吳嬌媚 杜建華

摘要：通過對(duì)地形地質(zhì)、通航、主跨跨徑、主梁剛度及施工工藝等建設(shè)條件與主要控制因素進(jìn)行分析，介紹了混合式疊合梁獨(dú)塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，同時(shí)通過建立有限元整體計(jì)算模型及局部計(jì)算模型，對(duì)該橋的整體受力及索塔錨固和索梁錨固等關(guān)鍵部位局部受力情況進(jìn)行分析，并提出該類型橋梁結(jié)構(gòu)需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

關(guān)鍵詞：混合式疊合梁；獨(dú)塔斜拉橋；鋼混結(jié)合段

中圖分類號(hào)：U422.5? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1674-0688（2023）02-0075-04

0 引言

山區(qū)地形地貌環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，山脈縱橫交錯(cuò)，海拔相差懸殊，特殊的條件使得高原山區(qū)公路橋梁施工具有技術(shù)復(fù)雜、施工難度大、材料設(shè)備運(yùn)輸困難、施工周期長等特點(diǎn)［1］。針對(duì)山區(qū)公路運(yùn)輸條件差，施工困難的特點(diǎn)，混合式疊合梁獨(dú)塔斜拉橋能發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)并有效解決上述技術(shù)難題?；旌象w系斜拉橋主跨采用鋼梁、疊合梁，具有自重輕、跨越能力大的特點(diǎn)，邊跨采用混凝土梁，對(duì)中跨具有良好的錨固作用，同時(shí)能減小活載應(yīng)力幅值，能避免邊跨產(chǎn)生負(fù)反力，解決了主邊跨跨徑不協(xié)調(diào)的問題；此外，主塔和邊跨混凝土可以同時(shí)施工，縮短了工期［2］。本文以復(fù)雜條件下索同坡大橋項(xiàng)目為例，并針對(duì)橋梁關(guān)鍵部位的建模進(jìn)行計(jì)算分析，可為在復(fù)雜環(huán)境下采用混合式疊合梁獨(dú)塔斜拉橋的方案提供參考，并為類似條件下采用此種橋型在整體布置和計(jì)算建模方面提供借鑒和指導(dǎo)意義。

1 工程概況

索同坡大橋位于國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，橋梁跨越黃河，位于水電站蓄水庫區(qū)，水深較深，兩側(cè)均與隧道相連。根據(jù)環(huán)評(píng)要求，路線只能從保護(hù)區(qū)試驗(yàn)區(qū)穿越，受線路的限制，該橋位處橋梁必須分幅設(shè)置且路線與河段只能斜交，橋梁軸線與洪水流向夾角約為47°，斜交角度較大。橋位區(qū)位于黃河河岸中低山河谷斜坡地段，地形縱向起伏大，局部呈陡坎狀、臺(tái)階狀，屬構(gòu)造剝蝕、沖刷堆積地貌區(qū)，附近地面相對(duì)高差大于330 m。橋位區(qū)位于水電站水庫區(qū)，正常蓄水期河床中心處水深最深處達(dá)64 m，橋位處橫、縱向水下地形呈雞爪形且起伏較大，單幅橋橫向地面線高差達(dá)37 m。

大橋兩端連接隧道，根據(jù)橋位處地形條件，橋梁按分幅設(shè)計(jì)，左幅橋跨布置為［2×30+（260+64+2×48）+4×30］m，橋梁全長609 m， 右幅橋跨布置為［2×30+（260+64+2×48）+6×30］ m，橋梁全長664 m。主橋?yàn)橹骺?60 m單塔雙索面混合式疊合梁斜拉橋，引橋?yàn)?0 m預(yù)制小箱梁。橋梁采用0.7%的單面縱坡，平面設(shè)計(jì)主橋位于直線段上，大樁號(hào)側(cè)引橋段位于大半徑平曲線上，橋型布置圖如圖1所示。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

道路等級(jí)：四車道高速公路；設(shè)計(jì)車速：80 km/h；橋面寬度：主橋?yàn)榇髽蚍址O(shè)置，單幅橋?qū)?6.35 m，橋面組成為1.8 m（索區(qū)和檢修道）+0.5 m（防撞護(hù)欄）+11.75 m（車行道）+0.5 m（防撞護(hù)欄）+ 1.8 m（索區(qū)和檢修道）=16.35 m ；設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期： 100年；通航等級(jí)： IV 級(jí)航道，單孔雙向通航。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單幅主橋?yàn)椋?60+64+2×48）m 單塔雙索面混合式疊合梁斜拉橋，斜拉索扇形布置，疊合梁上標(biāo)準(zhǔn)索距為12.0 m，混凝土梁上標(biāo)準(zhǔn)索距為6.0 m，塔上索距為2.05～4.65 m。索塔采用鉆石形索塔，群樁基礎(chǔ)，索塔總高167 m，空心箱形斷面，輔助墩采用整體式空心花瓶墩。

3.1 主梁

3.1.1 疊合梁主梁

疊合梁主梁采用高為2.6 m 的“工”字形鋼主梁和0.28 m厚的橋面板組合形式，“工”字形梁的上、下翼緣板寬度為1 200～1 400 mm?？紤]到橋面吊機(jī)的吊裝能力、施工工期，并結(jié)合施工方案對(duì)疊合梁段進(jìn)行劃分，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長12.0 m。鋼主梁標(biāo)準(zhǔn)橫梁間距為4.0 m，上、下翼緣板寬度為600 mm，其中上、下翼緣板厚度均為24 mm，腹板厚度為16 mm，在橫梁腹板的縱、橫向設(shè)有加勁肋。橋梁橫向跨中設(shè)置一道小縱梁，小縱梁高度為400 mm，小縱梁上翼緣板寬600 mm、厚20 mm，下翼緣板寬300 mm、厚12 mm，腹板厚16 mm。疊合梁斷面如圖2所示。

3.1.2 混凝土梁主梁

混凝土主梁采用C55混凝土，搭設(shè)鋼管支架現(xiàn)澆施工?；炷林髁簶?biāo)準(zhǔn)斷面采用與疊合梁相匹配的“π”形斷面，梁肋寬2.4～3.0 m，橋梁中心線處梁高2.9 m，全寬16.35 m，橋面板厚0.32 m，按縱向受力的單向板設(shè)計(jì)。主梁每個(gè)拉索區(qū)設(shè)置一道普通橫隔板，普通橫隔板間距為6 m，厚度為0.5 m?；炷亮簲嗝嫒鐖D3所示。為保證正常運(yùn)營狀態(tài)下，輔助墩和過渡墩的支座不出現(xiàn)上拔力，在輔助墩頂21 m范圍內(nèi)采用箱形斷面，并填充鐵砂混凝土進(jìn)行壓重。

3.1.3 鋼混結(jié)合段

主梁鋼混結(jié)合段設(shè)置在邊跨側(cè)距離主墩5.0 m處，采用鋼主梁埋入混凝土梁內(nèi)部方式，并鋼板上焊接剪力釘，增強(qiáng)鋼與混凝土的整體性。主梁鋼混結(jié)合段長度為5.0 m，其中鋼主梁加強(qiáng)段為2.0 m，埋入混凝土橫梁長度為3.0 m，在混凝土橫梁內(nèi)通過鋼板、預(yù)應(yīng)力、剪力釘和PBL剪力鍵與混凝土梁黏結(jié)，同時(shí)混凝土主梁的預(yù)應(yīng)力鋼絞線一端錨固于鋼主梁56 mm厚的承壓板，保證與鋼混接觸面受壓。鋼混結(jié)合段構(gòu)造如圖4所示。

3.2 索塔及基礎(chǔ)

索塔采用鉆石形，包括上塔柱、中塔柱、下塔柱和下橫梁，采用C50混凝土。索塔含塔座總高167 m，其中上塔柱高67.872 m，中塔柱高60.128 m，下塔柱高37.000 m，塔底座高2 m。索塔在橋面以上高度約123.6 m，高跨比約0.475，塔底左右塔柱中心間距為11.5 m。

塔柱采用空心箱形斷面，上塔柱為對(duì)稱單箱單室，尺寸由7.00 m×6.00 m變化為7.00 m×10.73 m，塔壁厚度為1.20 m，中間設(shè)置拉索錨固齒塊，采用19Фs15.2規(guī)格的環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絞線束錨固；中、下塔柱為不對(duì)稱的單箱單室斷面，中塔柱尺寸由7.00 m×4.50 m變化為8.92 m×4.50 m，塔壁厚1.0 m；下塔柱尺寸由8.92 m×7.50 m變化為10.00 m×7.50 m，塔壁厚1.20 m。由于塔柱受力較為復(fù)雜，因此在橫梁處、人洞及塔柱交匯處等受力較大的區(qū)段設(shè)置加厚段，下塔柱底部設(shè)5 m的實(shí)心段，索塔基礎(chǔ)采用高樁承臺(tái)，橋梁建成后，為防止橋墩樁基受水流沖刷引起橋梁安全事故，設(shè)計(jì)采用拋石防護(hù)。

3.3 斜拉索

斜拉索采用1 770 MPa的平行鋼絲斜拉索，雙索面平行布置，斜拉索在疊合梁上標(biāo)準(zhǔn)索距為12.0 m，混凝土梁上標(biāo)準(zhǔn)索距為6.0 m，在索塔上的間距約7.0 m，每個(gè)索面共4對(duì)斜拉索，全橋共16根，最長275.2 m，斜拉索采用外置黏性剪切阻尼器擬制風(fēng)雨振，斜拉索外層護(hù)套表面加工成規(guī)則排列的花紋，提高表面粗糙度，能有效地破壞拉索表面水路的形成，同時(shí)不會(huì)提高拉索自身的風(fēng)阻系數(shù)。

3.4 支承體系

（1）豎向約束：過渡墩、輔助墩及主塔下橫梁處均設(shè)置2個(gè)具有豎向抗拉功能的摩擦擺支座。

（2）縱向約束：過渡墩和輔助墩處支座為縱向活動(dòng)摩擦擺支座；主塔橫梁處設(shè)置縱向限位的固定摩擦擺支座，約束主梁縱向靜力位移；為減小地震作用下下部結(jié)構(gòu)和樁基的受力，主塔橫梁處的縱向固定摩擦擺支座為可剪斷型，同時(shí)設(shè)置4個(gè)黏滯阻尼器。

（3）橫向約束：主塔過渡墩、輔助墩及主塔下橫梁處支座為橫向限位的固定摩擦擺支座，約束主梁橫向靜力位移。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

4.1 主梁結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

本橋結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算分析通過建立三維有限元模型按橋梁的實(shí)際施工過程進(jìn)行模擬，對(duì)各施工及運(yùn)營階段的主梁、主塔、拉索、墩構(gòu)件等進(jìn)行受力分析和驗(yàn)算。斜拉索采用空間索單元，主梁和拉索采用魚骨形連接，主梁、主塔、橋墩和樁基均采用空間梁單元。

采用邊跨混凝土現(xiàn)澆施工和鋼梁掛籃施工方式進(jìn)行施工，計(jì)算時(shí)根據(jù)橋梁的實(shí)際施工過程分節(jié)段進(jìn)行，應(yīng)注意經(jīng)歷的多次體系轉(zhuǎn)換，如疊合梁拼裝施工、邊跨合攏和中跨合攏的轉(zhuǎn)換。計(jì)算結(jié)果顯示主梁結(jié)構(gòu)在施工期間和運(yùn)營階段最不利荷載組合下，鋼主梁截面上緣最大壓應(yīng)力為178.6 MPa，最大拉應(yīng)力為181.8 MPa，疊合梁橋面板、混凝土主梁最大壓應(yīng)力為12.9 MPa、13.5 MPa，均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

4.2 索塔錨固區(qū)計(jì)算分析

斜拉索通過錨固齒塊錨固于上塔柱內(nèi)壁上，為平衡斜拉索的水平分力，在上塔柱斜拉索錨固區(qū)配置了19Фs15.2規(guī)格的環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絞線束。環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束曲率半徑很小，預(yù)應(yīng)力管道采用塑料波紋管成型并采用真空吸（壓）漿工藝，為防止混凝土崩裂，彎曲鋼束沿徑向設(shè)置防劈鋼筋［3］。環(huán)向預(yù)應(yīng)力布置時(shí)，考慮到拉索導(dǎo)管開孔的影響以及預(yù)應(yīng)力錨頭局部承壓要求，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)階段間布置6根，采用在順橋向塔璧外單端張拉的方式施工。

局部計(jì)算結(jié)果顯示，除模型頂?shù)走吔绾鸵恍┚植繎?yīng)力集中區(qū)域外，法向應(yīng)力在預(yù)應(yīng)力階段為4～9 MPa，在運(yùn)營最大索力階段為3～7 MPa，塔壁法向正應(yīng)力滿足要求，主壓應(yīng)力在預(yù)應(yīng)力階段和運(yùn)營最大索力階段最大為12 MPa，主拉應(yīng)力最大為1.8 MPa，塔壁主拉、壓應(yīng)力均能滿足要求。

4.3 索梁鋼固區(qū)計(jì)算分析

拉索在疊合梁上的錨固方式為錨箱式，錨箱安裝在主梁腹板外側(cè)，并與其焊成一體。斜拉索拉力通過錨箱的2個(gè)錨固板作為剪應(yīng)力傳遞給主梁腹板，主梁腹板和承壓板內(nèi)側(cè)設(shè)補(bǔ)強(qiáng)板，以利于錨固處的應(yīng)力合理分散到主梁上，為使承壓板的壓彎曲較小，要增大承壓板及其墊板厚度，將承壓板做成四邊支承的構(gòu)造［4］。

采用通用有限元軟件，以疊合梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段為研究對(duì)象，建立其空間單元模型，選取錨箱附近的應(yīng)力集中較大的板件進(jìn)行分析，包括“工”字鋼縱梁腹板、“工”字鋼縱梁腹板加勁肋、“工”字鋼橫梁、鋼錨箱承壓板、鋼錨箱支承板和加勁板。分析結(jié)構(gòu)顯示，標(biāo)準(zhǔn)組合下，鋼錨箱承壓板局部最大等效應(yīng)力為156 MPa，鋼錨箱支撐板和加勁板的局部最大等效應(yīng)力為183 MPa，均滿足要求，應(yīng)力分布如圖5所示。

根據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn)，主要存在以下關(guān)鍵性問題，為了解決建設(shè)、施工及運(yùn)營期間的技術(shù)難題，仍需要展開以下試驗(yàn)研究。

（1）風(fēng)荷載對(duì)大橋的影響。大橋?yàn)榉址崩瓨颍瑯蛎鎸挾容^窄，僅有16.35 m，同時(shí)主梁為開口截面，扭轉(zhuǎn)基頻較低，根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，該橋的顫振穩(wěn)定性指數(shù)If＞4.0，因此需開展主梁的氣動(dòng)選型，并通過節(jié)段模型試驗(yàn)、全橋模型試驗(yàn)對(duì)大橋施工階段和運(yùn)營階段進(jìn)行詳細(xì)的顫振穩(wěn)定性分析和檢驗(yàn)。

（2）主梁鋼混接頭研究。“工”字鋼疊合梁與“π”形混凝土的鋼混結(jié)合段這種接頭形式，其構(gòu)造設(shè)計(jì)、力學(xué)行為、承載能力等具有一定的特殊性和復(fù)雜性，它必須滿足結(jié)構(gòu)傳力的需要，具有足夠承載能力和抗疲勞性能，因此需要從理論分析和模型試驗(yàn)兩個(gè)方面加以研究。

（3）強(qiáng)震作用下深水基礎(chǔ)耦合效應(yīng)研究。橋位水域?qū)匐娬舅畮靺^(qū)域，橋梁基礎(chǔ)最大水深為37 m。在地震作用下，水與結(jié)構(gòu)產(chǎn)生耦合動(dòng)力作用，形成流固耦合振動(dòng)效應(yīng)。水中結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)會(huì)引起結(jié)構(gòu)周圍水體的輻射波浪運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)與水的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，水會(huì)在結(jié)構(gòu)水下部分作用動(dòng)水壓力。該動(dòng)水壓力不僅會(huì)改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，還會(huì)影響結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。因此，為了滿足大橋抗震性能，需要對(duì)大橋進(jìn)行流固耦合效應(yīng)下的抗震研究。

6 結(jié)語

綜上所述，雖然混合式疊合梁獨(dú)塔斜拉橋需要對(duì)風(fēng)荷載、主梁鋼混接頭、強(qiáng)震作用等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行針對(duì)性的研究，但是就索同坡大橋而言，通過對(duì)大橋的主梁、索塔錨固區(qū)、索梁鋼固區(qū)的建模計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。該橋型能在山區(qū)地形地貌復(fù)雜、技術(shù)復(fù)雜、施工難度大等技術(shù)難題面前提供一個(gè)很好的解決方案和橋型的備選方案。

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