羅亞林，張忠良，朱朝陽

(中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

1 工程概況

多塔斜拉橋是在常規(guī)斜拉橋的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新橋型，在跨越寬度較大的江河、峽谷時(shí)，多塔斜拉橋是一種可行的技術(shù)方案[1]。

斗中路高架快速干道南起高新區(qū)，向北與蟠龍新區(qū)連接，全長(zhǎng)約7.3 km。其中上蟠龍塬段采用雙索面十塔斜拉橋，為本工程的控制性節(jié)點(diǎn)及重要的景觀工程。斗中路高架快速干道工程采用雙層橋方案上蟠龍塬，其中上層橋?yàn)椴糠中崩瓨颍聦訕驗(yàn)檫B續(xù)梁橋，橋梁位于曲線上。上層橋最高橋墩高140 m，最矮橋墩高103.8 m，橋梁共11跨，全長(zhǎng)1 222 m，由于橋梁高度高，總長(zhǎng)長(zhǎng)，主塔多，地震烈度高，在地震作用下主梁梁端位移和主塔塔底內(nèi)力較大，需對(duì)其結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行比選以確定合理的結(jié)構(gòu)體系。

斗中路橋?yàn)槎嗨A(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，采用塔梁墩固結(jié)體系，主梁整幅布置，采用變高度預(yù)應(yīng)力混凝土雙邊箱截面。標(biāo)準(zhǔn)截面梁頂寬度26.5 m，主塔支點(diǎn)處梁高5.0 m，跨中和邊支點(diǎn)位置梁高2.8 m，梁底曲線按1.8次拋物線變化。橋塔為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用左右分離式塔柱，左右塔柱對(duì)稱布置，塔柱之間采用橫梁連接，上塔柱塔高21 m，橫橋向向外傾角度為10°，下塔柱為雙柱式直立塔柱，采用等截面矩形空心截面，截面尺寸為7.0 m(縱橋向)×4.5 m(橫橋向)，壁厚0.9 m。下層橋支墩采用分離式矩形實(shí)心墩，支撐于承臺(tái)上。主塔承臺(tái)尺寸為38.2 m(長(zhǎng))×18.2 m(寬)×5.0 m(高)，下設(shè)32根直徑2.0 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，按摩擦樁設(shè)計(jì)。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)道路等級(jí)：城市快速路；(2)汽車荷載等級(jí)：城-A級(jí)；(3)抗震設(shè)防烈度：8度；地震動(dòng)峰值加速度：0.2 g；(4)橋梁設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)；(5)設(shè)計(jì)使用年限：100年。

3 橋址處建設(shè)條件

擬建場(chǎng)地位于寶雞市金臺(tái)區(qū)，場(chǎng)地范圍內(nèi)地貌由北往南依次為渭河河漫灘、一級(jí)階地、三級(jí)階地、五級(jí)階地。擬建場(chǎng)地地勢(shì)變化較大，地形總體趨勢(shì)是北高南低，向渭河微傾，高程為769.00～583.00 m，最大高差約186 m。

根據(jù)鉆孔和探井揭露結(jié)果，擬建工程場(chǎng)地在勘探深度范圍內(nèi)的地層巖性主要為第四系松散堆積物，晚更新統(tǒng)風(fēng)積黃土、殘積古土壤和中更統(tǒng)統(tǒng)風(fēng)積黃土、殘積古土壤、卵石、新近系礫砂等組成。

依據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)[2]，場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為8°，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20 g，設(shè)計(jì)特征周期為0.40 s。

4 結(jié)構(gòu)體系研究

斗中路橋場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為8°，地震烈度高，墩高較高，聯(lián)長(zhǎng)全長(zhǎng)1 222 m，在地震作用下主梁梁端位移大，墩底內(nèi)力大，考慮以上原因，為解決梁端位移及主塔內(nèi)力較大的問題提出以下四種解決方案：

方案一：分兩聯(lián)，兩聯(lián)之間設(shè)鋼掛梁方案，解決整聯(lián)內(nèi)力較大問題；

方案二：分兩聯(lián)，兩聯(lián)之間設(shè)剛性鉸方案，解決整聯(lián)內(nèi)力較大及兩聯(lián)之間位移較大問題；

方案三：主橋整聯(lián)設(shè)計(jì)，解決兩聯(lián)之間跨中下?lián)霞拔灰戚^大問題，可通過在邊主跨合攏前施加對(duì)頂力等措施改善邊塔受力；

方案四：分兩聯(lián)，兩聯(lián)之間設(shè)過渡墩方案，可解決跨中下?lián)蠁栴}及整聯(lián)內(nèi)力較大問題。

4.1 方案一：兩聯(lián)之間設(shè)鋼掛梁

通過midas Civil軟件建立有限元分析模型，結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果如下。

主梁在靜力作用下，標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)截面上緣最小壓應(yīng)力1.1 MPa，最大壓應(yīng)力15.2 MPa；截面下緣最小壓應(yīng)力0.5 MPa，最大壓應(yīng)力15.1 MPa，截面強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

主塔計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 方案一 主塔內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

經(jīng)驗(yàn)算，主塔靜力及E1地震作用下強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，其安全系數(shù)在1.5以上，E2地震作用進(jìn)行延性設(shè)計(jì)，其位移和抗剪承載力滿足規(guī)范要求。

經(jīng)計(jì)算，活載作用下掛梁側(cè)懸臂端部最大向下豎向位移為85.7 mm，最大向上豎向位移為34.9 mm，換算縱坡為0.0087 3 rad。橋面附加縱坡增加0.8%，造成行車不適。

掛梁處主梁懸臂端各荷載工況下縱向位移計(jì)算如表2所示。

表2 方案一 掛梁處主梁懸臂端 各荷載工況下縱向位移

從表2可知地震工況作用掛梁的位移很大，掛孔兩側(cè)主橋梁端E1作用下最大相對(duì)位移為665.4 mm，E2作用下最大相對(duì)位移為3 216.7 mm，在地震作用下兩側(cè)主梁相對(duì)位移較大，普通支座行程難以滿足位移要求，且掛梁極易發(fā)生落梁風(fēng)險(xiǎn)，為限制其縱向位移，掛孔與主梁間需設(shè)置限位措施。

目前應(yīng)用較廣泛的限位措施主要有以下三種：(1)設(shè)置阻尼器；(2)在懸臂梁端設(shè)置拉索錨固在對(duì)面主塔；(3)設(shè)置拉桿。

經(jīng)計(jì)算，以上三種限位措施優(yōu)缺點(diǎn)比較如表3所示。

表3 方案一 掛梁與主梁不同限位措施比較表

從表3可知以上三種限位措施均有其局限性，都不能很好的適用于斗中路橋縱向限位。故斗中路橋采用掛孔時(shí)其縱向限位存在較大問題。

4.2 方案二：兩聯(lián)之間設(shè)剛性鉸

為解決掛梁體系行車舒適性及地震作用下主梁的落梁風(fēng)險(xiǎn)，考慮在主跨跨中處設(shè)置剛性鉸，其基本構(gòu)造是在一側(cè)主梁內(nèi)部放置小箱梁，小箱梁固定在一側(cè)主梁上，另一端自由，可以釋放兩側(cè)主梁縱向相對(duì)線位移，但約束兩側(cè)主梁的相對(duì)轉(zhuǎn)角和豎向與橫向平動(dòng)，使結(jié)構(gòu)受力得到改善，同時(shí)又能滿足行車舒適性要求。國(guó)內(nèi)運(yùn)用剛性鉸的工程實(shí)例相對(duì)較少，可查詢的工程實(shí)例有湖北鄖陽漢江大橋[3]和浙江嘉紹大橋主航道橋[4]，均為斜拉橋，國(guó)外的應(yīng)用工程有美國(guó)奧克蘭海灣大橋引橋和新貝尼西亞馬丁內(nèi)茲大橋。

斗中路橋主梁為混凝土雙邊箱結(jié)構(gòu)，考慮在每個(gè)箱室內(nèi)設(shè)置一道伸縮鋼縱梁，鋼縱梁一端錨固于一側(cè)主梁上，另一端活動(dòng)，該端主梁通過在兩道橫隔板上設(shè)置帶球鉸的聚四氟乙烯滑板支座為活動(dòng)端的鋼縱梁提供支點(diǎn)，通過這些支點(diǎn)約束跨中主梁的豎向位移和剪切、側(cè)向彎矩和剪切及扭轉(zhuǎn)變形，將主梁的彎矩、剪力和扭轉(zhuǎn)受力轉(zhuǎn)換為鉸支座的支反力。

剛性鉸方案可以有效解決跨中位置行車舒適性問題，同時(shí)也消除了地震作用下產(chǎn)生較大的相對(duì)縱向位移導(dǎo)致掛孔落梁的風(fēng)險(xiǎn)。但剛性鉸體系存在較多的技術(shù)問題：

(1)剛性鉸技術(shù)要求較高，構(gòu)造較為復(fù)雜，支座的可調(diào)節(jié)性、耐磨性及安裝精度要求高，支座及剛性鉸的后期養(yǎng)護(hù)、更換較為困難，需進(jìn)行大量的科研試驗(yàn)驗(yàn)證鉸結(jié)構(gòu)的可靠性及耐久性。

(2)鄖陽漢江大橋聯(lián)長(zhǎng)較短，嘉紹大橋主梁為鋼箱梁，兩座橋的跨中伸縮量相對(duì)較小，斗中路高架主橋后期收縮徐變作用下，主梁縱向相對(duì)位移已達(dá)到217 mm，運(yùn)營(yíng)階段及地震荷載作用鋼縱梁的伸縮行程較大，且兩側(cè)主梁后期不均勻豎向位移差導(dǎo)致支座長(zhǎng)期受壓，剛縱梁豎向累積，導(dǎo)致支座摩擦力增加，鋼縱梁滑動(dòng)受阻，支座及縱梁容易發(fā)生破壞。

4.3 方案三：主橋整聯(lián)設(shè)計(jì)

斗中路橋聯(lián)長(zhǎng)較長(zhǎng)，若采用整聯(lián)設(shè)計(jì)，混凝土收縮徐變作用及溫度力作用下主塔內(nèi)力較大，邊塔控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但整聯(lián)橋結(jié)構(gòu)整體性較好，行車舒適，有條件采取有效的防落梁措施。國(guó)內(nèi)也有許多已建或在建大跨長(zhǎng)聯(lián)高墩結(jié)構(gòu)的工程實(shí)例。如正在建設(shè)中的丹錫高速西拉沐倫河大橋[5]，采用主跨240 m的6塔矮塔部分斜拉橋，孔跨布置為128+5×240+128=1 456 m；咸旬高速公路三水河特大橋[6],采用主跨185 m的7跨連續(xù)剛構(gòu)橋，孔跨布置為98+5×185+98=1 121 m；滬蓉西高速公路馬水河特大橋,采用主跨200 m的5跨連續(xù)剛構(gòu)橋，孔跨布置為110+3×200+110=820 m。

由于斗中路橋橋墩較高，能顯著降低溫度和收縮徐變對(duì)其影響，但由于聯(lián)長(zhǎng)較長(zhǎng)，邊墩受力仍較大，故需通過合理的施工順序和主跨合攏時(shí)施加對(duì)頂力等施工措施改善邊塔受力。

考慮合理的施工順序和主跨合攏時(shí)施加對(duì)頂力建立主橋模型，結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果如下：

主梁在靜力作用下，標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)截面上緣最小壓應(yīng)力0.8 MPa，最大壓應(yīng)力15.5 MPa；截面下緣最小壓應(yīng)力0.6 MPa，最大壓應(yīng)力15.2 MPa，截面強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

主塔由邊塔控制設(shè)計(jì)，邊塔計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 方案三 邊塔內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

經(jīng)驗(yàn)算，主塔靜力及E1地震作用下強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，其安全系數(shù)在1.5以上，E2地震作用進(jìn)行延性設(shè)計(jì)，其位移和抗剪承載力滿足規(guī)范要求。

主梁梁端處各荷載工況下縱向位移計(jì)算如表5所示。

從表5可知地震工況作用梁端的位移較大，但過渡墩縱向?qū)挾容^寬，可避免發(fā)生落梁危險(xiǎn)。

表5 方案三 梁端位移計(jì)算結(jié)果

斗中路橋設(shè)計(jì)為多跨長(zhǎng)聯(lián)結(jié)構(gòu)時(shí)主要存在以下問題：

(1)收縮徐變、整體升降溫度及地震作用下主梁和橋墩的受力會(huì)變大，邊墩控制設(shè)計(jì)?？赏ㄟ^合理的施工順序和主跨合攏時(shí)施加對(duì)頂力等施工措施改善邊塔受力。

(2)收縮徐變、整體升降溫度及地震作用下梁端的位移較大，但過渡墩縱向?qū)挾容^寬，可避免發(fā)生落梁危險(xiǎn)。

4.4 方案四：兩聯(lián)之間設(shè)過渡墩

兩聯(lián)主橋之間設(shè)過渡墩橋墩的受力和縱向位移與設(shè)掛孔的方案類似，但其行車舒適性好，過渡墩有足夠的縱向尺寸避免落梁風(fēng)險(xiǎn)，邊塔受力相對(duì)較小，施工工序簡(jiǎn)單。

4.5 方案比選及建議

根據(jù)以上研究可知，跨中設(shè)掛梁體系及跨中設(shè)鉸體系均存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，技術(shù)難度大，國(guó)內(nèi)外在建橋梁已很少采用這兩種結(jié)構(gòu)體系，故不推薦這兩種體系。整聯(lián)橋體系主要是溫度及收縮徐變作用下邊塔受力較大，邊塔控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可通過合理的合攏順序和在合攏前施加對(duì)頂力等施工措施改善邊塔受力，國(guó)內(nèi)近年來已有數(shù)座已建或在建的高墩長(zhǎng)聯(lián)橋梁工程實(shí)例，故推薦本體系作為實(shí)施方案?？缰性O(shè)墩體系結(jié)構(gòu)受力最佳，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度和后期風(fēng)險(xiǎn)控制等方面考慮為最優(yōu)方案，但對(duì)橋跨的連續(xù)性和景觀效果有一定影響，會(huì)增一定的工程數(shù)量，可作為備選實(shí)施方案。

5 結(jié) 語

(1)兩聯(lián)之間設(shè)鋼掛孔方案可改善邊塔在收縮徐變及溫度力作用下結(jié)構(gòu)受力并減小接引橋側(cè)梁端位移，但運(yùn)營(yíng)階段掛孔處主梁懸臂端部豎向位移較大，影響行車舒適性，地震作用下主橋間相對(duì)位移較大，控制措施效果小，支座和伸縮縫設(shè)計(jì)困難，地震作用下落梁風(fēng)險(xiǎn)大，后期收縮徐變產(chǎn)生的懸臂端主梁下?lián)陷^難控制。

(2)兩聯(lián)之間設(shè)剛性鉸方案可改善跨中位置行車舒適性，解決落梁風(fēng)險(xiǎn)，但剛性鉸技術(shù)要求較高，構(gòu)造較為復(fù)雜，支座及剛性鉸的后期養(yǎng)護(hù)、更換較為困難，同時(shí)支座容易損壞。

(3)整聯(lián)橋設(shè)計(jì)解決分聯(lián)設(shè)計(jì)的后期懸臂端主梁下?lián)峡刂茊栴}，行車舒適，同時(shí)可通過在邊主跨合攏前施加對(duì)頂力等措施改善邊塔受力。

(4)兩聯(lián)之間設(shè)過渡墩具有兩聯(lián)之間設(shè)掛孔的所有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可解決其跨中下?lián)蠁栴}，改善行車舒適，但跨中設(shè)墩影響橋跨連續(xù)性和景觀效果，同時(shí)將增加工程造價(jià)。

綜合比選推薦采用整聯(lián)橋方案，該方案受力、景觀效果及經(jīng)濟(jì)性均較好。