夏 至

(江蘇中設(shè)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000)

1 概述

隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展，城市橋梁景觀造型越來(lái)越被重視。一座景觀好的橋梁往往成為當(dāng)?shù)氐臉?biāo)志性建筑。斜拉橋橋塔為高聳結(jié)構(gòu)，景觀效果較好，常作為城市景觀橋梁的橋型選擇。本項(xiàng)目橋梁跨越某景觀湖，因通航及防洪需要采用兩孔150 m左右跨徑布置。該景觀湖環(huán)保要求較好，且工期緊張，擬采用鋼梁鋼塔斜拉橋加快施工速度。經(jīng)橋型初步計(jì)算分析，橫梁控制橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有條件改變拉索布置形式加強(qiáng)景觀效果。綜合各建設(shè)條件，設(shè)計(jì)采用獨(dú)塔扭索面斜拉橋方案。

2 總體設(shè)計(jì)

大橋橋梁全長(zhǎng)518.06 m，主橋采用(30+151+151+30)m獨(dú)塔雙索面斜拉橋(見(jiàn)圖1，圖2)，南北側(cè)各設(shè)置1個(gè)輔助墩及1個(gè)過(guò)渡墩；標(biāo)準(zhǔn)段橋梁全寬38.5 m，橋塔處橋梁全寬45.0 m。

上部結(jié)構(gòu)采用半封閉鋼箱梁、A字形橋塔、空間扭索面斜拉橋。主梁采用雙邊鋼箱梁；橋塔采用A字形橋塔，總高108.28 m，橋面以上主塔采用鋼塔結(jié)構(gòu)，下塔柱采用混凝土結(jié)構(gòu)。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用板式墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

主梁采用半封閉雙邊鋼箱截面，中心線處高度3.35 m，標(biāo)準(zhǔn)斷面寬度38.5 m。邊箱頂寬6.85 m，底寬7.107 m；懸臂長(zhǎng)度6.95 m；兩箱室間凈距10.9 m。輔助墩處設(shè)置兩個(gè)支座，支座間距為15.25 m；過(guò)渡墩處設(shè)置兩個(gè)支座，支座間距為18.2 m。標(biāo)準(zhǔn)斷面頂板厚度16 mm，底板厚度16 mm，邊腹板30 mm，中腹板16 mm；輔助墩負(fù)彎矩區(qū)頂?shù)装寰植考雍裰?0 mm。

橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距3 m，均采用實(shí)腹式隔板。拉索區(qū)橫隔板厚度采用16 mm；支點(diǎn)橫隔板采用30 mm。繞塔處采用加高U型縱梁的方式傳遞局部繞塔區(qū)荷載。

設(shè)計(jì)采用通用有限元程序模擬橋梁施工過(guò)程及使用期受力(模型見(jiàn)圖3)，考慮的設(shè)計(jì)荷載有：自重、二期恒載、汽車(chē)荷載(城—A級(jí))、人群荷載、風(fēng)荷載、體系升降溫(升溫40 ℃，降溫-20 ℃)、索梁溫差(±15 ℃)、截面非線性溫差(參考BS5400)、支座不均勻沉降。

橋塔基底采用一般支撐，過(guò)渡墩和輔助墩采用雙排支座模擬，全橋?yàn)槠◇w系，索梁錨固及索塔錨固均采用剛性連接。

梁體考慮彎矩剪力滯效應(yīng)，計(jì)算梁體有效寬度折減系數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 梁體有效寬度計(jì)算表

第一體系(主梁體系)工況下，考慮主梁有效寬度系數(shù)、局部穩(wěn)定系數(shù)。主梁應(yīng)力見(jiàn)圖4，上緣最大拉應(yīng)力為73.2 MPa；主梁構(gòu)件上緣最大壓應(yīng)力為72.1 MPa。主梁構(gòu)件下緣最大拉應(yīng)力為77.5 MPa；主梁構(gòu)件下緣最大壓應(yīng)力為98.8 MPa。

總體計(jì)算考慮橋面系二體系應(yīng)力，建立局部模型(如圖5所示)分析橋面板應(yīng)力,橋面板及橫隔板均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。在橫隔板與鋼箱梁腹板相交處建立一般支撐，橫隔板縱向間距為3 m。建模過(guò)程中主要考慮結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、汽車(chē)荷載及人群荷載。

基本組合作用下，橋面板上緣最大拉應(yīng)力為28.7 MPa；橋面板上緣最大壓應(yīng)力為23.9 MPa?；窘M合作用下，橋面板下緣最大拉應(yīng)力為63.2 MPa；橋面板下緣最大壓應(yīng)力為88.1 MPa。第二體系應(yīng)力與主橋總體模型主梁上緣應(yīng)力疊加，得到橋面板最大拉應(yīng)力為104.7 MPa，最大壓應(yīng)力為169.0 MPa。

3 橋塔設(shè)計(jì)

索塔橫橋向?yàn)椤癆”字形，總高108.28 m，其中下塔柱為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，高13.5 m；中塔柱和上塔柱為鋼結(jié)構(gòu)。塔柱特征截面為八邊形截面，塔底處，特征截面橫橋向尺寸6.0 m，13.5 m高度及以上部分橫橋向尺寸均為4.0 m；塔底截面處順橋向?yàn)?2.0 m，塔頂處為5.5 m。

鋼結(jié)構(gòu)中塔柱和上塔柱由外壁板、內(nèi)壁板、側(cè)壁板、中腹板和兩道邊腹板組成(見(jiàn)圖6)，板厚均為40 mm。在塔頂拉索錨固區(qū)范圍內(nèi)，中腹板上開(kāi)設(shè)1.35 m寬度的孔，供錨梁安裝和斜拉索安裝用。壁板及腹板加勁肋均采用360 mm×36 mm，加勁肋沿塔壁內(nèi)表面均分布置，但在拉索錨固范圍內(nèi)，加勁肋布置根據(jù)錨固構(gòu)造的位置進(jìn)行局部調(diào)整。中塔柱錨固區(qū)水平設(shè)置橫隔板，橫隔板板厚20 mm，間距2.5 m。下塔柱非錨固區(qū)每3.0 m垂直橋塔軸線設(shè)置一道隔板，橫隔板板厚20 mm，橫隔板間設(shè)置一道橫隔肋，橫隔肋板厚20 mm。

在混凝土下塔柱頂面5.5 m范圍內(nèi)設(shè)置鋼混凝土結(jié)合段(見(jiàn)圖7)。鋼塔柱與混凝土下塔柱間采用雙層端板承壓的方式進(jìn)行連接。鋼塔柱與混凝土塔柱間設(shè)置鋼混凝土結(jié)合段，主要傳力機(jī)理為雙端板承壓的傳力方式，同時(shí)為保證鋼結(jié)構(gòu)與混凝土的結(jié)合，采用PBL鋼筋與剪力釘組合的鋼混凝土結(jié)合方式。為保證鋼混凝土結(jié)合段傳力順暢，在鋼混凝土結(jié)合面以上6 m處開(kāi)始增設(shè)兩道腹板，腹板由加勁肋逐漸增高形成，并如中腹板埋入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)。

鋼混結(jié)合段受力復(fù)雜，為檢驗(yàn)鋼混結(jié)合段的受力機(jī)理，采用數(shù)值模擬鋼混結(jié)合段受力后優(yōu)化構(gòu)造設(shè)計(jì)(如圖8所示)。

橋塔鋼混結(jié)合段軸力主要由承壓板承擔(dān)，傳力比例為56%，焊釘連接件承擔(dān)約24.4%的軸力，開(kāi)孔板連接件承擔(dān)約22.8%的軸力。

4 錨固節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化

1)梁上錨固構(gòu)造。

拉索與主梁采用錨箱式錨固，錨箱安裝在主梁邊腹板外側(cè)，并與其焊成一體。斜拉索拉力通過(guò)錨箱的兩個(gè)錨固板傳遞給主梁腹板，主梁腹板和承壓板內(nèi)側(cè)均設(shè)置了補(bǔ)強(qiáng)板，以利于錨固處的應(yīng)力合理分散到主梁上(模型見(jiàn)圖9)。

錨板件應(yīng)力均小于100 MPa；剪力板上端部與主梁側(cè)板相接點(diǎn)出現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用在箱內(nèi)對(duì)應(yīng)位置增設(shè)局部加勁板；箱梁箱內(nèi)加勁板應(yīng)力范圍在50 MPa～90 MPa。

2)塔上錨梁構(gòu)造。

塔柱錨固區(qū)對(duì)應(yīng)位置布置16對(duì)拉索錨固構(gòu)造以錨固32對(duì)斜拉索。錨固構(gòu)造的兩端焊接在邊腹板上，并穿過(guò)中腹板(模型見(jiàn)圖10)。

塔上錨梁受力均衡，錨板最大應(yīng)力56 MPa；錨梁與塔壁板相接位置應(yīng)力約25 MPa。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了某扭索面獨(dú)塔斜拉橋的設(shè)計(jì)，敘述了橋梁的總體設(shè)計(jì)并進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)橋塔鋼混結(jié)合段、梁上錨固區(qū)、塔上錨固區(qū)進(jìn)行受力分析并優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)本文的介紹，為扭索面獨(dú)塔斜拉橋的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)參考。