预应力混凝土无背索斜拉桥设计分析

刘 剑，马 勇

（新疆生产建设兵团勘测规划设计研究院公路分院，新疆 乌鲁木齐 830002）

1 工程概况

农五师工业园区桥位于博乐市农五师工业园区内。此桥拟建位置在农五师南北工业园区之间，横跨博乐河，北接农五师北工业园区规划中的幸福路或新市路，南接农五师南工业园区。根据博乐市城市防洪规划，博乐河防洪远期规划为百年一遇，设计洪水流量320m3／s，桥位处河床宽度约90m。下游橡胶坝建成后，博乐河常年蓄水位11.50m，河床底高程6.8m，堤顶高程13.8m，桥位处河流较顺直，常年水深约2m。现博乐河综合治理工程已基本结束，两岸沿河道路均已建成，两岸为成片的风景绿化带。北岸绿地宽约65m，滩地高程在12m左右，绿地外侧为滨河路，南岸绿地宽约100m，高程在13m左右。绿地外侧幸福路、滨河路均与博乐河平行。由于该桥位置特殊，对美观要求高，因此农五师交通局采用竞标方式选择桥型方案，经过对4家设计院9种桥型方案的比选，专家最终选择了新疆生产建设兵团勘测规划设计研究院的斜拉桥方案（总体布置见图1）。

图1 总体布置示意图

该方案造型新颖、美观，与周边环境相协调。桥位处地质从上而下地层差异不大，表面为填筑土和软塑状淤泥质土，层厚4～5m，其下为软硬塑状亚粘土，层厚11～13m，再下层为硬塑坚硬状粘土，层厚2～3m，在标高约－10m处进入泥岩，泥岩抗压强度为0.5～2.5kPa。桥梁平面位于直线上，纵面设2.9%和2.89%双向纵坡，竖曲线半径R＝2500m。桥梁跨径布置为30m＋66m＋30m，桥梁全长131.5m，全宽38m。设计要求如下：

a）荷载 设计荷载为城市A级，人群荷载为3.5kN／m2；

b）抗震烈度 根据《地震动峰值加速度区划图》（1∶4000000）博乐市区地震动峰值加速度为0.1g相当于原地震基本烈度Ⅶ度；

c）设计宽度 净－14m（快车道）＋2×1.5m（分隔带）＋2×5m（慢车道）＋2×5.5m（人行道），设计桥梁全宽38m；

d）通航标准 桥位处博乐河设计通航标准为Ⅶ级，通航净高不小于3m，通航净宽不小于20m；

e）设计行车速度 60km／h。

2 上部结构设计

2.1 主梁

主梁梁体采用梁格式结构，平均梁高2.5m，全桥横向分5道纵梁，两主纵梁分别位于快、慢车道分隔带处，梁上布置斜拉索与桥塔；在人行道与慢车道相连处及桥面中心线处设3道辅助纵梁。5道纵梁采用矩形和T形两种形式。桥梁横截面形式见图2。

图2 桥梁半横截面示意图

纵桥向每隔6m设1道横梁，全桥共18道，除墩、台位置外，其余均采用统一结构形式。主梁采用部分预应力混凝土结构，预应力以腹板束为主，辅以部分顶、底板束，每个主纵梁均配有8 束12φj15.24的预应力钢铰线束，每个辅助纵梁各配3束12φj15.24的预应力钢铰线束。腹板束均全桥通长布置，并设两道连接器。预应力钢束采用美国标准（ASTMA416—92a）中270级的低松弛高强度钢铰线，全桥锚具均采用YM系列。全桥预应力管道均采用塑料波纹管，并辅以真空压浆新技术。根据桥位处的地形状况，主梁设计采用搭满堂支架分段现浇法施工，施工顺序按照预应力的施加先后从主跨中心向两端进行。

2.2 主塔

主塔纵向设于①号桥墩处，横向分别位于两分隔带处，塔身主体在桥面以上高54.79m，其轴线与桥面呈60°夹角向北倾斜。在塔高30.79m和47.79m处分设两道横向联系梁，梁高3m，梁宽2.5m。塔底与主纵梁固结，在连接处两侧分别采用圆滑曲线过渡。主塔结构形式见图3。

图3 主塔纵断面示意图

塔内纵向预应力钢筋采用国标75／100 级，φ32mm高强精扎螺纹粗钢筋；锚具采用YGM—32系列锚具。为防止塔底圆弧段混凝土开裂，在此处配有单根缓粘结预应力体系的预应力筋。主塔施工在桥面系全部施工完毕后开始，自下而上分节段进行。施工过程中，利用桥面及斜拉索平衡斜塔，无需其它支撑。为突出斜塔的视角效果，斜塔设计涂装采用红色。

2.3 斜拉索

斜拉索布置在快、慢车道分隔带上，为双面单向索。拉索开始位置在塔身和梁体上均为距塔底梁体中心12m处，纵向共设8根拉索，梁上与塔上标准平行间距6m。斜拉索采用德国标准（Thyssen·A·G）镀锌高强钢丝，163φj7mm钢丝束，单根钢丝面积A＝38.48mm2，标准强度Ryb＝1600MPa，锚具采用LM 系列锚具。拉索外套采用兰色PE护套。

3 下部结构设计

下部结构桥墩采用双柱式墩、桩基础，由于桥位处下部地质为泥岩，强度不高，承载力较小，采用大孔径钻孔桩既不易钻进，又大大减弱了侧壁摩阻力。根据博乐地区挖孔桩施工的成功经验，并应业主要求，全桥均采用挖孔桩，钢筋混凝土护壁，所有挖孔灌注桩均按摩擦桩设计。主塔处①号桥墩墩身高2.0m，承台长25.25m、宽9.75m、高3m，桩基础为挖孔灌注空心桩，采用预制涵管成芯，每柱下4根，共8 根，桩径φ2.50m，桩长36m。无塔处②号桥墩墩身高8.5m，承台长21.8m、宽6.3m、高2.5m，桩基础为挖孔灌注桩，每柱下4根，共8根，桩径φ1.50m，桩长32m。桥台采用桩柱式桥台，两桥台均采用单排挖孔桩，每桥台5根桩，分别布置于5 根纵梁肋下支座处，桩径φ1.50m，桩长29m。

4 结构计算

考虑到本桥桥面较宽的特点，采用三维桥梁结构计算分析通用程序Ansys进行结构分析计算，采用“桥梁博士”计算程序进行校验。计算内容包括恒载（结构自重、人行道及行车道铺装、栏杆等）、活载、温度力、风力、混凝土收缩和徐变等荷载（或作用）下的截面强度、剪应力及主拉应力等内容。

5 结语

农五师工业园区桥是一座城市桥梁，位于博乐市的“塞纳河”上，在进行结构设计时还注重了桥梁的美学效果，力求与周边环境协调统一、自然和谐，希望使之成为博乐市标志性建筑之一。该桥采用预应力混凝土斜塔无背索斜拉桥结构，具有优美流畅、造型美观和构造创意独特等特点。同时，该桥在设计时采用了许多新技术、新工艺，主要有以下几个方面。

5.1 由于施工困难，斜桥塔一般采用钢结构，但钢质桥塔在雨水多、空气湿度大的地区易锈蚀，造成后期养护工作难度大。本设计考虑博乐地区雨水多、空气湿度大的特点，采用预应力混凝土结构，并在施工方案安排上采用先梁后塔，利用先期施工的桥面系平衡桥塔技术，即主梁采用搭满堂支架从跨中心处开始向两边对称分节段现浇施工顺序，主塔采用自下而上分节段现浇，索塔内力由拉索及主梁平衡等施工方法。

5.2 预应力束以通长腹板束为主，使预应力与纵梁内力较吻合，减少了二次矩，而且采用塑料波纹管和真空压浆技术，消除了钢铰线与管道之间的磨损，同时也减少了摩擦，使预应力损失减小，压浆更密实。

5.3 主塔墩基础采用大直径人工挖孔空心桩，既减少了桩的自重，又节省了混凝土用量。

5.4 为提高桥梁支座使用的耐久性及可靠度，全桥采用球形钢支座，同时鉴于桥面较宽，采用固定、单向和多向3种支座，避免了横桥向温度变形的影响，使受力更合理。