双塔双索面支座体系混合式结合梁斜拉桥设计

谢 波 程应刚

（中铁大桥勘测设计院集团有限公司 武汉 430050）

洸府河大桥位于济宁市城市主干道太白楼东路和河东规划的诗仙路上，横跨洸府河、九九集团铁路专线及日菏电气化双线铁路，是济宁市完善城市路网结构，形成贯穿东、西城区的城市中轴线的重要通道。

1 工程建设条件

桥位处洸府河河面约70 m，该河段平时水深较浅，现状不通航，远期规划为V级航道。

桥位处日菏铁路和九九集团专线共有3股铁轨平行布置，路基总宽约60 m。

桥址区地层主要以冲洪积粘性土及砂土为主，地层稳定，工程性能较好，适宜开展工程建设。

2 主要技术标准

（1）道路等级：城市主干道。（2）设计荷载：城-A级。

（3）设计行车速度：60 k m／h。（4）地震烈度：基本烈度6度，按7度设防。（5）桥面宽度：全宽40 m，双向6车道，两侧设人行道和非机动车道。

（6）桥下净空：上跨铁路净高不小于7.96 m。

（7）桥梁坡度：考虑非机动车及行人通行需要，纵坡不大于2.5%；横坡为双向2.0%。

（8）通航标准：V级航道，通航净宽不小于45 m，净高不低于5 m。

（9）水文：最高通航水位＋36.29 m，设计水位＋41.50 m。

3 总体设计

3.1 平面设计

桥梁中线位于平面直线段上，与洸府河夹角约73°，与3股铁路线夹角约18°。

3.2 纵断面设计

纵断面设计主要控制因素有3点：

（1）上跨洸府河时能满足水利防洪及V级航道通航要求。

（2）上跨3股铁轨时轨顶至铁路建筑限界顶不小于7.96 m。

（3）施工时主桥梁底需要的操作空间及运营期间梁底检查维修设备空间，综合考虑按2 m预留。

3.3 横断面设计

主桥横断面全宽40 m，具体布置为：0.25 m栏杆＋2 m人行道 ＋3 m非机动车道 ＋3 m拉索区＋23.5 m机动车道＋3 m拉索区＋3 m非机动车道 ＋2 m人行道＋0.25 m栏杆。

4 主桥设计

4.1 桥跨布置

基于铁路运营安全考虑，主桥需一跨跨越3股铁路线，桥墩位于路基边坡以外。由于桥梁中轴线与铁路斜交角仅18°，主跨跨径须布置在320 m左右才能满足一跨跨越铁路线的要求。主桥边跨主要服从结构受力要求，兼顾河道行洪、通航及景观。综合比较，主桥主跨选择320 m合理且经济，具体孔跨布置为（60 m＋80 m＋320 m＋80 m＋60 m）＝600 m，边跨在靠近主塔80 m处设辅助墩。主桥立面、平面布置见图1。

图1 主桥立面、平面布置图

4.2 桥型方案及结构体系

对于桥型方案的选择，根据前期研究的成果，综合考虑经济、技术及景观等因素，确定采用双塔双索面斜拉桥方案。

主桥上跨3股铁路线，其施工必须充分考虑铁路正常运营的要求，以及对铁路安全行车的影响，经比较，结合梁方案是最为合适的。中跨主梁采用钢－混凝土结合梁，先逐段吊装并现场栓接拼装钢梁节段，然后施工混凝土桥面板，可以满足铁路正常运营需要并最大程度减小对铁路安全行车的影响。同时桥面沥青混凝土直接铺装于混凝土桥面板上，桥面易于实施、使用和养护。边跨主梁与铁路互不影响，主要考虑满足结构受力及经济因素，采用混凝土梁。

受限于结构布置，主桥只能选择塔梁固结、墩梁分离的支座体系，需要重点解决的问题是主塔墩处需选用竖向承载力约160 MN的特大型支座。在本项目之前，京沪高速铁路南京大胜关长江大桥已成功使用竖向承载力达到180 MN的球型钢支座，故本桥结构采用支座体系有可靠的技术支撑。主桥确定采用双塔双索面支座体系混合式结合梁斜拉桥方案，在国内尚属首次运用于工程实践，不仅具有非常鲜明的技术特点，也是一项颇具难度的斜拉桥工程。

4.3 中跨结合梁钢主梁

中跨钢主梁由钢边箱、钢横梁、钢托架及钢小纵梁组成。钢主梁全宽38.5 m，中心线处梁高2.354 m，2片钢边箱中心距26.5 m。钢边箱节段长10.5 m，顺桥向每隔3.5 m设钢横梁和钢托架。钢主梁标准横断面见图2。

图2 钢主梁横断面图（单位：mm）

钢边箱为单箱单室截面，中心线处高2 075～2 093 mm，2腹板内侧净宽1 300 mm，顶、底板宽2 060 mm。顶板厚20 mm，钢混结合段加厚至32 mm，腹板厚32 mm，底板共采用5种厚度：从大到小为50，44，40，36，32 mm。经过对常见的钢梁上斜拉索的锚固方式研究比选，采用钢边箱内部设置钢锚箱的方式锚固中跨结合梁斜拉索［1－2］。

钢横梁采用工字形截面，跨中高2 354 mm，横梁上翼缘厚20 mm，底板厚28 mm，腹板厚16 mm。为方便制造和运输，横梁分成3段，用高强螺栓拼接，横梁与钢边箱也用高强螺栓拼接。

钢托架设置在钢边箱外侧，用以承受非机动车道及人行道的荷载，采用变高度的工字形截面，上翼缘厚16 mm，底板厚16 mm，腹板厚12 mm。托架与钢边箱采用高强螺栓拼接。

为方便混凝土桥面板纵向湿接缝的浇注，在横梁间对称设置3道小纵梁，作为现浇缝的底模。小纵梁高500 mm，采用“工”字形截面，上翼缘厚12 mm，下翼缘厚12 mm，腹板厚12 mm，与横梁上对应位置的加劲肋采用高强螺栓拼接。

中跨钢主梁各板件采用Q370q E钢材；高强螺栓等级10.9S，M24螺栓采用20 Mn Ti B，M30螺栓采用35 VB；设在钢梁顶面上的剪力钉采用材质为ML15的电弧螺柱焊用圆柱头焊钉。

4.4 中跨结合梁混凝土桥面板

中跨混凝土桥面板分为预制部分和现浇部分（湿接缝）。预制部分采用C50混凝土，厚0.23～0.36 m，板边缘设有锯齿形剪力键。为减少混凝土收缩、徐变对结构的影响，每块预制板在吊装上桥之前，必须保证存放6个月以上。现浇部分采用C50微膨胀混凝土，厚0.36 m，通过设在钢梁顶面的剪力钉与钢主梁结合在一起。混凝土桥面板采用纵、横双向预应力体系，以解决其受拉问题。

为保证预制板与钢梁顶缘之间的密贴，在钢梁外缘粘贴有橡胶带，一防现浇湿接缝砂浆外溢，二防水浸锈蚀钢梁。

4.5 边跨混凝土主梁

边跨主梁采用C50混凝土，为预应力混凝土边主梁结构，全长146.9 m，伸入中跨7 m。主梁全宽40 m，桥梁中心线处梁高为2.7 m，主塔附近梁高增至3.7 m以满足结构受力需要。主梁在斜拉索锚固处及斜拉索中间均设有一道横梁和悬臂托架，间距均为4.5 m。

矩形边主梁标准宽度3 m，在边墩、辅助墩及主塔附近加厚至4～5 m。标准顶板厚0.25 m，标准横梁厚0.3 m，悬臂托架厚0.22 m。矩形边主梁底设有斜拉索锚固齿块。混凝土主梁标准横断面见图3。

图3 混凝土主梁横断面图（单位：c m）

4.6 主梁钢－混结合段

钢－混结合段是主梁受力的关键部位，位于主塔中心线往中跨一侧7 m处。钢－混结合段采用钢边箱埋入混凝土边主梁的方式，埋入部分长2 m。为确保结合部有效传力，将钢边箱的顶、底板伸入混凝土2 m，腹板及其加劲肋伸入混凝土1.5 m。伸入混凝土的钢边箱板件内、外侧均布置剪力钉，确保钢边箱与混凝土可靠结合［3－4］。主梁钢－混结合段构造见图4。

图4 钢－混结合段构造图（单位：c m）

在结合面处设置100 mm厚的承压板以减小混凝土的局部压应力，钢边箱内设置加劲以将其传递来的轴向力分散到承压板上。钢边箱顶板、腹板及底板上均开设多排直径190 mm的圆孔，方便混凝土的输送、流动及振捣工作，同时保证混凝土浇注过程中排气顺畅。

4.7 斜拉索

本桥斜拉索无特殊环境要求，主要考虑斜拉索的安装方便、快捷，采用常规成品高强热镀锌平行钢丝拉索，钢丝抗拉强度为1 770 MPa，拉索外用HDPE护套保护，护套外表设螺旋线以抑制余振的产生。主塔旁梁上索距17 m，中跨结合梁上索距10.5 m，边跨混凝土梁上索距9 m，塔上索距2 m。全桥共有斜拉索112根，分为14种规格，从121丝到349丝。

4.8 主塔

主塔为H形钢筋混凝土塔，全高77 m。每座主塔设一道开口板式上横梁，并在上横梁上部和下部分别设置半椭圆形装饰构件，上横梁为压应力构件。塔柱为四角倒圆的矩形空心截面，等截面布置，横桥向宽3 m，壁厚0.7 m，纵桥向宽6 m，壁厚1.2 m。塔柱上部矩形箱室内设有斜拉索锚固齿块，锚固区水平内配置了纵、横向预应力筋，用以抵抗箱形截面上四壁的拉应力，预应力筋采用直径32 mm高强精轧螺纹粗钢筋。

主塔竖向受力主筋采用直径32 mm钢筋，直螺纹连接接头，主塔箍筋直径为20 mm。

4.9 基础

主桥主墩采用板式桥墩，横桥向整体呈U形，分离的2个墩柱与混凝土主梁2个边主梁对应，墩柱下部为整体。单个墩柱横桥向宽5 m，顺桥向宽19 m。承台外形尺寸为32.5 m×26.2 m，厚5 m，下设28根直径2.8 m钻孔桩。主桥辅助墩和边墩均采用分离式花瓶形板式桥墩，每桥墩下设6根直径1.5 m钻孔桩。

4.1 0 结构计算

静力计算最不利工况下：中跨钢主梁最大压应力158 MPa，最大拉应力48 MPa；中跨桥面板最大压应力11.3 MPa，最小压应力0.15 MPa，未出现拉应力。边跨混凝土梁最大压应力14.4 MPa，最大拉应力0.7 MPa。主塔根部最大压应力13.7 MPa，最小压应力5.8 MPa，未出现拉应力。斜拉索最大应力686 MPa，最大应力幅177 MPa。静力计算结果表明，结构受力良好，满足要求。本桥同时进行了动力分析，结果表明其抗风、抗震性能良好，满足要求。

5 结语

双塔双索面支座体系混合式结合梁斜拉桥桥型为国内首创，结构新颖、技术难度大、设计复杂，在国内处于领先水平，其设计及建造技术为相似建设条件下采用斜拉桥方案提供了宝贵的工程经验。该桥设计方案于2012年3月取得国内实用新型专利，设计方案及施工方法在2013年9月取得国内发明专利。

［1］ 高宗余.青洲闽江大桥结合梁斜拉桥设计［J］.桥梁建设，2001（4）：13-16.

［2］ 李小珍，蔡 婧，强士中.大跨度钢箱梁斜拉桥索梁锚固结构型式的比较［J］.工程力学，2004（6）：91-97.

［3］ 刘玉擎.混合梁接合部设计技术的发展［J］.世界桥梁，2005（4）：11-14.

［4］ 卢桂臣；邹宏华.混合式斜拉桥钢混接合段的优化研究［J］.中外公路，2006（3）：156-159.