黃 華

（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

0 引 言

部分斜拉橋是結(jié)構(gòu)特性介于大跨梁式橋和斜拉橋之間的一種組合結(jié)構(gòu)形式。現(xiàn)今普遍認(rèn)為在跨徑100 ～300 m 之間，部分斜拉橋與相同跨徑的其他橋型相比，具有出色的結(jié)構(gòu)性能、良好的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及優(yōu)美的橋梁造型等優(yōu)勢(shì)，在公路、鐵路及市政橋梁的選型中有著極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

近年來(lái)，部分斜拉橋發(fā)展迅速，在國(guó)內(nèi)外實(shí)際工程中得到了廣泛的應(yīng)用，但統(tǒng)計(jì)表明修建的大多為直線橋，曲線尤其是小半徑曲線部分斜拉橋則相當(dāng)少見(jiàn)。國(guó)內(nèi)比較有代表性的曲線部分斜拉橋如貴州龍井河大橋，該橋?yàn)槲覈?guó)第一座曲線部分斜拉橋，主橋橋跨布置為86 m+160 m+86 m，雙排單索面形式，主橋平面位于半徑852.75 m 的圓曲線上[1]。

曲線部分斜拉橋是在傳統(tǒng)曲線連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加較低的橋塔和體外斜拉索的一種結(jié)構(gòu)形式。目前國(guó)內(nèi)修建大跨徑曲線橋多常采用連續(xù)剛構(gòu)或連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，而避免直接將斜拉橋、拱橋和懸索橋設(shè)計(jì)在曲線上。但大跨徑曲線連續(xù)剛構(gòu)橋彎扭耦合效應(yīng)突出，曲線體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束損失大，而且若預(yù)應(yīng)力束布置不當(dāng)還易加劇扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)抗扭造成不利。另外大跨剛構(gòu)橋在后期運(yùn)營(yíng)中普遍還存在腹板開(kāi)裂、撓度大等問(wèn)題[2]。而采用的剛構(gòu)體系部分斜拉橋結(jié)構(gòu)方案不僅整體造型優(yōu)美，還可以很好的解決曲線連續(xù)剛構(gòu)的種種問(wèn)題，其斜拉索相當(dāng)于體外束，在降低結(jié)構(gòu)高度的同時(shí)，部分斜拉橋可以利用斜拉索來(lái)提高結(jié)構(gòu)整體抗扭性能，斜拉索還可以作為防范橋梁運(yùn)營(yíng)期跨中下?lián)线^(guò)大的措施，并且能解決合龍鋼束配束量大的問(wèn)題，可以大大降低張拉合龍鋼束時(shí)跨中底板受壓崩壞的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，在修建大跨徑曲線橋梁時(shí)，采用曲線部分斜拉橋這種橋型是一種較好選擇，而目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)曲線部分斜拉橋的研究較少，故開(kāi)展曲線部分斜拉橋的實(shí)踐和研究具有一定的創(chuàng)新性，不僅能拓展部分斜拉橋的適用范圍，而且具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 工程概況

九江市新建快速路系統(tǒng)（一期）工程跨昌九快速路節(jié)點(diǎn)橋位于項(xiàng)目起點(diǎn)段，順接昌九高改快工程新建收費(fèi)站，并上跨昌九快速路。橋梁平面位于R=350 m的圓曲線上，橋梁與現(xiàn)狀昌九快速路交角為58.4°。

主橋采用65+120+65 m 空間雙索面部分斜拉橋結(jié)構(gòu)，墩、塔、梁固結(jié)剛構(gòu)體系，引橋采用30 m 跨徑先簡(jiǎn)支后橋面連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁。

橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為城-A 級(jí)，主橋橋面全寬16 m，具體布置為1.625 m（索區(qū)）+0.5 m（防撞護(hù)欄）+11.75 m（機(jī)動(dòng)車道）+0.5 m（防撞護(hù)欄）+1.625 m（索區(qū)）=16 m。

主橋整體造型輕盈優(yōu)美，索塔呈大“V”字造型，有勝利圓滿之美好寓意。本橋的建設(shè)可為城市增添一道亮麗的人文景觀，成為當(dāng)?shù)氐囊粯?biāo)志性建筑，圖1為跨昌九快速路節(jié)點(diǎn)橋效果圖。

圖1 跨昌九快速路節(jié)點(diǎn)橋效果圖

2 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主梁

主梁采用變高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，采用C55 混凝土，斜腹板單箱雙室截面，腹板斜率為1∶1.846，豎直傾角為28°?？紤]曲線平面影響，為保證拉索錨固區(qū)布置空間，箱梁兩側(cè)懸臂長(zhǎng)設(shè)為1.7m，箱梁頂結(jié)構(gòu)寬16.0 m，底寬10～8.375 m。箱梁頂?shù)酌姹３制叫?，橋面設(shè)單向3%超高橫坡，通過(guò)結(jié)構(gòu)整體剛性旋轉(zhuǎn)形成。

主梁跨中梁高3.0 m，支點(diǎn)處梁高4.5 m，變高段梁底按1.6 次拋物線變化。中跨合龍段長(zhǎng)3.0 m，邊跨合龍段長(zhǎng)2.0 m，邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)4.5 m。箱梁頂板厚25 cm；底板厚22～70 cm；中跨跨中及邊跨腹板厚45 cm，靠近主墩處腹板厚65 cm。

橋梁0 號(hào)塊長(zhǎng)12 m，單側(cè)有11 個(gè)懸臂澆筑節(jié)段，節(jié)段長(zhǎng)度分為4.0 m、5.0 m 兩種，最重的懸臂澆注節(jié)段為1 號(hào)節(jié)段，其重量為2 574 kN，掛籃控制重量1 150 kN。在箱梁中支點(diǎn)、邊支點(diǎn)處均設(shè)置了橫隔梁，厚度分別為3.5 m 和1.5 m；斜拉索錨固區(qū)處均設(shè)有橫隔板，厚度為40 cm，實(shí)腹式布置。

2.2 主塔

主塔在橫斷面上采用V 字造型，與主梁固接，采用C55 混凝土。橋塔總高40.5 m，其中橋面以上塔柱高16.5 m，橋面以下塔柱高24 m，單側(cè)塔柱豎直面處在半徑186.946 m 的圓曲線上，塔柱采用矩形實(shí)體截面，上塔柱截面尺寸為3.5 m（縱橋向）×1.8 m（橫橋向），下塔柱截面尺寸為3.5 m（縱橋向）×2.5 m（橫橋向）。主塔與主梁固結(jié)處設(shè)實(shí)心橫梁，橫梁高與主梁一致為4.5 m，寬3.5 m。塔柱在塔底通過(guò)高2 m的塔座連接為整體，塔座底寬6.489 m。

主塔基礎(chǔ)采用樁接承臺(tái)的基礎(chǔ)形式。承臺(tái)平面尺寸為11.0 m（橫）×11.0 m（縱），承臺(tái)厚4.0 m。承臺(tái)下布置9 根直徑1.8 m 樁基，橫橋與順橋向均設(shè)置3 排，樁間距均為4 m。承臺(tái)采用C30 混凝土，樁基為水下C30 混凝土，樁基礎(chǔ)采用嵌巖樁設(shè)計(jì)，索塔結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 索塔結(jié)構(gòu)圖（單位：m）

2.3 斜拉索及錨固系統(tǒng)

（1）總體布置

斜拉索為外傾式扇形雙索面，每側(cè)主塔錨固7對(duì)斜拉索，全橋共計(jì)56 根拉索，拉索與水平面夾角為15.8°～25.9°，塔上索間距0.8 m，梁上索間距為5.0 m。斜拉索在主塔塔頂通過(guò)分絲管式轉(zhuǎn)向鞍座連續(xù)通過(guò)，兩側(cè)錨固于箱梁懸臂處錨塊上。

（2）斜拉索規(guī)格

斜拉索采用單層PE 防護(hù)單絲涂覆環(huán)氧涂層鋼絞線，規(guī)格為27-Φs15.2 m，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fpk=1 860 MPa，斜拉索張拉力為3 100～3 300 kN。鋼絞線設(shè)置三層防護(hù)，內(nèi)層為環(huán)氧涂層防護(hù)層，中間設(shè)油脂或石蠟防護(hù)層，外層設(shè)HDPE 外套管采用抗風(fēng)雨激振型雙螺旋線圓管護(hù)套，護(hù)套規(guī)格為Φ180×6.6，外觀采用白色。

斜拉索錨具采用250 型拉索夾片群錨，在兩側(cè)梁端張拉，錨具內(nèi)安裝CCT20B 磁通量傳感器，使拉索成為智能化拉索，實(shí)現(xiàn)拉索索力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（每根拉索一端拉索錨具內(nèi)安裝3 臺(tái)CCT20B 磁通量傳感器）。索道管口鋼管與斜拉索之間設(shè)減振器，減振器對(duì)索體的橫向振動(dòng)起減振作用，從而提高索的整體壽命。斜拉索錨固斷面見(jiàn)圖3。

圖3 斜拉索錨固斷面圖（單位：m）

（3）索鞍設(shè)計(jì)

塔柱內(nèi)索鞍結(jié)構(gòu)采用分絲技術(shù)，分絲管由27 根鋼管組焊接成整體，埋設(shè)于混凝土塔內(nèi)，斜拉索鋼絞線通過(guò)分絲管穿過(guò)塔身，索鞍中的導(dǎo)向鋼管承受鋼絞線由于單根張拉后造成的相互擠壓，鋼絞線受力均勻，索鞍很好地起到分散、均勻傳遞載荷作用。

為實(shí)現(xiàn)線鋼絞線單根換索，索鞍抗滑錨固裝置采用單側(cè)雙向抗滑錨固裝置，抗滑鍵全部布置在轉(zhuǎn)向鞍的一側(cè)，依靠鎖緊裝置將其固定在轉(zhuǎn)向鞍的端面。

2.4 結(jié)構(gòu)約束體系

主塔處采用塔梁固結(jié)體系，過(guò)渡墩上設(shè)置僅可沿順橋向活動(dòng)的豎向支座。

2.5 施工工藝

主橋逐節(jié)段采用掛籃懸臂施工工藝，斜拉索索力隨節(jié)段施工一次張拉到位，合龍順序?yàn)橄冗吙绾笾锌?，邊跨現(xiàn)澆段采用墩旁支架現(xiàn)澆。

3 主橋結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 模型建立

采用Midas Civil 2019 進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，全橋三維有限元模型如圖4 所示。全橋共劃分為668 個(gè)節(jié)點(diǎn)，627 個(gè)單元。斜拉索采用桁架單元模擬，并按照恩斯特公式對(duì)拉索彈性模量進(jìn)行修正[3]。橋塔、主梁采用7 自由度空間梁?jiǎn)卧M[4]，樁基承臺(tái)采用6 自由度空間梁?jiǎn)卧M。

圖4 主橋三維有限元模型

結(jié)構(gòu)的約束條件：橋塔與主梁之間采用固結(jié)體系；過(guò)渡墩上設(shè)置僅可沿順橋向滑動(dòng)的豎向支座；樁土作用采用土彈簧模擬，按m 法計(jì)算土彈簧剛度。

根據(jù)設(shè)計(jì)施工順序模擬混凝土墩、塔、梁澆筑。主體結(jié)構(gòu)施工順序：先施工主塔下塔柱及中橫梁，然后搭設(shè)支架澆筑0 號(hào)塊。接著用掛籃依次澆筑1#～11# 梁段，并張拉各節(jié)段縱、豎向預(yù)應(yīng)力束；自3# 節(jié)段預(yù)應(yīng)力張拉完畢起，每施工一個(gè)節(jié)段，應(yīng)對(duì)稱依次張拉一對(duì)斜拉索。11#梁段澆筑的同時(shí)，在過(guò)渡墩旁搭設(shè)支架澆筑邊跨現(xiàn)澆段，待11# 梁段完成后，拆除掛籃，進(jìn)行邊跨合龍，然后進(jìn)行中跨合龍，完成主體結(jié)構(gòu)施工。

3.2 成橋索力

為了使成橋時(shí)結(jié)構(gòu)受力、成橋線形等在結(jié)構(gòu)自重作用下達(dá)到合理的范圍，通過(guò)影響矩陣法進(jìn)行調(diào)索確定全橋合理的成橋索力如圖5 所示。

圖5 成橋索力匯總圖（單位：kN）

由圖4 可知，成橋階段全橋索力比較均勻，與直線橋不同的是，小半徑曲線部分斜拉橋由于彎扭耦合作用，同一位置處每對(duì)斜拉索曲線內(nèi)外側(cè)索力并不完全對(duì)稱，內(nèi)側(cè)索力要略大于外側(cè)索力，最大差異接近1%；對(duì)稱于主塔兩側(cè)的斜拉索的索力也不對(duì)稱，邊跨側(cè)索力要略大于中跨側(cè)索力，約大2.5%～4.5%。

常規(guī)直線部分斜拉橋斜拉索承擔(dān)的豎向荷載比一般為0.3～0.4[5]，對(duì)于小半徑曲線部分斜拉橋，由于過(guò)多的體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束的配置會(huì)對(duì)主梁產(chǎn)生較大附加扭矩，因此適當(dāng)?shù)奶岣咚髁汉奢d比有利于改善結(jié)構(gòu)受力，本橋斜拉索承擔(dān)的豎向荷載比為0.46。

3.3 主要計(jì)算結(jié)論

（1）主梁計(jì)算

主梁縱向按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)。

持久狀態(tài)頻遇組合下，主梁正截面全截面受壓；斜截面混凝土最大主拉應(yīng)力0.73 MPa≤0.49 ftk=1.096 MPa，抗裂驗(yàn)算滿足規(guī)范要求。

持久狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合下，主梁正截面最大壓應(yīng)力16.95 MPa≤0.5 fck=17.75 MPa；主梁斜截面最大主壓應(yīng)力16.95 MPa≤0.5 fck=17.75 MPa，滿足規(guī)范要求。

（2）主塔計(jì)算

主塔上塔柱按照A 類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件計(jì)算，下塔柱按照鋼筋混凝土偏壓構(gòu)件計(jì)算。經(jīng)驗(yàn)算均能滿足規(guī)范要求，此處不再贅述。

（3）結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算

根據(jù)結(jié)構(gòu)靜力分析，成橋狀態(tài)下主梁跨中計(jì)算豎向位移13 mm（向下），塔頂計(jì)算縱向水平位移32 mm，計(jì)算橫向水平位移82 mm，成橋狀態(tài)橋塔橫向位移較大，這是因?yàn)闃蛩M向位移對(duì)平曲線半徑較為敏感，塔頂橫向位移隨著平曲線半徑的減小而增大[6]。

活載作用下主梁最大豎向位移32 mm（向下），塔頂最大縱向水平位移6 mm，最大橫向水平位移4 mm，可見(jiàn)結(jié)構(gòu)有良好的剛度，滿足規(guī)范要求。

（4）斜拉索計(jì)算

本橋斜拉索規(guī)格均為27-Φs15.2 m，根據(jù)《公路斜拉橋設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3365-01—2020）7.2.4 條，斜拉索承載力驗(yàn)算：

式中：γ0為斜拉索的軸向拉力設(shè)計(jì)值（N）；A 為斜拉索的截面面積（mm）；φd為斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系修正系數(shù)，對(duì)于部分斜拉橋，φd=1.5；其余結(jié)構(gòu)體系，φ=1.0；fd為斜拉索的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（MPa），在持久狀況，按3.3.1 或3.3.2 的規(guī)定取值；在短暫狀況，斜拉索的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值宜提高25%。依據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，斜拉索承載力滿足規(guī)范要求。疲勞荷載作用下斜拉索最大應(yīng)力幅為9 MPa，滿足規(guī)范要求。

（5）穩(wěn)定計(jì)算

成橋狀態(tài)屈曲穩(wěn)定分析得到結(jié)構(gòu)彈性屈曲安全系數(shù)為46.3，滿足規(guī)范要求，失穩(wěn)模態(tài)為橋塔橫彎失穩(wěn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

在城市與公路橋梁建設(shè)中，為適應(yīng)路線線形設(shè)計(jì)的要求，不可避免地要修建大量曲線橋。在修建大跨徑曲線橋梁時(shí)，曲線部分斜拉橋是一種經(jīng)濟(jì)合理并兼具良好景觀效果的結(jié)構(gòu)形式，九江市新建快速路跨昌九快速路節(jié)點(diǎn)橋是目前國(guó)內(nèi)平曲線半徑最小的空間雙索面部分斜拉橋，通過(guò)對(duì)該橋的設(shè)計(jì)及計(jì)算分析，總結(jié)出該種橋型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一些有用的經(jīng)驗(yàn)，可為類似橋梁設(shè)計(jì)提供有益的參考。

（1）曲線部分斜拉橋的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較直線橋大，設(shè)計(jì)中要對(duì)結(jié)構(gòu)的抗扭引起足夠重視，建議選用剛構(gòu)體系，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)橫梁應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)并配置足夠的抗扭鋼筋以抵抗主梁根部的強(qiáng)大扭矩。

（2）由于橋梁平曲線的存在，空間索面的曲線部分斜拉橋的斜拉索不僅在主梁上張拉、錨固設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，在保證拉索錨固區(qū)布置空間的同時(shí)還要謹(jǐn)防斜拉索侵入凈空限界，可以適當(dāng)加大拉索錨固區(qū)的寬度。

（3）曲線部分斜拉橋，過(guò)多的體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束的配置會(huì)對(duì)主梁產(chǎn)生較大附加扭矩，宜適當(dāng)提高斜拉索承擔(dān)的豎向荷載比，以減少體內(nèi)束的配置，改善結(jié)構(gòu)受力，本橋斜拉索承擔(dān)的豎向荷載比0.46。

（4）成橋階段，曲線部分斜拉橋中同一位置處每對(duì)斜拉索曲線內(nèi)外側(cè)索力并不完全對(duì)稱，曲線內(nèi)側(cè)索力要略大于曲線外側(cè)索力；對(duì)稱于主塔的兩側(cè)的斜拉索索力也不對(duì)稱，邊跨側(cè)索力要略大于中跨側(cè)索力。

（5）曲線半徑對(duì)主梁根部的扭矩及塔頂橫向位移的影響較大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)小半徑曲線部分斜拉橋主塔的橫向剛度要有足夠重視。相比于直線橋，宜適當(dāng)增加橋塔橫向尺寸以提高其橫向剛度，同時(shí)宜在主塔中設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼束平衡主塔截面的不平衡內(nèi)力。