非对称变截面斜塔斜拉桥主桥结构设计与施工

饶宗润，李 明

（南华大学 土木工程学院，湖南 衡阳 421001）

1 工程概况

本项目香溪河大桥为独臂斜塔中央单面斜拉索斜拉桥，跨径为（90+238）m+（2×15）m、塔身高度 126m、塔身为倾角10°的独斜塔。该桥地处昭君故乡湖北兴山县，根据当地文化，索塔采用“琵琶”型独斜塔，横桥向由椭圆、圆曲线、直线段相互衔接过渡，顺、横桥向各部尺寸均不相同，塔内箱室尺寸相异，整个塔身造型美观、结构复杂多变。主梁边跨90m，主跨238m，跨径悬殊大，结构平衡难度较大，同时该桥地处三峡沟谷地带，受峡谷风影响较大。施工期间，主梁和主塔产生风动颤振不平衡，与塔身结构自身倾斜产生的不平衡叠加，施工难度较大。香溪河大桥桥型布置如图1 所示。

图1 峡口香溪河大桥桥型布置

2 主要设计技术指标

（1）道路等级：双向四车道一级公路。（2）计算行车速度：60km/h。（3）荷载等级：汽车活载等级为公路I 级，人群为3.5kN/m2。（4）最大纵坡：主线0.949%。（5）洪水频率：1/300。（6）通航标准：内河1（3）级航道，通航净高不小于18m（兼顾24m 高三峡库区客轮）。（7）设计基准期：桥梁设计基准期为 100年。（8）设计水位：最高通航水位 173.31m，1/300 水位为173.31m。（9）设计基本风速：24.1m/s。

3 主桥结构设计

3.1 上部结构

桥面纵坡为1.0%单向下坡。混凝土主梁及主跨钢箱梁均为带悬臂翼缘的箱型断面，中跨越过桥塔11.05m 处为钢混结合面。

桥面全宽 25.5m：1.5m 人行道+0.5m 护栏+0.75m 硬路肩+（3.75+3.5）m 行车+0.75m 硬路肩+0.5m 护栏+3.0m 中央布索区+0.5m 护栏+0.75m 硬路肩+（3.5+3.75）m 行车+0.75m硬路肩+0.5m 护栏+1.5m 人行道。

3.2 主桥支承体系

结构总体为塔、墩、梁固结体系。索塔位置桥塔中塔柱、主塔墩、混凝土主梁三者固结于一体；0 号桥台、主跨过渡墩墩顶设置竖向支座（纵向活动）及横向抗震挡块。

全桥约束体系汇总见表1。

3.3 主桥下构及基础设计

3.3.1 主塔基础

表1 结构体系约束系统汇总

主塔基础为整体式承台基础，承台尺寸17×26×7.5m，配15 根直径为2.2m 的钻孔灌注桩。桩基为嵌岩桩。桩基外层设置直径2.5m、壁厚16mm 的永久钢护筒，钢护筒长度设置为15m。

3.3.2 过渡墩

采用横向双肢实体板式墩，墩身尺寸为2×3m（顺×横）；盖梁截面尺寸为2.8×2.6m（宽×高），实心截面；承台平面尺寸3.6×8.0m（顺×横），厚2.5m，承台系梁截面尺寸为2.0×2.0m（宽×高）；每个承台下配置4 根直径2.2m 桩基，按照嵌岩桩设计。

3.4 主塔设计

该桥地处昭君故乡湖北兴山县，根据当地文化，索塔采用“琵琶”型独斜塔，主塔塔身由上塔柱、下塔柱、横梁等组成。塔身向岸侧顺桥向倾斜10°。主塔总高度（塔座顶至塔顶）竖向为126m，塔身采用箱形截面，从上至下分为2 段（上、下塔柱）。

图2 峡口香溪河大桥主塔剖立面图（单位：cm）

上塔柱竖向高度为53m，为单箱单室截面。顺桥向宽度由塔顶7m 渐变到上塔柱底7.524m，横向宽度由塔顶7.0m渐变到上塔柱底13.407m，顺桥向塔壁厚为1.0m，横桥向塔壁厚为0.8m。上塔柱斜拉索锚固区锚固段局部采用齿板式并采用厚1cm 钢板包裹。

下塔柱高为73m，采用单箱单室截面。顺桥向宽度由7.524m 渐变到8.2m，横向宽度曲线变宽，最小宽度4.5m，顺桥向塔壁厚为0.8m，横桥向厚为0.8m。主塔在桥面以下及承台顶以上，采用塔梁固结，根据计算配置预应力钢束，采用金属波纹管，辅助压浆法进行施工。在靠向岸侧设置三道宽1.0m 的实心楔形竖向支撑。主塔柱设有劲性骨架，以便于施工定位。为满足施工和检修的需要，在塔柱内设置检修楼梯。

3.5 主梁设计

斜拉桥主梁采用带悬臂的大倾角的斜腹板箱型断面，箱梁顶板横向宽25.5m，底板宽13.7m，翼缘悬臂长3.5m。

3.5.1 混凝土主梁

为平衡主跨重量，边跨采用整体断面式混凝土箱梁，并适当增加了截面面积。顶板设2%双向横坡，底板水平；道路中心线处梁高2.98m，箱梁一般断面处顶板厚35cm、底板厚50cm；为简化混凝土梁范围的斜拉索锚固构造，并增加主梁自重，箱梁中央设置了厚3.2m 的纵腹板，整个箱梁为单箱双室断面，其中边腹板厚50cm。

图3 混凝土主梁标准梁段断面图（单位：cm）

混凝土箱梁在布索区每隔4m 设一道横隔板，在无索区每隔4.3m 左右设一道横隔板，横隔板共分5 类：第Ⅰ类为普通中横隔板，厚50cm；第Ⅱ类为梁端端横隔，厚300cm；第Ⅲ类为塔、墩、梁固结处横隔板，厚100cm；第IV类为钢混结合段处横隔板，厚150cm；第Ⅴ类为边跨最靠近主塔处中横隔板，厚40cm。

主桥混凝土箱梁采用两向预应力体系，纵桥向采用每股直径15.2mm 钢束按全预应力混凝土构件设计；横桥向采用每股直径15.2mm 钢束按部分预应力A 类构件设计。

3.5.2 钢箱主梁

钢箱梁为整体断面形式，钢箱梁的中心处高度为3.0m，节段标准长度设置为12.8m，其顶板厚16mm，斜腹板和底板厚14mm；钢箱梁顶板、斜腹板、底板主要采用U 肋闭合加劲，顶板U 肋厚度8mm、斜腹板、底板U 肋厚度6mm。中纵腹板采用实腹式，板厚24mm，设5 道14×160mm 双面加劲。

图4 钢箱梁标准梁段断面图（单位：mm）

钢箱梁横隔板标准间距3.20m，均为实体式隔板，对应斜拉索锚固处横隔板厚14mm，无斜拉索锚固处横隔板厚12mm，过渡墩支座处横隔板加厚至20mm。

3.5.3 钢混结合段

钢混结合段长7.85m，采用部分连接填充混凝土方式，其中钢格室为箱形结构，长度为2.0m，高0.8m，标准宽1.2m、0.8m；钢格室腹板及抗剪钢板上开有φ60mm 圆孔，并穿过φ20mm 钢筋与进入该圆孔的混凝土包裹在一起形成钢筋混凝土剪力键（PBL 键）。钢格室通过钢箱梁加强段与钢箱梁连接，其内填充混凝土；钢箱梁加强段采用在U 肋中间加设T 形加劲的方式，长3.25m。为保证钢箱梁与混凝土箱梁紧密结合，在结合段还设置有预应力钢束；为保证混凝土浇注时在钢格室内能够自由流动，在钢格室顶板上开设浇注孔，腹板上设置连通孔。

3.6 斜拉索设计

采用fpk=1770MPa 平行钢丝斜拉索，全桥共2×17×2=68根斜拉索，最大规格为PES7-211。根据索力的不同，共设置PES7-55、PES7-85、PES7-91、PES7-109、PES7-127、PES7-163、PES7-211 七种规格。

3.7 主桥施工

3.7.1 基础施工

三峡库区的蓄水位根据水库调度与防汛的需要，每年均按照一定的规律变动。考虑到开工日期的不确定性，为避免等待低水位期而延误工期，本主墩桩基施工按水中基础施工考虑，即采用钢护筒辅助施工，其施工流程为：插打桩基钢护筒；依附钢护筒搭设桩基施工平台；机械钻孔施工；吊放钢筋笼；灌注桩基水下混凝土。

为避免采用围堰法施工承台，将主墩承台底面标高设置于三峡库区最高蓄水位以上，若承台施工时处于高水位状态，依托桩基及钢护筒搭设承台施工底模；若承台施工时处于低水位期，用圬工混凝土筑岛填平承台区域。然后按照干处施工方式进行承台的施工。

3.7.2 主塔施工

主塔采用液压爬模系统逐段现浇施工，根据需要在塔平面内设竖向、横向支撑。由于桥塔顺桥向倾角为10°，计算表明塔身倾斜产生的自重弯矩将导致桥塔出现较大的拉应力，所以中塔柱施工时设置必要的顺桥向的临时落地支撑。索塔中塔柱在横桥向面内有较大的倾斜角度，将产生较大的横桥向弯矩，故施工过程中需设置横桥向两肢塔柱间的临时支撑杆，并施加必要的顶推（或对拉）力调节塔柱横桥向弯矩。索塔上塔柱的施工，将导致索塔中塔柱顺桥向的弯矩进一步增加，为避免出现过大的裂缝，上塔柱施工建议采用塔、梁、索同步的方式。

中上塔柱过渡段施工完成之后，为调节中塔柱横向弯矩，施加永久的对拉拉杆力。分批施加拉杆力的过程中可同步拆除横桥向的临时撑杆。上塔柱锚固区采用预应力环向钢束索塔锚固方案，其施工顺序为：塔柱劲性骨架安装、钢筋绑扎、斜拉索索导管及锚垫板安装、环向预应力管道及锚具安装、定位钢筋及防崩钢筋安装、安装模板、浇筑塔柱混凝土、张拉环向预应力钢束并压浆、封锚。

3.7.3 边跨混凝土箱梁及钢混结合段施工

边跨混凝土箱梁采用多点支撑落地支架现浇施工，由桥塔向岸侧分两段进行施工，其中塔梁交界段与钢混结合段同步施工。待桥塔塔柱施工超过下横梁后，搭设塔梁交界段混凝土主梁现浇支架及钢混结合段托架，安装混凝土主梁模板、绑扎钢筋，吊装钢混结合段钢箱梁并滑移就位，浇筑主梁混凝土并养生，张拉塔梁交界段混凝土主梁纵、横向预应力钢束。

3.7.4 钢箱梁施工

主梁及拉索施工钢箱梁在工厂加工制造，钢混结合段及索塔施工完成后，在边跨混凝土梁段及钢混结合段上拼装桥面吊机，待桥面吊机就位后，吊装1 号节段钢箱梁，调整标高，施加主梁节段间的连接，安装该梁段斜拉索并进行第一次张拉，前移桥面吊机，第二次张拉该斜拉索，吊装下一个梁段。重复上述施工步骤进行钢箱梁和斜拉索的架设。

钢箱梁过渡墩顶附近19 号梁段为边跨合龙段，边跨合龙段需要在主跨钢梁悬臂吊装期间，提前利用浮吊吊装至辅助墩顶。边跨合龙前精确测量全桥梁长，确定合龙段配切长度，现场配切后顶推合龙段至合龙对接口。通过配重或索力调整等措施，微调对接环缝的高度误差，满足对接精度要求后施加临时连接固定，随后实施对接环缝的焊接。

3.7.5 引桥施工

本项目引桥规模较小，为两孔15m 连续普通钢筋混凝土箱梁，采用满堂支架法现浇施工。为消除支架的非弹性变形，设置不小于主梁自重120%的重量进行压重。

4 结束语

峡口香溪河大桥为独塔、斜塔中央索面混合梁斜拉桥，其“琵琶”形主塔向岸倾斜10°。跨江一侧的主跨为钢箱梁，自重较轻，靠岸的边跨则为混凝土现浇箱梁，自重和刚度较大，但起到了良好的锚固和压重作用。通过这种合理设计，能够减小边跨上浮，抵消边跨支点负反力，还能减小主跨下挠，提高了斜拉桥的跨越能力，在中、西部山区及跨河道路桥梁建设中采用较多，故本斜拉桥的设计和施工可为类似工程提供参考。