錢 濱，賁慶國(guó)

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017）

1 工程概況

滬陜國(guó)家高速公路江都至六合段全長(zhǎng)76 km，全線按雙向6車道標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)速120 km/h。設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路—Ⅰ級(jí)；橋面寬度為2×凈15.25 m，中分帶3 m，總寬37.1 m；設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年，設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)；基本風(fēng)速為27.1 m/s。地震烈度為抗震設(shè)防烈度Ⅶ度，地震動(dòng)峰值加速度為0.15 g；設(shè)計(jì)洪水頻率為1/300年，SW1/300=7.171 m；Ⅱ級(jí)航道，通航凈寬110 m，凈空高度7.0 m。

京杭運(yùn)河斜拉橋位于揚(yáng)州境內(nèi)，跨越京杭運(yùn)河蘇北段II級(jí)航道，為該項(xiàng)目的控制性工點(diǎn)，通航凈空110 m×7 m。橋位處航道設(shè)有待閘錨地，該段航道通航繁忙，同時(shí)航道兩側(cè)大堤為一級(jí)堤防，根據(jù)航道部門及水利部門的要求，橋梁需一跨跨越通航水域及大堤。前期初步設(shè)計(jì)階段經(jīng)過多方案比較，主橋推薦采用108 m+248 m+108 m的混凝土斜拉橋。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體布置

本橋的結(jié)構(gòu)體系為雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土邊主梁斜拉橋，其總體布置見圖1?？缍冉M成為108 m+248 m+108 m，橋面全寬為37.1 m（1.8（索區(qū)）+15.25 m（機(jī)動(dòng)車道）+3.0 m（中分帶）+15.25 m（機(jī)動(dòng)車道）+1.8 m（索區(qū)）），為國(guó)內(nèi)已建成高速公路中最寬的邊主梁斜拉橋。

圖1 總體布置圖

考慮經(jīng)濟(jì)性、抗震性，減少結(jié)構(gòu)自重，降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，方便施工等因素，采用預(yù)應(yīng)力混凝土邊主梁結(jié)構(gòu)形式，主梁寬跨比為1∶6.68，高跨比為1∶93.6。由于橋面距離地面高度約10 m，因此主塔采用施工方便的H形混凝土框架結(jié)構(gòu)，塔高H與跨度L之比為0.3。斜拉索采用平面扇形布置，與H形主塔配合彌補(bǔ)主梁抗扭剛度的不足，提高結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)自振頻率和扭彎頻率比，為主梁的穩(wěn)定性提供較好的基礎(chǔ)，其在主梁上的間距為6.5 m，采用平行鋼絲拉索體系。

主塔固結(jié)于承臺(tái)頂面，主梁通過豎向支座支承于主塔下塔柱上，在邊跨設(shè)置一個(gè)輔助墩，提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度，降低了施工控制難度。通過計(jì)算，主梁在邊墩處需設(shè)置部分壓重。由上述支承體系構(gòu)成本橋的立面為半飄體系，在橫向?yàn)?跨連續(xù)體系。

2.2 主塔設(shè)計(jì)

主塔采用H形C50混凝土框架結(jié)構(gòu)，主塔自承臺(tái)頂面至塔頂?shù)母叨葹?2.913 m；在距離塔頂26 m處設(shè)一道橫梁，與橋面將塔柱分為上、中、下3部分，構(gòu)成H形狀；上塔柱為豎直布置，中、下塔柱傾斜率為1∶10.77。主塔結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 主塔一般構(gòu)造圖

下塔柱尺寸為順橋向5.5 m，橫向3.5 m，由于塔柱高度較矮，采用實(shí)心截面；中塔柱尺寸為順橋5.5 m，順橋向3.5 m，壁厚70 cm的箱形截面；上塔柱（索錨固區(qū)）尺寸為順橋向5.5 m，橫向3.5 m，順橋向壁厚135 cm，橫向壁厚80 cm的箱形截面。索與塔軸線的交點(diǎn)的間距為1.5 m，采用箱內(nèi)壁錨固形式。

主塔下、中塔柱為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主筋采用Φ32 mm，截面配筋率為1.49%，上塔柱橫梁為預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，采用12孔鋼鉸線群錨體系。上塔柱在索塔錨固區(qū)采用井字形的雙向預(yù)應(yīng)力，縱向長(zhǎng)邊根據(jù)索力不同分別采用7孔和5孔鋼鉸線群錨體系，短邊采用36根Φ7 mm的光面鋼絲體系。主要材料指標(biāo)為：主塔C50混凝土4 320 m3，體積配筋率186 kg/m3，預(yù)應(yīng)力鋼鉸線21 t，光面鋼絲11 t。

2.3 主梁設(shè)計(jì)

主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土邊主梁結(jié)構(gòu)，梁高2.63 m，全寬37.1 m；邊主梁梁高2.3 m，梁寬1.8 m。橋面板厚30 cm，橋面橫坡2%，橫梁間距6.5 m，橫梁寬度30 cm，主梁施工標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)6.5 m，0號(hào)塊長(zhǎng)12 m，邊跨壓重段12.9 m，合龍段長(zhǎng)2 m。主梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)C55，主梁截面見圖3。

圖 3 主梁一般構(gòu)造圖

主梁按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)，縱向預(yù)應(yīng)力分別采用7孔和19孔的預(yù)應(yīng)力鋼鉸線群錨體系；橫向預(yù)應(yīng)力采用19孔預(yù)應(yīng)力鋼鉸線群錨體系。主梁縱向采用Φ32 mm精軋螺紋張拉接長(zhǎng)施工預(yù)應(yīng)力的方式適應(yīng)主梁的懸臂施工。主梁懸臂施工采用牽索掛籃的方案。主要材料指標(biāo)為：主梁混凝土14 269 m3，體積含筋率159 kg/m3，預(yù)應(yīng)力鋼鉸線380 t，粗鋼筋80 t。

2.4 斜拉索設(shè)計(jì)

斜拉索采用鍍鋅平行鋼絲束拉索體系，塑料護(hù)套為雙層熱擠PE，外層為白色，考慮經(jīng)濟(jì)性及施工方便，全橋144根拉索分別采用了6種型號(hào)，斜拉索中的最大規(guī)格為263Φ7 mm。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 靜力分析

靜力計(jì)算主要進(jìn)行了體系成橋狀態(tài)各工況的靜力分析、施工安裝計(jì)算、主塔橫向計(jì)算、主梁橫梁及橋面板計(jì)算，本文著重介紹該橋的體系成橋和施工安裝計(jì)算分析要點(diǎn)。

體系成橋和施工安裝計(jì)算分析的計(jì)算圖式采用平面桿系模型，施工安裝計(jì)算采用無應(yīng)力索長(zhǎng)法；其理論基于微變形理論，對(duì)結(jié)構(gòu)的非線性影響須作特殊處理；另外由于主梁采用邊主梁結(jié)構(gòu)，其截面有效寬度的取值將直接影響結(jié)構(gòu)的計(jì)算，為此在本橋計(jì)算過程中作了如下處理［1］：（1）斜拉索垂度影響采用割線彈性模量代替標(biāo)準(zhǔn)彈性模量；（2）收縮徐變影響按相關(guān)規(guī)范進(jìn)行處理；（3）幾何大位移影響采用非線性分析程序進(jìn)行分析，其結(jié)果與不考慮幾何非線性的結(jié)果相比較，各控制截面計(jì)算內(nèi)力比較結(jié)果為0.96~1.03，分析認(rèn)為非線性系數(shù)取值1.05能夠滿足結(jié)構(gòu)安全要求，計(jì)算中將活載增大5%后進(jìn)行分析。

根據(jù)文獻(xiàn)［2］的規(guī)定，本橋主梁截面有效寬度計(jì)算結(jié)果為：中跨bf/b=0.97，bs/b=0.80；邊跨bf/b=0.92，bs/b=0.70（b為翼緣寬，bf為跨中部有效翼緣寬，bs為支點(diǎn)處的有效翼緣寬）。

3.2 局部應(yīng)力分析

由于塔上錨固采用箱內(nèi)錨固形式且錨固壁較薄，為適應(yīng)美觀要求將梁上錨固錨頭扣入梁體，本次對(duì)斜拉索索塔錨固區(qū)進(jìn)行了有限元局部應(yīng)力分析以驗(yàn)證簡(jiǎn)化計(jì)算模型和指導(dǎo)配筋。根據(jù)不同的拉索索力計(jì)算2種工況：在斜拉索張拉前先張拉長(zhǎng)邊方向的鋼鉸線和部分短邊方向的平行鋼絲，斜拉索張拉后張拉剩余的短邊平行鋼絲。

3.3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析

根據(jù)本橋的地震安評(píng)報(bào)告，分別采用反應(yīng)譜及時(shí)程法進(jìn)行分析，其中反應(yīng)譜的參數(shù)見表1。

表1 反應(yīng)譜參數(shù)

本次分析采用有限元程序MIDAS2006建立了有限元模型，橋墩和主梁全部使用梁?jiǎn)卧?，拉索采用桿單元。采用脊梁模式計(jì)算模型，拉索錨固處與主梁(主塔)之間建立剛臂單元實(shí)現(xiàn)共同變形,并以等效原則模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量分布。

本橋?qū)Τ蓸驙顟B(tài)進(jìn)行了抗震驗(yàn)算，并對(duì)最大雙伸臂施工狀態(tài)和成橋狀態(tài)進(jìn)行了抗風(fēng)驗(yàn)算。通過驗(yàn)算，成橋狀態(tài)下各構(gòu)件在E1地震作用下，強(qiáng)度和位移均能滿足規(guī)范要求，見表2。

表2 E1地震位移 mm

對(duì)于抗風(fēng)性能，按《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》［3］驗(yàn)算結(jié)構(gòu)抗風(fēng)穩(wěn)定性。盡管大橋主梁采用抗扭剛度較低的預(yù)應(yīng)力混凝土邊主梁結(jié)構(gòu)，但是采用了抗扭性能良好的扇形斜拉索體系和H形主塔，使結(jié)構(gòu)仍然具有較高的整體剛度，尤其是抗扭剛度，從而使扭轉(zhuǎn)顫振臨界風(fēng)速超出110 m/s，遠(yuǎn)大于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，在施工和成橋運(yùn)營(yíng)階段均具有足夠的抗風(fēng)穩(wěn)定性。主梁斷面接近薄平板特性，具有良好的氣動(dòng)外形，在自然風(fēng)場(chǎng)中，大橋發(fā)生較大振幅渦激共振的可能性很小，可以不必考慮渦激共振對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞及運(yùn)行舒適性的影響。

根據(jù)計(jì)算，主橋成橋狀態(tài)及最大雙懸臂施工狀態(tài)抗風(fēng)穩(wěn)定性均能滿足規(guī)范要求。

4 特殊問題的技術(shù)處理

4.1 主梁剪力滯效應(yīng)

本橋?qū)捒绫冗_(dá)到了1∶6.68，設(shè)計(jì)需要考慮剪力滯效應(yīng)對(duì)邊主梁的不利影響，主梁產(chǎn)生剪力滯的主要有軸力及縱向彎矩［4］。對(duì)于軸力影響，由于局部荷載不產(chǎn)生軸力，軸力主要是由體系中斜拉索的水平分力產(chǎn)生的。通過空間模型分析，經(jīng)計(jì)算單根斜拉索的水平分力傳遞大約3.5個(gè)節(jié)段后，全截面應(yīng)力分布均勻，傳遞角度約30°，應(yīng)力云圖詳見圖4。對(duì)于主梁，多根拉索的累積效應(yīng)是線性疊加的，因此總體看，索力傳遞規(guī)律是一致的。由此可見除跨中位置外，其余節(jié)段基本均可當(dāng)成全截面參與軸向力受力，對(duì)于跨中位置，斜拉索傳遞的軸力不能傳遞到全截面，因此設(shè)計(jì)通過配置跨中合龍束，通過合龍束的軸力與斜拉索軸力共同作用，確?？缰薪孛嫒孛娴念A(yù)應(yīng)力度。

圖 4 主梁在索力作用下應(yīng)力分布

對(duì)于彎矩的影響，在拉索區(qū)，本橋荷載傳遞路線為橋面板—橫梁—斜拉索，由于每根斜拉索均對(duì)應(yīng)一個(gè)小橫梁，傳遞到小橫梁上的荷載可以直接傳給斜拉索，可以近似看作橋面板和縱梁沒有共同受力，在該區(qū)域荷載產(chǎn)生的彎矩很小，該區(qū)域剪力滯效應(yīng)幾乎可以忽略。對(duì)于橫梁與斜拉索不對(duì)應(yīng)的位置即支點(diǎn)附近，傳力路徑變成橋面板—橫梁—縱梁（邊主梁），橋面板與縱梁共同參與受力，此時(shí)存在有效翼緣寬度的問題。本次設(shè)計(jì)通過索力優(yōu)化，使得支點(diǎn)附近縱梁局部彎矩較小，將彎矩在支點(diǎn)附近對(duì)主梁剪力滯的影響減小到最低。

本節(jié)剪力滯效應(yīng)分析與前文提到的截面有效寬度不完全相同，前者主要針對(duì)總體計(jì)算，將主梁簡(jiǎn)化為桿單元，本節(jié)主要從空間角度分析斜拉索力在主梁中的傳遞情況。

4.2 邊主梁側(cè)彎效應(yīng)

由于本橋?qū)挾容^寬，橫梁在張拉預(yù)應(yīng)力時(shí)橫梁在橫橋向?qū)a(chǎn)生壓縮變形，邊主梁受到已經(jīng)澆筑完主梁節(jié)段的約束，側(cè)向受彎變形受到約束，通過有限元計(jì)算分析，該處產(chǎn)生3.5 MPa的拉應(yīng)力，可能會(huì)導(dǎo)致邊主梁外側(cè)開裂，受力示意見圖5。面的削弱。

圖 5 橫梁預(yù)應(yīng)力作用下的邊主梁側(cè)彎

圖 6 塔柱預(yù)應(yīng)力布置

本橋設(shè)計(jì)采取如下措施：（1）橫梁鋼束分批張拉，將橫梁3根鋼束分2批張拉，第1批張拉2根，剩余1根待下個(gè)節(jié)段橫梁鋼束張拉時(shí)一并張拉；（2）邊主梁外側(cè)縱向采用較大的普通鋼筋。通過這2個(gè)措施，較好地解決了邊主梁側(cè)彎問題。

4.3 主塔雙向預(yù)應(yīng)力

通常斜拉橋上塔柱索塔錨固區(qū)預(yù)應(yīng)力采用U形預(yù)應(yīng)力布置方式抵消拉索水平分力，但該橋由于跨徑不大，主塔結(jié)構(gòu)尺寸主要以施工構(gòu)造控制，因此如采用U形預(yù)應(yīng)力布置，將導(dǎo)致較大的預(yù)應(yīng)力損失，施工難度也較大。

本次設(shè)計(jì)采用雙向“井”字形布置，長(zhǎng)邊方向采用鋼鉸線，短邊方向采用預(yù)應(yīng)力損失較小的光面鋼絲（圖6），并根據(jù)拉索索力的不同，沿塔高采用不同的密度布置。另外主塔預(yù)應(yīng)力采用預(yù)埋深埋錨頭，避免了過多的預(yù)應(yīng)力張拉槽口對(duì)主塔鋼筋的截?cái)嗪徒?/p>

5 結(jié)論

本文介紹了滬陜國(guó)家高速京杭運(yùn)河斜拉橋主橋的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了總體布置及主塔、主梁、拉索的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后介紹了由于橋梁寬度較大而采取的一些設(shè)計(jì)措施，目前本橋已經(jīng)建成運(yùn)營(yíng)。

［1］ JTG/T D65-01—2007公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則［S］.

［2］ 美國(guó)各州公路和運(yùn)輸工作者協(xié)會(huì).節(jié)段式混凝土橋梁設(shè)計(jì)和施工指導(dǎo)性規(guī)范（一）［J］.謝紅兵，譯.國(guó)外橋梁，1993（4）：297-315.

［3］ JTG/T D60-01—2004公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］ 陶海，肖汝城.混凝土斜拉橋主梁剪力滯研究［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2008，24（5）：49-53.