大跨径混合梁独塔斜拉桥设计

施文杰，梁长海，颜心园

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司;公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心,安徽 合肥 230088)

1 工程背景

本项目路线全长1.12 km，全线采用一级公路标准，路基宽度26.5 m，双向4车道，设计时速60 km/h，荷载等级为公路-Ⅰ级。桥梁横跨岷江，桥位处通航等级为Ⅲ级航道，计算通航尺度为243.11×18 m。设计最高通航水位：318.52 m(20年一遇)；天然情况下设计最低通航水位为304.94 m。

2 总体设计

全桥跨径布置为：2.2 m(桥台)+2×(4×30)m+5×30 m+(61+119+275) m+3×30 m+3.5 m(桥台)，全长940.7 m。其中主桥为(61+119+275) m混合梁独塔斜拉桥，墩塔梁固结体系，主桥边中跨比为0.655，如图1所示。

图1 桥跨布置示意图(单位：cm)

主桥单向纵坡为2.5%。桥面采用双向2%的横坡。主桥横断面布置为：1.5m(拉索区)+2.25 m(人行道)+2.75 m(硬路肩)+2×3.5 m(行车道)+0.5 m(路缘带)+1.5 m(中央分隔带)+0.5 m(路缘带)+2×3.5 m(行车道)+2.75 m(硬路肩)+2.25 m(人行道)+1.5 m(拉索区)=29.5 m。

3 结构设计

3.1 主桥箱梁结构

主梁采用混凝土与钢箱梁混合梁方案，钢混结合处位置考虑主梁与主塔的固结及主梁恒载的平衡，设置在主跨距离塔中18 m处[1]。

3.1.1 混凝土主梁

边跨主梁采用预应力混凝土PK断面箱梁，结构中心线处梁高为3.0 m，如图2所示。主梁顶板宽29.5 m，主梁外侧处顶板上缘距梁底2.72 m，箱室顶板厚28 cm，主梁断面横向开口段顶板厚30 cm。主梁横梁间距8 m，厚0.5 m，为带下马蹄矩形断面。过渡墩处端横梁厚1.8 m，辅助墩墩顶横梁厚为2 m矩形断面。混凝土主梁与主塔采用固结的型式，主梁在主塔处横梁采用两片厚2 m的横梁，横梁间距为6.4 m。

图2 混凝土粱段标准横断面(单位：cm)

3.1.2 钢箱梁

PK断面钢箱主梁由桥面顶板、底板、内腹板、外腹板、横隔板、风嘴、锚固构造等组成，如图3所示。钢箱梁中心线处高3.0 m，全宽29.5 m(不含风嘴)。PK钢箱梁横隔板由边箱内隔板和连接两边箱的钢横梁组成。箱内横隔板及箱外横梁腹板均采用整体式，由上、下两块板熔透对接。标准梁段长13.5 m，内设4道实腹式横隔板，间距3.375 m；拉索区边箱内隔板厚16 mm，对应钢横梁腹板厚16 mm、下翼缘板厚25 mm，宽800 mm；无索区边箱内隔板厚12 mm，对应钢横梁腹板厚12 mm，其中上连接板厚14 mm，下翼缘板厚20 mm，宽600 mm。

图3 钢箱梁标准横断面图(单位：cm)

3.1.3 钢混结合段

钢混结合段长5 m，其中2 m为混凝土区域，3 m为钢箱梁阶梯承压过渡区域。钢混结合段采用部分连接承压板方式，端部设置钢格室承压板，其中承压板厚度为25 mm，由承压板及钢格室混凝土直接传力。混凝土箱梁预应力穿过承压板直接锚固于承压板上。承压板背面与混凝土连接采用圆头焊钉以及开孔钢板连接件进行连接，保证了钢-混结合段力的可靠扩散和传递。

3.2 桥塔

索塔分为上塔柱、中塔柱、下塔柱3个部分，塔高174.1 m。上塔柱截面形状为变异的六边形断面，横桥向宽8.4 m，顺桥向宽8.4 m，纵横向壁厚均为1.0 m；中塔柱为变异的倒梯形断面，其中外侧切角面与上塔柱切角面完全一致，横桥向宽5.0 m，顺桥向宽8.4 m，壁厚由1.0m渐变增厚至1.2 m；下塔柱向内收敛并形成整体断面，横桥向宽28.0～25.0 m，顺桥向宽8.4 m，壁厚2.5 m，下塔柱设置放射状切角，根部切角尺寸为1.6 m×6 m。

桥塔下横梁采用箱型截面，高10.0 m，宽8.4 m，腹板厚2.0 m，顶板厚0.55 m，底板厚2.0 m。该横梁为拉弯构件，按全预应力构件进行设计，采用Φs15-21规格的钢束。

主塔采用矩形整体式承台配群桩基础，承台厚6 m。承台下设28根直径2.5 m的钻孔灌注桩，按嵌岩桩设计，如图4所示。

图4 主塔立面图(单位：cm)

3.3 斜拉索

全桥设38对斜拉索，设计安全系数为2.5。为保证斜拉索具有足够的安全性、耐久性，本桥选用高强度低松弛钢绞线拉索体系，单根钢绞线直径15.24 mm，拉索型号分为15.2-31、15.2-37及15.2-43三种。

3.4 塔上锚固系统

塔上锚固分为钢锚梁锚固和齿块锚固。本桥7～19号拉索在主塔上采用钢锚梁进行锚固，塔柱内设有钢锚梁13套，每套钢锚梁锚固2对斜拉索。钢牛腿是钢锚梁的支撑结构，由上承板、牛腿腹板、塔壁预埋钢板(含剪力钉以及与其连接的刚性预埋板)组成。

齿块结合环向预应力锚固方式是索塔间传统的锚固方式，本桥1～6号拉索在主塔上采用混凝土齿块进行锚固。本锚固方式中斜拉索直接锚固在空心塔壁上，为保证塔柱的承载能力和抗裂安全性，在锚固区设置环向平面预应力以平衡塔壁上的拉应力。索塔锚固区环向预应力按井字形布置，预应力采用φ16-2无黏接预应力钢棒。

3.5 辅助墩及过渡墩

小桩号过渡墩采用双柱矩形实心墩，墩高17.5 m。单个墩柱顺桥向厚3.0 m，横桥向宽5 m。墩柱中心距为15 m，墩顶设置宽1.2 m，高3.5 m的盖梁。

大桩号过渡墩采用双柱矩形空心墩，墩高45.3 m。单个墩柱顺桥向厚4.0 m，横桥向宽5 m，墩底实心段高26 m，墩顶实心段厚4 m，顺桥向及横桥向壁厚0.8 m。

辅助墩采用双柱矩形实心墩，墩高21 m。单个墩柱顺桥向厚3.0 m，横桥向宽5 m。墩柱中心距为15 m，墩顶设置3 m高3.5 m的系梁。

辅助墩及过渡墩承台均为顺桥向10.0 m、横桥向26.5 m的矩形承台，高3.0 m。承台下为10根直径2.0m的钻孔灌注桩，按摩擦桩设计。

4 结构计算[2]

整体计算采用空间有限元计算软件midas，计算模型整体坐标系统以顺桥向为X轴、横桥向为Y轴、竖向为Z轴。将实际结构进行有限单元离散，全桥共划分363个单元，总节点数558个，其中桥塔、主梁采用梁单元模拟，斜拉索采用索单元模拟。梁与索塔采用固结连接，有限元模型中采用刚性连接模拟；墩底采用固结约束。根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)的规定，成桥阶段分析主要考虑永久作用、车道荷载、温度作用、风荷载等作用下荷载组合效应。

通过对主桥施工过程及成桥运营状态模拟分析，主要计算结果如下：

(1) 混凝土主梁采用全预应力构件设计，持久状况正常使用状态最不利荷载组合下，混凝土梁最大压应力为14 MPa，无拉应力，满足设计规范要求[3]；钢箱梁主梁上、下缘最大应力分别为-119 MPa、44 MPa，满足规范要求。活载作用下钢主梁跨中挠度为329 mm，约为中跨跨度的1/836(规范要求活载挠度为1/400)，竖向刚度满足规范要求[4]。

(2) 斜拉索最大拉应力738 MPa，斜拉索安全系数均大于2.5，斜拉索汽车活载作用下最大应力幅174 MPa<200 MPa[3,5]。

(3) 桥塔截面在正常使用极限状态下受压；桥塔截面最大压应力为16.9 MPa，满足规范要求。

5 结束语

混合梁斜拉桥充分发挥钢与混凝土材料各自的优势，近年来在国内发展很快，积累了丰富的设计与建造经验。本文系统介绍了独塔混合梁斜拉桥的结构体系与构造尺寸、总体计算分析，为大跨度独塔混合梁斜拉桥设计积累了经验，可为同类型桥梁的设计提供参考。