曹妃甸通港互通立交无背索斜拉桥设计

叶国勇,潘细宏

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西西安 710064)

曹妃甸通港互通立交无背索斜拉桥设计

叶国勇,潘细宏

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西西安 710064)

唐曹高速公路通港互通立交为一座独塔单索面无背索斜拉桥,桥梁全长120 m,跨径组合(47+73)m,全宽34 m,主梁、塔、墩均采用全混凝土结构。针对该桥特点,其设计在结构处理方面与以往无背索斜拉桥均不同,首次采用塔梁分离,梁墩固结结构形式,并且主梁结构采用分幅式箱梁,受力简单,施工方便,避免了整体式宽桥的一些弊病。介绍该桥结构处理及受力特点,并介绍其结构计算。

互通立交;无背索斜拉桥;塔梁分离;墩梁固结

0 引言

无背索斜拉是对常规斜拉桥造型的突破,无背索后倾的塔身形状表现出对相对纤细的桥面强大稳固支撑的力量感,十分醒目,能给人深刻的印象,因此自1992年西班牙塞维利亚建成世界上第一座无背索斜拉桥Alamillo桥以来,其发展势头不断扩大， 并在后续短短的十几年里， 世界各国相继建成无背索斜拉桥20余座,其中中国已建成的有长沙洪山大桥、合肥铜陵路桥、哈尔滨太阳桥，常州市常金大桥，长春市轻轨工程伊通河桥等。

与常规斜拉桥不同,无背索斜拉桥桥塔仅有单侧索,桥塔的受力表现为在斜拉索索力及自身重力作用下的悬臂梁。为确保主塔处于良好的受力状态,无背索斜拉桥的塔身一般都设计成倾斜的,依靠塔身的自重力矩来平衡斜拉索的倾覆力矩,因此组成了梁塔结构的平衡体系。

曹妃甸通港互通无背索斜拉桥是一座单塔双索面预应力混凝土斜拉桥,设计采用塔梁分离,墩梁固结,主塔位于两分离式箱梁中间,主塔及主梁均采用预应力混凝土结构,此种设计在国内尚属首次。本文简要介绍其构造处理及受力特点,为今后此类桥梁设计提供一定借鉴与参考。

1 工程背景

唐曹高速公路与湿地旅游公路交叉设置通港互通,该互通为唐海县及首钢住宅区出行车辆上下高速公路提供服务,并通往渤海国际会展中心。桥型方案经过综合景观及使用综合考虑,选定为无背索竖琴式斜拉桥方案,主桥跨径组合为(47+73)m,塔梁相交处桩号为K61+438.000。主塔采用群桩组合式基础，桥台采用肋式台，采用钻孔灌注桩基础,设计采用1.3倍公路I级,全宽0.5 m (护栏)+15.0 m(车行道)+0.5 m(护栏)+2.0 m(分隔带)+ 0.5 m(护栏)+15.0 m(车行道)+0.5 m(护栏)=34 m。

2 桥型及构造

2.1 桥型

由于全混凝土结构相对于全钢结构、钢混凝土叠合梁结构具有造价低、刚度大、后期养护少等优点,本次设计采用全混凝土结构即主桥结构形式采用斜塔扇式单塔双索面无背索预应力混凝土斜拉桥。

以往类似桥梁国内外均采用整体式设计,塔梁固结,但鉴于该桥桥面宽度较大,若采用以往的整体式设计,施工难度较大,尤其是0号块墩塔梁固结处约束较多,受力复杂,因此此次设计时将主梁采用左右幅分离设计,在有索区由拉索处横梁将左右幅主梁连成整体,主梁0号块现浇段采用变截面T构形式,其它现浇段采用等截面形式,这样设计可以克服宽体桥施工困难以及主梁桥面板裂缝问题,使受力更加明确,也避免了采用整体桥面导致中央分隔带箱梁梁体的浪费,节约了工程成本。图1为桥型总体布置。

2.2 受力体系

塔与梁采用分离式,梁墩采用固结体系，桥台处设盆式橡胶支座,见图2。

主梁所受的荷载由自身(体内预应力)及索力共同承担,通过合理的配束及合适的索力可使主梁满足全压状态工作。

图1 桥型总体布置(单位:cm)

无背索斜拉桥主塔通过自身一定的倾斜来抵消斜拉索带来的不平均弯矩,再配合索塔内预应力的作用,可致使主塔处于全压状态。

主墩受到主梁所产生的不平衡弯矩及索力的水平分力,由于主梁产生的弯矩和索力所产生的水平力对主墩产生的弯矩方向相反,合理的索力可以使主墩受力合理均匀。

此方案采用的分离式相对于以往的整体式同类桥梁,斜拉索会对每侧箱梁产生横向弯矩,但由于箱梁宽度较大,横向刚度大,经过分析其影响甚微,基本不会影响结构的安全。

2.3 主梁构造及施工注意事项

主梁采用箱型分离式断面，箱体混凝土分段浇筑；支点梁高4 m，跨中梁高度2.2 m，翼缘悬臂3 m；主梁在15 m范围内按直线由4变到2.2,底板厚由65 cm变到25 cm,箱梁顶板厚度均为25 cm;等高梁段底板厚度为25 cm,翼缘板厚度为18 cm;在等截面处边跨边腹板厚度为65 cm、中跨处边腹板厚度为50 cm,在变截面处变为65 cm;中腹板厚度为35 cm;0号块边腹板变为80 cm,中腹板变为60 cm。箱梁挑臂长度为3.0 m,底板宽度为10 m。在箱梁中央分隔带2 m宽位置设置双排斜拉索,拉索在横梁间距100 cm,斜拉索锚固处设有标准横梁,拉索锚固区横梁宽80 cm,梁内拉索处横梁厚度为35 cm,间距为5 m。塔梁固接处横梁厚100 cm,端横梁厚度为150 cm。主梁按全预应力混凝土构件设计;满堂支架现浇施工法。

图2 索塔主梁固结形式(单位:cm)

2.4 主塔构造及施工注意事项

主塔呈斜A形，自桥面至塔顶高38.2 m，塔顶设装饰区并设避雷针。主塔设置在绿化带中央,主塔与主梁之间由拉索建立联系,主塔采用变截面预应力混凝土结构。在桥面以上,主塔横桥向宽度260 cm不变,桥面以下加宽到500 cm。上部横断面尺寸为2.6 m×3 m,下部横断面尺寸为2.6 m× 6.8 m,根部横断面尺寸为5 m×8.89 m,塔中心与地面倾斜角度为75°,主塔竖向预应力采用24根15—19钢绞线。为施工方便,主塔内配有钢骨架，索塔上部施工采用在地面上主塔承台位置以及部分地面搭设支架,地面上主塔必须进行预压,支架与主塔接触面必须良好,保证限制主塔在施工时由于恒载产生内力及变形,索塔不设预拱度。图3为索塔一般构造。

由于塔柱向外倾斜,在施工中要防止塔根部内侧因受拉而开裂,同时要克服模板和混凝土在重力作用下的倾覆力矩,还要防倾斜,减少水平力的影响,因而采取在无背索面设置主动支撑,克服塔柱施工过程中因自重和施工荷载而引起的应力和位移。

图3 索塔一般构造(单位:cm)

2.5 斜拉索及施工注意事项

斜拉索采用Φ7平行钢丝,斜拉索外包PE防护,索面为扇型布置,在梁上从距桥头9.3 m处开始,每隔5 m设置一根,塔上索距1.5 m,共设7根。斜拉索采用镀锌平行钢丝拉索体系，每根斜拉索设减震器，下端3 m外包不锈钢管,塔顶放置不锈钢球,在钢球上设置避雷针,在上塔柱顶部放置3根不锈钢管琴把(最好为黑色)。索塔似一把竖琴,造型美观,能与景区周围环境相协调。

3 结构计算

由于该桥设计采用双幅分离式设计,受力明确,尤其是0号块,边界条件清晰,因此采用整理杆系分析即可满足设计要求。

本次设计计算分析采用Midas civil进行模拟, 116个梁单元(模拟主梁及墩塔),14个桁架单元(模拟拉索)。图4为计算模型。

图4 计算模型

3.1 混凝土构件应力计算

该桥混凝土主体结构均按照全预应力构件考虑,设计时考虑在施工及各种不利组合下均不产生拉应力,且有一定的安全储备。

在成桥状态下(正为压应力,负为拉应力):主塔最小正应力0.5 MPa,最大正应力11.3 MPa;主梁最小正应力2.7 MPa,最大正应力11.1 MPa;主墩最小正应力2.8 MPa,最大正应力3.1 MPa。在最不利短期荷载效应组合下(正为压应力,负为拉应力):主塔最小正应力0.4 MPa,最大正应力11.5 MPa;主梁最小正应力1.0 MPa,最大正应力11.2 MPa;主墩最小正应力2.1 MPa,最大正应力3.2 MPa。所有混凝土构件均为出现拉应力满足全预应力构件要求。

3.2 主梁刚度计算

主梁在活载下最大变形12.8 mm,仅为主跨的1/5 703，结构刚度较大,行车舒适性好。图5为主梁变形图。

图5 主梁变形图

3.3 斜拉索应力计算

在最不利荷载下斜拉索最大拉应力为328 MPa,为最短内侧索,因此索的安全系数为5,安全系数较高。

4 结语

尽管该桥跨径不大,但桥宽34 m,如采用整体式设计,不仅受力复杂,施工难度大,线形也不好控制,桥面板裂缝难以有效克服。基于以上原因,该桥采用塔梁分离、左右分幅结构设计,克服了以往设计这类桥均采用整体式结构所带来的一系列的缺点,受力简单,施工容易,主梁可以左右幅分开施工,且造型优美,不失为宽体斜拉桥设计的一种好方法。

该桥整个施工过程顺利,目前已建成通车,且运行状态良好。

U448.27

B

1009-7716(2015)03-0057-04

2014-12-01

叶国勇(1984-),男,安徽怀宁人,工程师,从事桥梁设计工作。