艾伏平，徐 俊，廖崇慶

（上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 200030）

鄭東新區(qū)龍湖內(nèi)環(huán)路跨北引水渠橋的方案設(shè)計(jì)

艾伏平，徐 俊，廖崇慶

（上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 200030）

現(xiàn)先介紹鄭州市鄭東新區(qū)龍湖內(nèi)環(huán)路跨北引水渠橋的工程概況。接著，詳細(xì)論述其初設(shè)階段的橋梁總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)比選，以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。最后，對(duì)橋梁主體構(gòu)造的強(qiáng)度、剛度、應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)方案各主要構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、裂縫寬度及結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性均能滿足規(guī)范要求。

鼎盛中原斜拉橋；結(jié)構(gòu)比選；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)計(jì)算

1　概述

最大的司母戊鼎出土于河南，設(shè)計(jì)以中原“鼎”文化為構(gòu)思，打造龍湖最大最高的獨(dú)塔斜拉橋，展現(xiàn)了鄭州厚重的地域文化?！岸κ⒅性狈桨笧橹袠?biāo)方案。橋梁采用（95+20+95）m獨(dú)塔斜拉橋，橋梁全長(zhǎng)210 m，寬53 m。主塔造型上呈“鼎”的形態(tài)，由四根塔柱組成，橋面以上塔高約92 m；拉索采用空間雙索面輻射狀布置（見(jiàn)圖1）。

圖1　橋型效果圖及布置圖（單位：m）

2　結(jié)構(gòu)比選

2.1結(jié)構(gòu)體系比選

該橋?yàn)樗乃?dú)塔鋼箱梁斜拉橋，如采用塔梁墩固結(jié)的剛構(gòu)體系，下塔柱在整體溫度和地震作用下的受力不利，且固結(jié)處的構(gòu)造處理困難，施工難度大，不宜采用。墩塔固結(jié)、塔梁分離的漂浮體系的優(yōu)點(diǎn)是主跨滿載時(shí)，塔柱處的主梁無(wú)負(fù)彎矩峰值，但施工需臨時(shí)固定，解除固定時(shí)會(huì)縱向移動(dòng)，也不宜采用。塔墩固結(jié)、塔梁分離的半漂浮體系與全漂浮體系相比，在塔墩上設(shè)置豎向支承對(duì)結(jié)構(gòu)總體剛度和靜力反應(yīng)影響不大，僅對(duì)支座位置主梁局部彎矩有一定影響。綜合考慮結(jié)構(gòu)在汽車活載、風(fēng)荷載、溫度作用和地震作用下的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)采用三跨連續(xù)半飄浮體系。即主梁在近塔柱及橋臺(tái)處設(shè)置豎向支承，采用隔震球型支座；主梁和索塔之間：橫橋向設(shè)置側(cè)向限位支座，順橋向設(shè)黏滯阻尼器系統(tǒng)；橋臺(tái)設(shè)橫向抗震擋塊（見(jiàn)圖2）。

圖2　橋梁約束系統(tǒng)布置示意圖

2.2主梁結(jié)構(gòu)比選

橋梁橫斷面布置為：3.0 m（人行道）+7.0 m（非機(jī)動(dòng)車道）+5.0 m（索塔錨固區(qū)）+23 m（機(jī)動(dòng)車道）+ 5.0 m（索塔錨固區(qū)）+7.0 m（非機(jī)動(dòng)車道）+3.0 m（人行道）=53.0 m（見(jiàn)圖3）。近年來(lái)國(guó)內(nèi)斜拉橋工程實(shí)例表明：對(duì)于橋?qū)挻笥?0 m的主梁采用鋼箱梁或疊合梁。且橋面太寬主梁受力以橫向控制為主。而疊合梁的缺點(diǎn)是鋼混凝土結(jié)合面受力較為復(fù)雜，且混凝土橋面板的受拉開(kāi)裂問(wèn)題難以解決。通過(guò)景觀、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、受力性能、施工、養(yǎng)護(hù)、耐久性等多方面綜合考慮，該工程推薦采用大挑臂梁格體系鋼主梁方案。

圖3　主梁橫斷面圖

2.3主塔結(jié)構(gòu)比選

斜拉橋采用混凝土主塔和鋼主塔都很常見(jiàn)。但鋼塔的受壓穩(wěn)定性差；拉索錨固區(qū)構(gòu)造特別復(fù)雜；景觀限制了塔的外形尺寸導(dǎo)致鋼塔塔上張拉操作困難；鋼混結(jié)合段構(gòu)造措施復(fù)雜；塔高104 m導(dǎo)致吊裝和高空拼裝困難；后期養(yǎng)護(hù)困難且費(fèi)用高。經(jīng)過(guò)詳細(xì)經(jīng)濟(jì)性比較，混凝土塔建安費(fèi)：鋼塔建安費(fèi)=1：1.2。綜合上述因素，推薦混凝土塔。

2.4樁基結(jié)構(gòu)比選

由于該橋樁基承載力主要由樁周摩擦力提供，因此較小樁徑更有利于承載力的提供。但是該橋基礎(chǔ)規(guī)模較大，太小的樁徑施工周期加長(zhǎng)，且地震下最小軸力與最大彎矩工況難以滿足要求，故不宜采用太小樁徑。而樁徑太大，成樁難度大，且工程量增大。綜上所述，該橋樁基直徑推薦采用1.8 m（見(jiàn)表1）。

表1　主塔基礎(chǔ)鉆孔灌注樁樁徑比選表

3　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)計(jì)算，梁高為2.5 m、3 m、3.2 m的運(yùn)營(yíng)階段應(yīng)力分別為153 MPa、100 MPa、86 MPa，而相應(yīng)的材料用量比為0.983：1：1.011，所以綜合材料用量、應(yīng)力和景觀，采用3 m梁高。此外，閉合鋼箱的寬度分別取4.6 m、5.8 m、6.4 m進(jìn)行計(jì)算得到的運(yùn)營(yíng)階段應(yīng)力分別為129 MPa、100 MPa、87 MPa，而相應(yīng)的材料用量比為0.975：1：1.021，所以綜合材料用量和應(yīng)力，采用的5.8 m的鋼箱寬度。雙主梁之間設(shè)3 m一道橫梁連接，橋面板為正交異性鋼橋面板［1］；雙主梁外設(shè)3 m一道的大挑梁，人非通道區(qū)設(shè)置正交異性鋼橋面板，大挑梁設(shè)縱向腹板；索梁錨固區(qū)則采用中空網(wǎng)格布置，不設(shè)縱向連續(xù)的橋面板；在主梁兩端和橋塔側(cè)將底板貫通成為橫梁，即兩道端橫梁和兩道橋塔側(cè)橫梁為箱型斷面，箱室寬度分別為2.85 m和5 m。圖4為主梁平面圖。

圖4　主梁平面圖

橋面系采用U肋栓接橋面焊接的形式，鋪裝采用白色（纖維細(xì)石子混凝土）加黑色（瀝青混凝土）鋪裝［2］。

3.2主塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋塔分為下塔柱、中塔柱、上塔柱、頂塔柱，且長(zhǎng)度滿足景觀要求的黃金分割比例，在中塔柱和上塔柱交界，以及上塔柱和頂塔柱交界設(shè)了橫梁。在上塔柱索塔錨固區(qū)為平衡斜拉索的水平力設(shè)置了水平拉桿。所有塔柱的截面都與道路中心線成15°夾角。圖5為塔柱斷面圖。

圖5　塔柱斷面圖

由于塔柱尺寸小，只能考慮斜拉索穿過(guò)塔柱錨在塔柱的側(cè)面上。為保持塔柱外形一致可考慮兩種錨固形式，一種是將截面單側(cè)挖空0.9 m（可保持外形一致），斜拉索通過(guò)齒塊錨固在挖空的側(cè)面上；另一種是截面不挖空，斜拉索通過(guò)槽口錨固在截面的側(cè)面上。如果采用截面不挖空開(kāi)槽口的方法，則在塔側(cè)面上槽口的最大長(zhǎng)度約為1.6 m，同時(shí)需滿足千斤頂操作空間，對(duì)塔側(cè)面的削弱較大，因此采用挖空截面、齒塊錨固的方法。斜拉索最大索力約為600 t，在上塔柱上產(chǎn)生巨大的水平分力對(duì)塔柱是非常不利的，因此設(shè)置水平拉桿來(lái)平衡斜拉索的水平分力。水平拉桿采用鋼箱截面，內(nèi)置預(yù)應(yīng)力。在施工完橋塔后先張拉預(yù)應(yīng)力使得鋼箱截面受壓，成橋階段下斜拉索的水平分力作用使鋼箱梁截面壓力減?。ǖ３謮簯?yīng)力），鋼箱可以不伸入塔柱截面進(jìn)行受拉錨固，可避免鋼箱伸入塔柱混凝土割裂混凝土和主筋。此外預(yù)應(yīng)力鋼筋的管道需要避開(kāi)斜拉索的套筒。圖6為槽口、齒塊錨固及拉桿示意圖。

圖6　槽口、齒塊錨固及拉桿示意圖

3.3斜拉索設(shè)計(jì)

該橋采用平行鋼絲斜拉索。平行鋼絲斜拉索鋼絲標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 670 MPa，錨具采用冷鑄錨。斜拉索在梁上順橋向標(biāo)準(zhǔn)索距12 m，塔上豎向標(biāo)準(zhǔn)索距3.3 m/2.7 m，橫橋向設(shè)雙排拉索。每個(gè)塔柱共布置7根斜拉索，全橋共7×4=28根斜拉索，最大斜拉索長(zhǎng)度約112 m。斜拉索規(guī)格最小為PES7-187，最大為PES7-211。

4　結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1靜力計(jì)算

施工階段分為兩個(gè)階段：塔柱施工完畢，橫梁預(yù)應(yīng)力和拉桿預(yù)應(yīng)力均已張拉，此時(shí)主要考察拉桿應(yīng)力大小及上塔柱混凝土拉應(yīng)力是否超標(biāo)；成橋狀態(tài)，主要考察拉桿、主梁、塔柱應(yīng)力水平。橋塔施工完成后，拉桿預(yù)應(yīng)力已經(jīng)張拉，上塔柱承受彎矩作用，其截面拉應(yīng)力為0.97 MPa，整個(gè)混凝土塔（含橫梁）截面壓應(yīng)力最大為5.8 MPa。橋塔施工完成后，拉桿預(yù)應(yīng)力已經(jīng)張拉，拉桿鋼箱全截面受壓，壓應(yīng)力為17～96 MPa。成橋階段，上塔柱的截面拉應(yīng)力為0.91 MPa，整個(gè)混凝土塔（含橫梁）截面壓應(yīng)力最大為6.8 MPa。成橋階段，拉桿鋼箱全截面受壓，壓應(yīng)力為11～52 MPa。上述指標(biāo)都滿足要求。

運(yùn)營(yíng)階段，上塔柱的截面拉應(yīng)力為-1.03 MPa，整個(gè)混凝土塔（含橫梁）截面壓應(yīng)力最大為7.7 MPa。運(yùn)營(yíng)階段，拉桿鋼箱全截面受壓，壓應(yīng)力為4～61 MPa。斜拉索最小安全系數(shù)2.7，均大于2.5，滿足強(qiáng)度要求；在汽車及人群荷載作用下應(yīng)力幅最大值為159 MPa，小于200 MPa。運(yùn)營(yíng)階段，主梁應(yīng)力范圍為-64 MPa～100 MPa，主梁應(yīng)力水平較低。半跨布載（一期恒載+二期荷載+半跨布載）下的橋塔整體穩(wěn)定系數(shù)為31.2。取3 m橫梁做橫向計(jì)算，工字鋼橫梁根部最大應(yīng)力為140 MPa，車行道跨中最大應(yīng)力為141 MPa。上述指標(biāo)都滿足要求。圖7為運(yùn)營(yíng)階段主梁應(yīng)力圖。

圖7　運(yùn)營(yíng)階段主梁應(yīng)力圖（標(biāo)準(zhǔn)組合，單位：MPa，拉為正，壓為負(fù)）

4.2抗震計(jì)算

該橋第一階振型為縱漂，周期為2.795 s（見(jiàn)圖8）。對(duì)E1和E2設(shè)防水準(zhǔn)進(jìn)行反應(yīng)譜分析，并驗(yàn)算墩柱和樁基控制截面的抗震能力，驗(yàn)算結(jié)果表明在E1地震下各控制截面沒(méi)有進(jìn)入初始屈服狀態(tài)，E2地震下各控制截面沒(méi)有進(jìn)入等效屈服狀態(tài)，均滿足要求。

圖8　第一階振型圖示

4.3抗風(fēng)計(jì)算

根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D60-01—2004）6.3.1規(guī)定，顫振穩(wěn)定系數(shù)可按6.3.4規(guī)定，判斷顫振穩(wěn)定性及檢驗(yàn)。主橋成橋狀態(tài)顫振臨界風(fēng)速為248 m/s，遠(yuǎn)高于橋址處的顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，具有較高的抗風(fēng)安全性能（見(jiàn)表2）。

表2　成橋狀態(tài)顫振穩(wěn)定性檢驗(yàn)表

5　結(jié)　語(yǔ)

本文以鄭州市鄭東新區(qū)龍湖內(nèi)環(huán)路跨北引水渠橋?yàn)楸尘?，闡述了該橋初步設(shè)計(jì)的橋型方案，說(shuō)明了初設(shè)階段的總體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，給出了結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果。目前該橋正在施工，情況良好，為以后其他類似工程設(shè)計(jì)提供了參考。

［1］吳沖.現(xiàn)代鋼橋［M］.北京：人民交通出版社，2006.

［2］艾伏平，陶興，熊禮鵬.湖北隨縣烈山湖大橋主橋正交異性橋面板方案設(shè)計(jì)研究［J］.城市道橋與防洪，2013，（8）.

U442.5

B

1009-7716（2016）07-0140-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.041

2016-04-11

艾伏平（1969-）男，湖北仙桃人，碩士，高級(jí)工程師，從事橋梁工程設(shè)計(jì)工作。