羅永樂

（廣州市市政工程設(shè)計研究院 廣東廣州 510060）

關(guān)于市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計要點的探討

羅永樂

（廣州市市政工程設(shè)計研究院 廣東廣州 510060）

隨著我國城市化進程不斷地加快，城市的橋梁也在不斷地增加，大量橋梁總體上可以滿足功能要求，但同時也存在著很多缺陷，這給社會輿論、人民生活、城市交通帶來了不好的影響。本文結(jié)合工程實例對市政橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點進行探究，以供同行參考。

市政橋梁；橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計；設(shè)計要點

1 工程概況

該工程大橋橋位處的地震加速度為0.2g，Ⅲ類場地；場地樁基主要持力層為細、中砂。橋梁標準段全寬41m，根據(jù)規(guī)劃及現(xiàn)況河道斷面形態(tài)，并結(jié)合橋址周邊景觀環(huán)境定位的需求，該橋設(shè)計為塔高75m的獨塔有背索雙索面斜拉橋，跨徑布置為100m+ 50m。結(jié)構(gòu)為墩、塔、梁固結(jié)體系，受力明確、構(gòu)造簡單。為滿足景觀及受力要求，主塔向邊跨側(cè)傾斜約78°。主梁設(shè)計為鋼-混凝土組合梁縱向受力體系，有利于平衡主、邊跨跨徑相差較大對整體結(jié)構(gòu)受力帶來的不利影響。主跨側(cè)設(shè)置8對拉索，梁上拉索間距為9.0m，邊跨側(cè)設(shè)置2對背索，均錨固于端橫梁處。

2 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

本橋結(jié)構(gòu)設(shè)計時，在充分尊重并實現(xiàn)景觀創(chuàng)意的同時，進行了多方案、多種結(jié)構(gòu)形式的論證及比選，實現(xiàn)了力與美的和諧統(tǒng)一。大橋設(shè)計過程中，主要進行了結(jié)構(gòu)體系、主塔傾角、主梁形式、飛燕拱肋布置等項目的細節(jié)設(shè)計及計算驗證，如圖1所示。

圖1 橋梁整體布置（單位:cm）

2.1 結(jié)構(gòu)體系的選擇

斜拉橋上部構(gòu)造的各種荷載通過支承體系直接傳遞到下部結(jié)構(gòu)，支承體系的布置對斜拉橋的結(jié)構(gòu)性能影響很大，必須在全橋總體布置及構(gòu)造設(shè)計之前予以充分考慮。對于斜拉橋的基本體系按力學(xué)性能劃分有漂浮體系、支承體系（半漂浮體系）、塔梁固結(jié)體系以及剛構(gòu)體系四種，這四種支承體系的優(yōu)缺點及適用條件如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)體系比較

通過上述比較，鑒于本項目對橋梁景觀有特殊要求，綜合考慮多方面因素，確定本橋采用整體剛度較好的并能克服本橋型兩側(cè)索力不平衡問題的墩、塔、梁固結(jié)體系——剛構(gòu)體系。

2.2 主塔結(jié)構(gòu)設(shè)計

主塔為該橋梁結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件，全橋結(jié)構(gòu)恒載及活載通過斜拉索傳遞給主塔，然后經(jīng)由主塔傳遞至下部基礎(chǔ)。本橋主塔線形及斷面形式的確定原則如下：

（1）主塔的整體線形及斷面尺寸應(yīng)與景觀設(shè)計提供的效果圖相近。

（2）本橋主、邊跨跨徑差距較大，在折線形的橋塔折點處會出現(xiàn)彎矩峰值。在主梁形式確定后，為保證主跨主梁的受力情況，主跨側(cè)拉索索力基本確定，塔柱受力雖然可以通過調(diào)整邊跨側(cè)拉索索力進行調(diào)整，但考慮本橋背索設(shè)計為梁端錨固，背索索力可調(diào)幅度有限，因此在設(shè)計時應(yīng)保證在塔柱折點處截面具有一定的抵抗強度。

（3）上塔柱截面設(shè)計除滿足結(jié)構(gòu)受力的要求外，同時應(yīng)滿足斜拉索錨固的構(gòu)造要求。

綜合上述因素，確定主塔采用矩形薄壁空心截面，下塔柱根部截面尺寸為8m×4m，線性漸變至主塔匯合處，尺寸為3.5m× 3.0m，壁厚1.0m，上塔柱尺寸由3.5m×6.0m漸變至塔頂7.5m× 6.0m，壁厚1.2m，主塔線型及斷面示意如圖2所示。

圖2 主塔線型及斷面示意圖

主塔的線形直接影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分配及大小，選擇合理的線形，使結(jié)構(gòu)在恒載作用下拉索索力在塔柱與主梁相交處產(chǎn)生的彎矩與主塔傾斜在這一點產(chǎn)生的彎矩相等，這時主塔只承受軸力，而無彎矩及剪力作用，應(yīng)力均勻，能充分利用材料強度。由此可得本橋主塔的合理傾角β≈80°，而本橋景觀設(shè)計塔柱線形為主塔與主梁之間存在約77°的斜交角?？紤]到在活載作用下，塔柱受力方向與恒載作用下的方向相反，且塔柱截面較大，自身有較大承載能力，因此主塔傾角仍采用β≈77°。當斜拉索錨固于箱梁梁體時，主梁局部構(gòu)造復(fù)雜且需要較大的箱梁梁高，當錨固于主梁梁體之外時，梁體局部構(gòu)造復(fù)雜且換索時需搭設(shè)臨時支架，本次設(shè)計，考慮到景觀及結(jié)構(gòu)要求，將斜拉索錨固于上塔柱，為滿足上塔柱受力要求在錨固區(qū)內(nèi)設(shè)置環(huán)向預(yù)應(yīng)力加強構(gòu)造。

2.3 主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

本橋主跨跨徑100m，邊跨主梁跨徑50m，主、邊跨主梁跨徑差距較大，為保證主梁及塔梁固結(jié)處的受力平衡，主跨側(cè)拉索索力大于邊跨側(cè)拉索索力，而折線型的索塔，在塔柱上、下折點處產(chǎn)生彎矩峰值，由于主、邊跨索力差別較大，塔柱折點處的彎矩峰值也相應(yīng)增加，由于背索設(shè)計為梁端錨固形式，為避免塔梁結(jié)合處彎矩過大及邊跨支點出現(xiàn)負反力，背索索力不宜過大，塔柱受力示意如圖3所示。綜合考慮，要求主跨主梁的自重較小，邊跨主梁的自重應(yīng)較大，這樣方能滿足橋塔折點處受力要求及保證邊跨支點不會出現(xiàn)負反力，主跨主梁材料不同時主塔內(nèi)力的比較，如表2所示。

圖3 塔柱受力示意圖

表2 主跨主梁材料不同時主塔內(nèi)力的比較

由于橋型為獨塔雙索面斜拉橋，結(jié)構(gòu)受力對主梁的抗扭剛度要求較低，因此主跨主梁擬采用單箱雙室箱形斷面，以最大限度地減小主梁自重，邊跨主梁擬采用單箱多室斷面，以其較大的自重與主跨主梁相適應(yīng)。受橋梁跨徑布置（主、邊跨差距大）以索塔形式（折線形索塔）的制約，主跨主梁的自重應(yīng)小，邊跨主梁的自重應(yīng)較大，如此方能滿足橋塔折點處受力要求及保證邊跨支點不會出現(xiàn)負反力，因此等高段主跨主梁（長79m）采用Q345qD鋼材預(yù)制箱梁，其余主梁采用C50現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土梁。

由于主跨鋼梁采用雙邊箱形式，為保證主梁剛度過渡平順，結(jié)構(gòu)傳力順暢，與之相接混凝土主梁一般仍采用雙主梁形式，其具體布置見圖4。但混凝土主梁設(shè)計需構(gòu)造簡單和受力相對合理，考慮自重較大，采用整體箱梁較為合理，其具體布置見圖5。

圖4 雙邊箱混凝土主梁構(gòu)造圖

圖5 整體混凝土箱梁結(jié)構(gòu)圖

邊跨側(cè)主梁設(shè)計為單箱八室預(yù)應(yīng)力箱梁，C50混凝土，梁高2.50m，在塔根部區(qū)域加厚為4m，箱梁底寬33.5m，頂寬41.0m。頂板厚25～40cm，底板厚22～60cm，腹板厚度50～75cm，腹板內(nèi)設(shè)置縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋。主跨側(cè)主梁采用單箱雙室鋼箱梁，Q345qD鋼材，梁高2.5m，兩片箱梁通過橫梁和橋面板連接形成整體。鋼箱梁頂板鋼板厚14mm，下設(shè)U型加勁肋，底板厚16mm，腹板厚12mm，鋼混結(jié)合段及拉索錨固區(qū)鋼板均采用28mm加強。全橋鋼主梁共長79.0m。

2.4 鋼混凝土結(jié)合段設(shè)計

結(jié)合段設(shè)計是混合梁的關(guān)鍵部位，要求設(shè)計對各種荷載產(chǎn)生的軸力、彎矩、扭矩和剪力的傳遞順暢可靠，在荷載作用下具有一定的承載安全儲備，剛度過渡良好，耐久性好，抗疲勞性能好，力求減小應(yīng)力集中。

本橋設(shè)計結(jié)合段為混凝土截面，其腹板與底板外包鋼板與鋼箱梁一致，形成外包鋼箱梁，為了結(jié)合段與兩端過渡均勻，在結(jié)合段端部設(shè)置了過渡段，為保證結(jié)構(gòu)過渡連續(xù)，混凝土段的縱向鋼筋伸人結(jié)合段，結(jié)合段頂板的上層縱向鋼筋與橫向鋼筋焊接。結(jié)合段內(nèi)鋼梁腹板、端橫隔板混凝土側(cè)、縱向隔板布置剪力釘，縱向隔板側(cè)設(shè)置PBL剪力鍵，底板縱向加勁肋上開孔，鋼筋通過形成PBL剪力鍵，鋼箱梁過渡段按通高設(shè)置隔板，本方案剪應(yīng)力主要由PBL剪力鍵來傳遞，PBL剪力鍵在國內(nèi)外已經(jīng)有了很多工程實例。

2.5 飛燕拱肋設(shè)計

對于常規(guī)橋梁，當邊跨重量不足時，一般采用箱內(nèi)添加配重的形式解決，但由于本橋?qū)挾冗_41m，拉索錨固間距達28.1m，采用箱內(nèi)配重時，端橫梁受力巨大，2.5m高截面無法滿足受力要求。該大橋景觀設(shè)計為曲頸高歌的天鵝，設(shè)置飛燕拱肋后不但使天鵝的形象更加豐滿，其重量也滿足了結(jié)構(gòu)配重要求，且有效改善了端橫梁結(jié)構(gòu)受力，降低了端橫梁的截面高度。

3 結(jié)束語

綜上所述，該大橋在結(jié)構(gòu)設(shè)計時努力將橋梁結(jié)構(gòu)與建筑藝術(shù)相結(jié)合，通過本工程的設(shè)計，獲得了以下幾點：對于橋面較寬、梁體無索區(qū)較長的獨柱折線斜塔斜拉橋，剛構(gòu)體系是較好的選擇。本工程根據(jù)主塔受力特點，主梁分別采用雙邊箱鋼主梁及混凝土整體箱梁，使得結(jié)構(gòu)受力合理，工程經(jīng)濟性好。創(chuàng)新型的鋼混結(jié)合段設(shè)計滿足了結(jié)構(gòu)剛度過渡及結(jié)構(gòu)有效的傳力要求。邊跨設(shè)置飛燕拱肋，豐富了大橋景觀造型，也對大橋整體結(jié)構(gòu)受力具有較大貢獻，是橋梁結(jié)構(gòu)與橋梁美學(xué)結(jié)合的有效嘗試。經(jīng)過計算分析，本橋結(jié)構(gòu)體系是安全可行的，體現(xiàn)了新穎優(yōu)美的橋梁藝術(shù)理念，拓展了斜拉橋結(jié)構(gòu)及建筑型式。

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U442.5

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：1673-0038（2015）05-0139-03

2015-1-15

羅永樂（1986-），男，碩士，主要從事橋梁設(shè)計方面的工作。