裴 濤，李群朋，杜英輝，劉慕清

（1.唐山曹妃甸發(fā)展投資集團(tuán)有限公司，河北 唐 山 0 63200；2.華夏幸?；鶚I(yè)股份有限公司，河北 唐 山 0 63000；3.唐山曹妃甸筑城工程管理有限公司，河北 唐 山 0 63200；4.建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京市 1 00007）

雙斜塔斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

裴 濤1，李群朋2，杜英輝3，劉慕清4

（1.唐山曹妃甸發(fā)展投資集團(tuán)有限公司，河北 唐 山 0 63200；2.華夏幸?；鶚I(yè)股份有限公司，河北 唐 山 0 63000；3.唐山曹妃甸筑城工程管理有限公司，河北 唐 山 0 63200；4.建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京市 1 00007）

曹妃甸2#橋采用“高低塔無(wú)背索斜拉橋”這一獨(dú)特的結(jié)構(gòu)型式，跨徑組合為166 m+104 m。充分分析其結(jié)構(gòu)行為特征，對(duì)結(jié)構(gòu)體系和主要受力構(gòu)件進(jìn)行詳盡的設(shè)計(jì)處理，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)受力與景觀要求的有效統(tǒng)一，為今后同類(lèi)橋梁的設(shè)計(jì)、施工提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

景觀橋梁；橋梁美學(xué)；混合梁；斜塔斜拉橋；高低塔斜拉橋；無(wú)背索斜拉橋

0 引 言

曹妃甸工業(yè)區(qū)2＃路南起鋼廠北路，北至北環(huán)路，全長(zhǎng)約11 km。2＃橋工程即為2＃路跨納潮河段，位于工業(yè)區(qū)中部，是連接納潮河南北兩岸的重要交通通道。

經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)體系的比選、優(yōu)化以及與業(yè)主和景觀專(zhuān)業(yè)的協(xié)調(diào)溝通，確定主橋采用高低塔無(wú)背索斜拉橋，墩、塔、梁固結(jié)體系，跨徑布置為166 m+ 104 m。高、低塔順橋向成V形，夾角69°，橫橋向均為A形塔，采用鋼筋混凝土矩形箱形結(jié)構(gòu)，其中高塔塔高134.03 m，低塔塔高97.82 m。主梁梁高4.0 m，根據(jù)受力需要采用混合梁形式，其中在兩塔柱附近56 m采用預(yù)應(yīng)力混凝土斷面，其余主梁（主跨138 m，邊跨76 m）均采用鋼箱梁斷面。主橋主跨設(shè)置11對(duì)斜拉索，采用單索面布置；邊跨設(shè)置6對(duì)斜拉索，采用雙索面布置。大橋基礎(chǔ)采用混凝土承臺(tái)+鉆孔灌注樁形式。

高低塔無(wú)背索斜拉橋的設(shè)計(jì)具有較大的創(chuàng)新和突破，達(dá)到同類(lèi)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先水平，為今后同類(lèi)橋梁的設(shè)計(jì)、施工提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

本橋位于納潮河及兩岸，納潮河河寬1 000 m，呈倒梯形，最深18.93 m，河岸原為淺海，現(xiàn)已填海造地，地形起伏大，海拔標(biāo)高-18.93～2.97m，相對(duì)高差21.90 m；橋位處地震加速度為0.2 g，Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地；橋位處地震動(dòng)峰值加速度0.15 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.4 s；場(chǎng)地樁基主要持力層為粉質(zhì)黏土、粉土、軟粉質(zhì)黏土、軟粉土和粉細(xì)砂，局部為黏土和淤泥質(zhì)土。橋梁全寬48.2 m，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(jì)為低塔無(wú)背索斜拉橋，墩、塔、梁固結(jié)體系，跨徑布置為166 m+104 m，如圖1所示。

圖1 橋梁整體布置圖（單位：cm）

2 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

常規(guī)無(wú)背索斜拉橋?qū)で笾魉亓颗c通過(guò)斜拉索傳遞過(guò)來(lái)的主梁重量（包括二期恒載）在塔根部彎矩接近于零。本橋拉索集中錨固于塔上端，索力作用點(diǎn)與塔重心有30 m左右的距離，從而造成需要更大的塔重來(lái)平衡索力，同時(shí)橋塔重量還在無(wú)索區(qū)處形成附加彎矩。因此本設(shè)計(jì)提出部分斜拉橋的概念，即主梁承擔(dān)部分荷載以彌補(bǔ)塔因景觀要求尺寸增大有限的不足。

2.1 結(jié)構(gòu)體系的選擇

對(duì)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4種，先將這4種支承體系的優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件比較如下，見(jiàn)表1。

表1 結(jié)構(gòu)體系比較

本方案結(jié)構(gòu)體系采用全漂浮受力體系時(shí)，主梁無(wú)明顯的負(fù)彎矩峰值，且可有效降低主塔在地震荷載下的受力；但由于拉索布置受凈空限制，使得高低塔附近主梁無(wú)索區(qū)范圍較大（70 m）且主塔兩側(cè)水平力無(wú)法平衡，受力明顯不合理。若采用支撐體系，主梁為具有多點(diǎn)彈性支撐的連續(xù)梁，較經(jīng)濟(jì)、美觀。此種體系的缺點(diǎn)是，兩跨滿(mǎn)載時(shí)，塔柱處主梁負(fù)彎矩峰值較大，且由于塔柱兩側(cè)拉索水平力不平衡，需在主梁與塔柱橫梁間設(shè)置止推裝置。若采用塔梁固結(jié)、墩梁分離體系，可有效降低塔墩彎矩，但整體剛度較小，且主塔處支座墩位巨大，支座的設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)及后期更換難度太大，因此不宜采用。若采用塔、梁、墩互為固結(jié)體系，形成跨度內(nèi)具有多點(diǎn)彈性支撐的剛構(gòu)，此種體系的優(yōu)點(diǎn)是既免除了大型支座，又可滿(mǎn)足懸臂施工的穩(wěn)定要求，結(jié)構(gòu)的整體剛度好，主梁撓度小。

2.2 主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無(wú)背索斜拉橋受力特性為依靠主塔重量來(lái)平衡通過(guò)斜拉索傳遞過(guò)來(lái)的橋面系重量，因此主梁應(yīng)追求輕型化，以減小橋塔尺寸。本方案主梁考慮到墩、塔、梁固結(jié)需要，同時(shí)也考慮鋼混結(jié)合段盡量位于主梁彎矩較小區(qū)域，因此在兩塔柱附近56 m采用預(yù)應(yīng)力混凝土斷面，其余主梁（主跨138 m，邊跨76 m）均采用鋼箱梁斷面。

從表2看，邊跨采用混凝土主梁相對(duì)于采用鋼主梁主塔根部彎矩大大增加，因此除了為方便墩、塔、梁固結(jié)需要，兩塔柱附近56 m采用C50現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土主梁，其余主梁（主跨138 m，邊跨76 m）均采用Q345qD鋼材預(yù)制箱梁。

表2 邊跨主梁材料不同時(shí)主塔內(nèi)力比較表

單索面斜拉橋鋼主梁可采用全焊鋼箱梁斷面、單箱大懸臂斷面（脊骨架結(jié)構(gòu)）。雙索面斜拉橋鋼主梁可采用雙主梁斷面、全焊鋼箱梁斷面。單從材料本身發(fā)揮效率出發(fā)，單索面斜拉橋應(yīng)采用單箱大懸臂斷面，雙索面斜拉橋應(yīng)采用雙主梁斷面。但是本橋主跨為單索面體系，邊跨為雙索面體系，若主跨采用單箱大懸臂斷面，邊跨采用雙主梁斷面，兩側(cè)拉索產(chǎn)生的軸力在主塔處混凝土梁段都存在不均勻傳遞問(wèn)題，使得混凝土梁段受力不利。同時(shí)采用不同形式的鋼主梁斷面增加了鋼箱梁制作的難度、鋼主梁施工的復(fù)雜性，還造成鋼混過(guò)渡段受力不明確，而且還影響了主梁的美觀。因此主跨、邊跨主梁設(shè)計(jì)為全焊鋼箱梁斷面，采用Q345qC鋼材。由于全橋?qū)?8 m，梁高受橫向受力控制，中心處梁高4 m?；炷林髁和庑闻c鋼箱梁保持一致，設(shè)計(jì)為單箱十室斷面，采用C50混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑，如圖2所示。

2.3 鋼混凝土結(jié)合段設(shè)計(jì)

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(kāi)孔，鋼筋通過(guò)以形成PBL剪力鍵，鋼箱梁過(guò)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(lái)傳遞，PBL剪力鍵在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有了很多工程實(shí)例，如日本鶴見(jiàn)航道橋、廣東佛山平勝大橋、南京長(zhǎng)江第三大橋等。鋼混凝土結(jié)合段構(gòu)造如圖3所示。

2.4 主塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(guò)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是：

圖2 斷面圖

圖3 鋼混凝土結(jié)合段構(gòu)造圖

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

（2）由于拉索及橋塔均為空間構(gòu)件，其布置需滿(mǎn)足行車(chē)道及人行道凈寬及凈空的要求。

（3）上塔柱截面設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)受力的要求，同時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足斜拉索錨固的構(gòu)造要求。

主塔線形及斷面示意圖如圖4所示。

圖4 主塔線形及斷面示意圖

塔傾角的選取主要考慮材料用量、施工及景觀3個(gè)方面。從材料數(shù)量來(lái)看，在索力及索傾角選定的情況下，索塔的材料數(shù)量直接取決于塔的傾角。設(shè)計(jì)對(duì)塔的傾角進(jìn)行了70°、65°、60°3種角度下的材料數(shù)量進(jìn)行了比較，其用量比值為1.7∶1.3∶1。也就是說(shuō)塔的傾角越大材料用量越少。但從施工方面來(lái)看，若用過(guò)大的傾角，對(duì)于本橋的具體施工條件，必然導(dǎo)致施工難度的增加。從景觀上看，傾角過(guò)大給人以不穩(wěn)定感。因此綜合考慮，本橋高塔塔柱順橋向傾角58°，低塔柱順橋向傾角53°。

本方案高塔塔高134.03 m（橋面上塔高111.63 m，橋面下塔高22.40 m），低塔塔高99.23 m（橋面上塔高76.83 m，橋面下塔高22.40 m）。針對(duì)高塔根部尺寸12 m×6 m、端部尺寸7 m×6 m和根部尺寸10 m× 5 m、端部尺寸6 m×5m進(jìn)行了計(jì)算，前者主梁活載撓度16 cm，后者主梁活載撓度18 cm，相對(duì)而言單純提高主塔尺寸對(duì)主梁整體剛度提高不明顯，且大大增加了自重。因此，高塔與低塔根部固結(jié)處高塔單支柱的順橋向?qū)挾葹?0.0 m線性變化到端部6 m，低塔與高塔根部固結(jié)處低塔單支柱的順橋向?qū)挾葹?.0 m線性變化到端部5 m。高塔與低塔根部固結(jié)處橫橋向距離65 m，橋面以下部分橫橋向?qū)挾扔筛?m變化到墩頂5 m，橋面以上橫橋向?qū)挾葹? m（考慮到主塔爬模施工）。

3 結(jié)語(yǔ)

曹妃甸2#大橋在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)努力將橋梁結(jié)構(gòu)與建筑藝術(shù)相結(jié)合，因此采用了高低塔無(wú)背索斜拉橋結(jié)構(gòu)型式，其主要特點(diǎn)如下：

（1）對(duì)于橋面較寬、兩側(cè)不等跨徑、梁體無(wú)索區(qū)較長(zhǎng)的斜塔斜拉橋，剛構(gòu)體系是較好的選擇。

（2）本工程根據(jù)主塔受力特點(diǎn)，高低塔之間采用混凝土箱梁，其余部位采用鋼主梁，使得結(jié)構(gòu)受力合理，工程經(jīng)濟(jì)性好。

（3）本設(shè)計(jì)提出部分斜拉橋的概念，即主梁承擔(dān)部分荷載以彌補(bǔ)塔因景觀要求尺寸增大有限的不足是無(wú)背索斜拉橋設(shè)計(jì)的嘗試。

（4）本橋采用高低塔無(wú)背索空間斜拉橋，是橋梁結(jié)構(gòu)與橋梁美學(xué)結(jié)合的有效嘗試。

（5）橋梁為空間拉索受力結(jié)構(gòu)，限于篇幅，單獨(dú)成文分析。

經(jīng)過(guò)計(jì)算與分析，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。

[1]林元培.斜拉橋[M].北京：人民交通出版社，1994.

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U448.27

B

1009-7716（2017）01-0058-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.016

2016-10-08

裴濤（1981-），男，河北唐山人，高級(jí)工程師，從事工程管理工作。