸（橫橋向）的最大彎矩工況對應(yīng)的軸向力設(shè)計值和抗壓承載力如表1所示，均能滿足規(guī)范[4]要求。

按持久狀況正常使用極限狀態(tài)的要求，進行塔柱的裂縫寬度驗算，頻遇組合下橋塔壓應(yīng)力基本在2.0 MPa以上，不出現(xiàn)拉應(yīng)力，塔柱不會因受力開裂，滿足規(guī)范[4]要求。

5.2.3 斜拉索

承載能力極限狀態(tài)下斜拉索最大應(yīng)力為847 MPa<斜拉索的抗拉強度設(shè)計值fpd=1 200 MPa，滿足規(guī)范[5]要求。

5.2.4 整體穩(wěn)定性分析

對施工階段和成橋運營階段進行了彈性屈曲穩(wěn)定分析。在施工階段的裸塔狀態(tài)，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)最大，為99.5；在施工階段的最大單懸臂狀態(tài)時，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)最小，為34.0；成橋以后，各種荷載作用下的穩(wěn)定安全系數(shù)為35.2；各階穩(wěn)定段安全系數(shù)均大于4.0，滿足《公路斜拉橋設(shè)計規(guī)范》（JTG/T 3365-01—2020）[5]要求。

6 結(jié)論

洋塘大橋主橋采用（115 m+115 m）雙主肋式寬體混凝土斜拉橋結(jié)構(gòu)，塔、梁、墩固結(jié)體系。大橋的索塔采用H形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主梁采用寬幅雙主肋式預(yù)應(yīng)力混凝土梁，斜拉索采用空間扇形雙索面布置，索塔基礎(chǔ)則采用了啞鈴形承臺和鉆孔灌注樁的組合。采用有限元軟件進行了全橋結(jié)構(gòu)施工及運營階段靜力分析，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足相關(guān)規(guī)范要求。

參考文獻(xiàn)

[1]龍磊，肖磊，龔睿民.大跨雙主肋式斜拉橋面板受載抗裂性能仿真分析[J].湖南交通科技，2015（4）：113-116.

[2]楊曉沖.雙主肋寬體斜拉橋施工階段主梁剪力滯效應(yīng)研究[D].西安：長安大學(xué)，2020.

[3]公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范：JTG 3363—2019[S].北京：人民交通出版社，2019.

[4]公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范：JTG 3362—2018[S].北京：人民交通出版社，2018.

[5]公路斜拉橋設(shè)計規(guī)范：JTG/T 3365-01—2020[S].北京：人民交通出版社，2020.

收稿日期：2024-06-14

作者簡介：詹遠(yuǎn)輝（1985—），男，碩士，高級工程師，主要從事橋梁工程設(shè)計及復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁研究工作。