任政 張超

中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 四川 成都 610031

獨(dú)塔斜拉橋因其具有較大的跨越能力和良好的景觀效果得到了廣泛運(yùn)用[1]。近年來城市中修建獨(dú)塔斜拉橋也越來越多，不同于公路橋梁，城市橋梁修建邊界復(fù)雜，景觀需求高，落墩困難，凈空受限等外部邊界對城市橋梁設(shè)計(jì)提出了較高要求[2]。本文以廣州某獨(dú)塔斜拉橋?yàn)槔撌隽嗽摌虻目傮w設(shè)計(jì)，解決了多項(xiàng)重點(diǎn)難點(diǎn)問題，包括凈空受限下采用較小梁高的雙邊箱主梁設(shè)計(jì)，狹窄落墩空間里的主塔設(shè)計(jì)，靜動力不同受力需求的合理約束體系的設(shè)置，塔墩兼顧景觀與受力的鏤空設(shè)計(jì)思路，以及淤泥質(zhì)土深厚分布的軟弱基坑設(shè)計(jì)方案。本橋?yàn)榈湫褪芟捱吔缦碌某鞘袠蛄?，設(shè)計(jì)中的各種難點(diǎn)可為類似橋梁提供參考。

1 工程概況

廣州慶盛樞紐區(qū)塊為南沙自貿(mào)區(qū)七大板塊之一（功能定位：現(xiàn)代服務(wù)業(yè)國際合作區(qū)），區(qū)塊位于廣州市南沙區(qū)東涌鎮(zhèn)內(nèi)，約8平方公里。橫一路為城市主干路，雙向六車道，設(shè)計(jì)速度50km/h。橫一路主橋?yàn)椋?×135）m獨(dú)塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋 ，橋?qū)?8.5m?？缭绞庞?、京珠高速、地鐵4號線，3組高壓輸油輸氣管線，為橫一路工程中的重要節(jié)點(diǎn)。主橋跨徑布置見圖1。

圖1 獨(dú)塔斜拉橋總體布置圖

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

道路等級：城市主干道；荷載等級：城—A 級；橋梁寬度：主橋橋面寬28.5m(加上兩側(cè)風(fēng)嘴，梁寬29m)；抗震設(shè)防：工程區(qū)地震基本烈度為7度，根據(jù)地震安評報(bào)告，場址地震基巖水平加速度峰值分別為：117cm/s2（100Y10%，重現(xiàn)期941年），167cm/s2（100Y4%，重現(xiàn)期2410年），抗震設(shè)防類別為甲類；抗風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：基本風(fēng)速U10=32.2 m/s，橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速(主梁基準(zhǔn)高度處) Ud=40.8m/s，施工階段抗風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)取0.84。

3 橋梁總體設(shè)計(jì)

3.1 橋跨布置

本橋位于直線上，跨越石排涌、京珠高速、地鐵四號線高架橋、3組高壓輸油輸氣管。方案階段對大跨連續(xù)梁、獨(dú)柱塔單索面斜拉橋、H型塔雙索面斜拉橋進(jìn)行了比選，大跨連續(xù)梁及獨(dú)塔塔單索面斜拉橋因橋下凈空受限不予采納，最終確定了雙索面斜拉橋方案。全橋分為西引橋、主橋、東引橋。全橋跨徑布置為25+(25+2×20+25)+4×25+4×25+(2×135m)+5×25+25m，主橋采用2×135m獨(dú)塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，采用半飄浮體系，塔墩固結(jié)、塔梁分離，主梁在索塔下橫梁上設(shè)置豎向支承，交界墩上設(shè)置豎向支承。橋型布置見圖1。

3.2 橋面布置

主橋橫斷面布置為：1.5m（檢修道）+0.5m（防撞護(hù)欄）+11.5m（橋面行車道凈寬）+0.5m（防撞護(hù)欄）+0.5m+0.5m（防撞護(hù)欄）+11.5m（橋面行車道凈寬）+0.5m（防撞護(hù)欄）+1.5m（檢修道）=28.5m。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 主梁

主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土雙邊箱梁，標(biāo)準(zhǔn)梁段中心梁高2.7m，雙邊箱寬8.5m，箱室內(nèi)頂板厚0.3m，箱室外頂板厚0.3m，直腹板厚0.4m，底板厚0.35m；邊跨18-19號梁段腹板加厚至0.6m。主梁采用后支點(diǎn)掛籃懸臂澆筑，標(biāo)準(zhǔn)懸澆段長6m，邊跨端部現(xiàn)澆段長7.14m，跨合龍段長2.0m。主梁橫梁厚度0.4m，為了滿足橫向布置預(yù)應(yīng)力的需要，通過馬蹄形式過渡，箱內(nèi)橫梁設(shè)置檢修過人孔。中橫梁厚2m，邊跨端橫梁厚2m。主梁標(biāo)準(zhǔn)段典型橫斷面圖見圖2。

圖2 主橋標(biāo)準(zhǔn)段典型橫斷面圖

4.2 橋塔

索塔采用花瓶型橋塔，由下塔柱、中塔柱、上塔柱、上橫梁和下橫梁組成，塔柱及橫梁采用C55混凝土。索塔高83.5m，其中上塔柱高44m，中塔柱高30.2m，下塔柱高9.3m。塔柱采用矩形空心截面，四角設(shè)置100×20cm倒角，上塔柱橫橋向?qū)?.5m、壁厚0.8m，縱橋向?qū)?.0m、壁厚1.2m；中塔柱橫橋向?qū)?.5m、壁厚0.8m，縱橋向?qū)?.0m、壁厚1.2m；下塔柱橫橋向?qū)?8～29.9m，縱橋向?qū)?.0m。

上、下橫梁均為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用矩形空心截面。上橫梁縱橋向?qū)?m、壁厚0.9m，豎向高3～4m、壁厚0.6m；下橫梁位于板墩頂，為實(shí)心截面，縱橋向?qū)?m、壁厚1m，豎向高2.5m，橋塔結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 橋塔構(gòu)造

4.3 斜拉索

斜拉索采用M280型環(huán)氧噴涂鋼絞線斜拉索體系，鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1860MPa。拉索體系主要構(gòu)成為錨固段、自由段、過渡段三部分組成。本項(xiàng)目張拉端設(shè)置于索塔上，錨固段設(shè)置于主梁上，拉索采用無粘結(jié)型拉索。索塔上索距從上到下分別為17個1.75m，1個2m，1個2.5m。梁上索距橫橋向?yàn)?6.5m，在垂直橋面高度8m范圍以內(nèi)，拉索設(shè)置有防火系統(tǒng)。對于Z14-Z20、Y14-Y20斜拉索,在靠梁端設(shè)置外置阻尼器。斜拉索總裝配圖見圖4。

圖4 斜拉索總裝配圖

4.4 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

索塔承臺采用八邊形截面，橫橋向長33.6m，順橋向?qū)?2.28m，厚4.5m，封底混凝土厚度為20cm。承臺采用C40混凝土，封底混凝土采用C30混凝土。索塔承臺下承接了19根直徑2.2m的樁基，樁間距5m，樁基采用C35水下混凝土，承臺平面圖見圖5。

圖5 承臺平面圖

5 結(jié)構(gòu)分析

5.1 計(jì)算模型

整體計(jì)算采用大型通用有限元軟件midas civil建立空間模型進(jìn)行分析，主梁采用梁單元，拉索采用桁架單元，采用恩斯特修正彈模法以考慮拉索垂度效應(yīng)。計(jì)算模型見圖6。

圖6 計(jì)算模型

5.2 計(jì)算荷載

計(jì)算荷載包括自重、二期恒載、混凝土收縮徐變、支座沉降、汽車荷載、溫度作用（體系溫度＋梯度溫差）、風(fēng)荷載（組合風(fēng)、百年極限風(fēng)）、制動力等作用效應(yīng)。

荷載組合包括組合一：恒載；組合二：恒載＋汽車荷載；組合三：恒載＋汽車荷載＋溫度＋組合風(fēng)＋制動力；組合四：恒載＋百年極限風(fēng)。

5.3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

(1)剛度驗(yàn)算：經(jīng)計(jì)算，活載作用下主梁正負(fù)豎向撓度絕對值之和為0.12m＜L/500=0.27m，該橋豎向剛度滿足規(guī)范要求。

(2)斜拉索驗(yàn)算：成橋階段基本組合下斜拉索最大應(yīng)力為763MPa≤1005MPa，斜拉索設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。

(3)混凝土梁驗(yàn)算：頻遇效應(yīng)組合作用下，主梁下緣最小壓應(yīng)力1.4MPa，主梁上緣最小壓應(yīng)力0.15MPa，未出現(xiàn)拉應(yīng)力。標(biāo)準(zhǔn)值組合下，主梁下緣最大壓應(yīng)力為15.28MPa，上緣最大壓應(yīng)力為15.42MPa，最大主壓應(yīng)力為15.6MPa，均滿足相應(yīng)規(guī)范要求。

(4)索塔驗(yàn)算：選取主塔柱6個典型位置、位置處截面進(jìn)行驗(yàn)算，分別進(jìn)行正截面承載能力驗(yàn)算以及抗裂驗(yàn)算。計(jì)算結(jié)果表明，索塔正截面承載能力均滿足要求且有一定富余，主塔柱安全系數(shù)≥1.6，同時塔柱截面作為偏壓構(gòu)件均能滿足eo/h≤0.55，按規(guī)范可不進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算。

(5)抗震驗(yàn)算：采用反應(yīng)譜及時程進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明采用減隔震設(shè)計(jì)后地震作用下結(jié)構(gòu)均處于彈性狀態(tài)，受力滿足要求。

6 設(shè)計(jì)難點(diǎn)及措施

6.1 狹窄落墩空間與索塔設(shè)計(jì)

本橋索塔位于京珠高速與地鐵四號線之間的狹窄地帶，索塔承臺平面布置困難，設(shè)計(jì)時首選獨(dú)柱塔以便基礎(chǔ)布置，但因獨(dú)柱塔主梁會采用大懸臂梁，梁高較大不能滿足橋下凈空需求，因此只能采用雙柱H型索塔，且不能像傳統(tǒng)雙柱式H型塔那樣的直上直下，因?yàn)榛A(chǔ)受限。為了解決此問題，設(shè)計(jì)時樁基采用梅花型布置，承臺采用消角的八邊形以減小平面尺寸。

6.2 下塔柱板墩兼顧力學(xué)與景觀的鏤空設(shè)計(jì)

本橋下塔柱設(shè)計(jì)時優(yōu)先考慮內(nèi)傾的雙柱式塔肢，但因下塔柱較矮，橫橋向尺寸較寬，框架效應(yīng)明顯，下橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束張拉引起很大的次內(nèi)力，預(yù)應(yīng)力鋼束效率低，因此采用了更優(yōu)的板墩方案。

板墩設(shè)計(jì)時為了兼顧景觀及受力采用了鏤空設(shè)計(jì)。鏤空區(qū)域的大小根據(jù)Ansys軟件建立實(shí)體模型進(jìn)行分析，將受力較小的區(qū)域進(jìn)行扣除。

6.3 下塔柱板墩頂橫梁兼顧施工及運(yùn)營階的鋼束張拉設(shè)計(jì)

本橋下塔墩頂2.5m高度范圍內(nèi)為下橫梁，其不僅承受中塔肢向外的推力還承受支座傳遞的豎向力，屬于拉彎構(gòu)件，又因位于應(yīng)力繞動區(qū)，受力復(fù)雜，因此根據(jù)實(shí)體計(jì)算布置了大量的預(yù)應(yīng)力鋼束。因掛索前下橫梁受力較小，因此不能將鋼束全部張拉，否則塔柱底外側(cè)將出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，不能滿足要求。為了兼顧施工及運(yùn)營階段的受力需要，下橫梁鋼束采用兩次張拉，在施工至下橫梁時張拉第一批鋼束，然后施工至扣掛5號斜拉索時在張拉剩余鋼束。

6.4 高烈度長特征周期抗震設(shè)計(jì)與靜力設(shè)計(jì)不同的邊界需求

本橋因位于出?？跊_擊平原，軟土分布深厚，特征周期長，峰值加速度大，結(jié)構(gòu)的更多振型周期位于反應(yīng)譜曲線[3]平臺段，結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)強(qiáng)烈，抗震控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?？傮w設(shè)計(jì)時從抗震角度出發(fā)選取了半飄浮體系以便在塔梁之間設(shè)置粘滯阻尼器進(jìn)行消能減震[4]，阻尼器要發(fā)揮作用勢必要求塔梁間縱向不能固定，但這種邊界對于靜力工況如制動力或順橋向風(fēng)荷載作用時，梁端將產(chǎn)生過大位移，伸縮縫寬度需求大且容易損壞。因此為了兼顧靜動力不同的邊界需求創(chuàng)新提出了熔斷球鋼支座配合粘滯阻尼器方案。熔斷球鋼支座通過設(shè)置限力擋塊以適應(yīng)不同的狀態(tài)需求，靜力工況時支座所受的水平力較小，支座處于固定狀態(tài)，地震作用時支座所受水平力較大，當(dāng)水平力大于設(shè)定的閥值時限位擋塊斷掉，支座處于活動狀態(tài)，此時阻尼器能夠發(fā)揮消能減震作用。

6.5 位于既有高速路基邊坡且與既有高架橋橋墩相聚較近的基坑設(shè)計(jì)

本橋橋塔位于京珠高速與地鐵四號線高架橋之間的狹長地帶，且橋塔承臺并不順狹長地帶走向布置，承臺長邊與狹長地帶走向間夾角為22度。承臺平面西南角已進(jìn)入京珠高速路基邊坡范圍，東北角距離地鐵四號線高架橋墩6m，距離高架橋投影面外3m安全距離線僅2.1m，因此承臺開挖需要進(jìn)行基坑支護(hù)才能保證京珠高速路基的穩(wěn)定及地鐵高架橋橋墩的穩(wěn)定。

本基坑長度36.1m，基坑寬度14.75m，基坑深度范圍3.36～4.76m。基坑內(nèi)淤泥質(zhì)土分布深厚，因此采用直徑1m間距1.2m的鋼筋混凝土灌注樁及冠梁作為支護(hù)結(jié)構(gòu)。支護(hù)樁外側(cè)設(shè)置直徑0.7m間距0.5m的單軸攪拌樁用于止水，支護(hù)樁內(nèi)側(cè)的基坑范圍內(nèi)設(shè)置直徑0.7m間距0.5m的單軸攪拌樁用于被動區(qū)加固。

基坑南側(cè)已進(jìn)入京珠高速下穿的人行通道八字墻范圍，因此基坑設(shè)計(jì)時考慮施工措施與永久結(jié)構(gòu)相結(jié)合將既有八字墻拆除，新作基坑支護(hù)墻用作人行通道的八字墻，如圖7。

圖7 基坑支護(hù)平面

7 結(jié)論

廣州橫一路主橋?yàn)楠?dú)塔預(yù)應(yīng)力混凝土梁斜拉橋，主梁采用雙邊箱斷面，主塔采用帶鏤空板墩的異形H形索塔，結(jié)構(gòu)體系為半漂浮體系。經(jīng)計(jì)算分析，結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。該橋?yàn)榈湫偷某鞘袠蛄?，邊界?fù)雜，受控因素較多，該橋總體設(shè)計(jì)中解決了多項(xiàng)重點(diǎn)難點(diǎn)問題，如熔斷球鋼支座配合粘滯阻尼器方案解決靜力、抗震不同階段的受力需求；臨近既有橋墩的軟基基坑加固方案等。該橋的設(shè)計(jì)將結(jié)構(gòu)美觀性與受力合理性很好地結(jié)合在一起，其構(gòu)造設(shè)計(jì)思路及難點(diǎn)重點(diǎn)問題可對類似橋梁提供借鑒作用。