女山湖大桥部分斜拉桥总体设计与计算

谈 亭

(安徽宏泰交通工程设计研究院有限公司，安徽 合肥 230011)

1 工程概况

S257明光段改建工程位于明光市境内，路线起于泊岗乡老窑村苏皖交界处，自北向南途径柳巷镇、潘村镇、女山湖镇及苏巷镇，并于女山湖镇王咀村跨越女山湖，终点与在建的G104平面交叉，路线全长约42.3 km。

女山湖大桥跨越女山湖Ⅳ级航道，路线法线与水流方向斜交角约7°，桥梁采用正交设计。主桥采用(80+140+80)m部分斜拉桥跨越主、副航道，跨北侧大堤桥梁采用(30+50+30)m变截面连续箱梁，引桥采用30 m先简支后连续预应力小箱梁，桥梁全长1 497.5 m，全宽26 m。

2 主要技术标准

(1)道路等级：双向四车道一级公路。

(2)设计荷载：公路-Ⅰ级。

(3)设计行车速度：80 km/h。

(3)通航标准:天然渠化河流Ⅳ级通航，主通航孔净空尺寸为120 m×8 m，两侧副通航孔净空尺寸为60 m×8 m；最高通航水位16.3 m，最低通航水位12.95 m。

(4)抗震等级：桥位区域地震动峰值加速度0.15g，抗震设防烈度为7度。

(5)设计洪水频率：1/300。

3 总体设计

3.1 平、纵、横布置

主桥桥梁平面中心线与桥位处道路中心线重合，全桥范围内道路中心线为直线。桥面纵断面以主桥桥跨中线对称线，变坡点设于K22+497，桥面纵坡为1.5%，变坡点处设半径为20 000 m的曲线。

桥面宽度：2×[0.5 m(护栏)+11.0 m(行车道)+0.5 m(护栏)]+2.0 m(中分带)，全宽26.0 m(图1)。

图1 桥梁跨中标准横断面(单位：cm)

3.2 总体布置

桥梁跨越女山湖规划Ⅳ级航道，根据通航专题的论证结果及相关要求，桥梁需预留单孔双向通航主通航孔，两侧预留双孔单向通航副通航孔，最终确定主桥跨径为(80+140+80)m。通过对连续梁、部分斜拉桥、连续组合钢拱桥三个方案的对比，综合考虑桥梁受力、造价、景观及后期养护难易程度等因素，主桥采用双塔单索面双排索预应力混凝土部分斜拉桥，为塔梁固结、梁墩分离结构形式(图2)。

图2 主桥总体布置图(单位：m)

全桥跨径布置为：3.5 m(桥台)+16×30 m+(30+50+30) +12×30 m+(80+140+80) m+8×30 m+3.5 m(桥台)，桥梁全长1 497.5 m，全宽26 m。其中主桥长300 m，主塔桥面以上高26.8 m，全桥共设20对斜拉索，每个索塔10对，斜拉索扇形布置。

4 结构设计

4.1 上部结构主梁设计

部分斜拉桥主梁要承受较大弯矩，整体刚度主要还是由主梁提供，边中跨比更接近连续梁结构，在0.5～0.6[1]。本桥主梁为预应力混凝土整体式箱梁，边中跨比为0.571，与同跨径连续梁边中跨比类似，箱梁中支点处高度4.8 m，跨中梁高度2.8 m，跨中高跨比1/50，支点高跨比1/29.2，梁高按2次抛物线规律变化，梁高较同跨径下连续梁结构有所降低。鉴于本桥跨径不大，桥墩高度仅17 m，主梁结构体系采用塔梁固结、梁底设支座，该形式适用于跨度不太大的桥梁，支座吨位不至于过大，该体系特点是塔根弯矩较小，塔两侧索力差较小，结构的整体刚度较小[2]。

箱梁宽度为26.0 m，两侧悬臂均为4.25 m，采用单向三室断面(图3)。箱梁顶板厚28 cm，箱梁底板厚度30 cm，腹板厚度分别为50 cm、60 cm、70 cm。标准横隔板每450 cm布置一道(拉索区布置)，并与斜拉索索距对应。标准横隔板中室处厚度为50 cm，边室处厚度为30 cm。桥面横坡2%由箱梁浇筑时形成。

图3 中支点处主梁横断面(单位：cm)

主梁划分为0#～17#节段，0#、1#节段在托架或支架上现浇，2～15#节段采用挂篮悬臂浇筑施工，16#块为合龙段，17#跨为边跨支架段。0#块长8.0 m，1#～2#块长3.0 m，3#～13#块长4.5m，14#～15#块长3.75 m ，合龙段长2.0 m，边跨现浇段长8.9 m。

主梁采用纵向和横向体内预应力体系。纵向预应力钢束设置了顶板束、底板束和腹板下弯束，顶板束布置在负弯矩区，底板束布置在正弯矩区，顶板钢束采用Φs15.2-16、Φs15.2-19、Φs15.2-9高强低松弛钢绞线，；腹板下弯束布置在全桥腹板内，采用16-Φs15.2高强低松弛钢绞线；底板钢束采用12-Φs15.2、16-Φs15.2、19-Φs15.2高强低松弛钢绞线，标准强度fpk=1 860 MPa，底板纵向预应力束分别锚固于齿板上，纵向预应力钢束均采用两端张拉。

4.2 桥塔及索鞍

借鉴部分斜拉桥桥塔参数及无索区长度参数敏感性分析[3]，主塔高26.8 m，其中主梁顶至索顶高22.8 m，采用钢筋混凝土独柱实心矩形截面，主塔截面顺桥向长3.8 m，横桥向宽2.6 m，布置在中央分隔带上，并与主梁固接。梁上塔根处无索区长度20 m，无索区长度与跨径比为0.143；跨中无索区长度19 m，无索区长度与跨径比为0.136；拉索区长度41.5 m，梁上索距4.5 m。

塔身上部设鞍座，以便斜拉索通过。斜拉索横桥向呈两排布置，间距1.1 m，鞍座亦设两排(图5)。鞍座采用分丝管形式，鞍座内部填充DUCTAL浆体(28 d抗压强度不低110 MPa)，根据钢绞线的根数在砂浆内使用模具制成相应孔数，来保证索体内的所有钢绞线均相对独立。鞍座内填充的防腐剂不得影响单根钢绞线的更换。索体受力后，钢绞线在鞍座内被锚固来抵抗桥塔两侧的不平衡力。鞍座两端不需要抗滑锚也不需要填充环氧养砂浆进行粘结，以免影响单根钢绞线的更换。索体自由段的防腐措施有：① 钢绞线表面环氧涂层；②表面涂油脂；③ 外包PE护套；④ HDPE索体外套管。

图4 拉索及索鞍装配示意图(单位：cm)

图5 正常使用极限状态上、下缘最小正应力(单位：MPa)

4.3 斜拉索设计

斜拉索采用钢绞线斜拉索。全桥斜拉索共10对，最长索约133.82 m，最短索约51.06 m，单根重1.74～5.45 t，均采用成品索，锚具均采用15.2-31 、15.2-37夹片锚体系。每索上、下端套筒出口处均设置由黏弹性高阻尼材料制成的减振阻尼衬套，以减小或消除拉索的风激振动。索梁交接处还设置不锈钢管以保护索体。斜拉索采用多层防腐系统，包括环氧涂层、涂油、PE护套和高密度聚乙烯外护套管，为消除风雨震动效应，外护套管表面设置双螺旋线。斜拉索锚具的疲劳性能应满足应力幅200 MPa，45%钢绞线标准破断强度为应力上限，200万次应力循环。

4.4 下部结构设计

下部结构墩柱采用门型桥墩，主墩截面基本尺寸为15.2 m×6 m，墩高17.0 m；主墩承台平面为矩形，尺寸19.5 m×19.5 m，承台厚5 m；主墩承台接16根直径2.0 m桩基。过渡墩截面基本尺寸为24.7 m×3.2 m，墩高为16.0 m。过渡墩承台平面为矩形，尺寸19.5 m×9.3 m，承台厚4 m。承台接8根直径2.0 m桩基础，全桥桩基均按摩擦桩设计。

5 结构计算分析

主桥总体计算采用平面杆系单元进行模拟，采用MIDAS Civil 2019建立空间有限元模型复核验算。根据施工步骤进行施工及运营阶段模拟分析，按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)对施工阶段及成桥阶段进行荷载组合计算。

通过模拟分析主桥施工及运营等各工况的受力情况，得到的主要计算结论如下：

(1) 本桥索梁活载比约为0.22，主要由混凝土主梁分担竖向荷载，符合部分斜拉桥的受力特征[4]。

(2) 持久状况正常使用极限状态下正截面抗裂验：主梁在边跨顶缘出现最小正应力为0.4 MPa，跨中处梁底下缘最小压应力为2.9 MPa，跨中正应力安全储备较好，主梁截面全受压，满足规范要求[5]。

(3) 持久状况正常使用极限状态斜截面抗裂验算：主梁在正常使用极限状态下最大主拉应力为-0.84 MPa，满足规范小于0.4ftk(1.096 MPa)，抗裂验算满足要求。

(4) 持久状况正常使用极限状态下正截面最大压应力验算：主梁正截面最大压应力值为16.2 MPa，小于0.5fck=17.75 MPa(C55混凝土fck=35.5MPa)，满足规范要求。

图6 正常使用极限状态上、下缘最大正应力(单位：MPa)

(5) 持久状况正常使用极限状态箱梁斜截面最大主压应力验算：主梁正截面最大压应力值为16.6 MPa，小于0.6fck(21.3 MPa)，正常使用极限状态各种组合下的主梁截面斜截面最大压应力满足要求。

(6) 主梁正常使用极限状态挠度分析：活载作用下，主纵梁最大负挠度值为-59.4 mm，正挠度为22.9 mm，计入挠度长期增长系数1.40后，挠度值1.4×82.3=115.2 mm，未超过跨径的1/600，满足规范要求。

(7) 根据相关规范[6]规定，部分斜拉桥运营状态斜拉索的安全系数不应小于1.667， 最外侧J10斜拉索在正常使用阶段的应力最大，最大拉应力值为729.1 MPa，最小拉应力值为682.0 MPa，小于0.6fpk=1 116 MPa，对应拉索安全系数为2.44，拉索最大应力幅47.1 MPa<200 MPa，满足相关要求。

6 结束语

部分斜拉桥是梁式桥与斜拉桥的一种组合体系桥梁，主梁刚度大，与普通连续梁相比又能有效地降低梁高，使结构更加轻盈美观，兼具二者的优点，经过几十年的发展，在国内得到广泛的应用。本桥的设计，为同等跨径范围内的部分斜拉桥设计积累了经验，可为同类型桥梁的设计提供参考。