甄玉杰，頡瑞杰

（中建三局集團(tuán)有限公司西北公司，陜西 西安 710065）

1 概 述

混合梁斜拉橋，即主梁在邊跨的一部分或全部采用混凝土梁，其余梁段采用鋼梁或組合梁的斜拉橋[1]?；旌狭盒崩瓨蜻呏锌绫纫话銥?.3～0.45。某混合梁斜拉橋跨徑布置為3×60+716+3×60=1076m，邊中跨比為0.251，橋梁總體布置如圖1所示。本橋邊中跨比為0.251，接近極限邊中跨比（地錨斜拉橋除外），故有必要對(duì)結(jié)構(gòu)體系、結(jié)合段位置、邊跨壓重等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

圖1 橋梁總體布置圖（單位：cm）

2 結(jié)構(gòu)體系研究

斜拉橋按塔、索、梁三者結(jié)合方式，可組成4種不同結(jié)構(gòu)體系，即飄浮體系（全飄浮體系）、支承體系（半飄浮體系）、塔梁固結(jié)體系和剛構(gòu)體系[2-5]。這4種形式均為成熟方案，在國(guó)內(nèi)外有廣泛的應(yīng)用。塔梁固結(jié)體系和剛構(gòu)體系多運(yùn)用于主跨400m以下的斜拉橋。本橋主跨為716m，跨徑較大，因此考慮全飄浮體系和半飄浮體系兩種方案，并建立相應(yīng)的全橋有限元模型，分析計(jì)算并進(jìn)行比選，選擇較為適合的結(jié)構(gòu)體系方案。

2.1 主梁受力對(duì)比

恒載+活載下主梁彎矩對(duì)比如圖2所示。

圖2 恒載+活載下主梁縱向彎矩圖（單位：kN·m）

從圖2可以看出，恒載+活載工況下，全飄浮體系塔柱處縱向彎矩最大值為46848kN·m，半飄方案塔柱處縱向彎矩最大值為128735kN·m，全飄方案塔柱處彎矩僅為半飄浮體系的36.4%。其他區(qū)域兩者加勁梁彎矩相當(dāng)。

2.2 主梁剛度對(duì)比

活載作用下主梁豎向位移如圖3所示。

圖3 活載作用下主梁豎向位移（單位：cm）

全飄方案塔區(qū)附近邊跨活載位移略大于半飄方案，但差別不大。兩個(gè)方案豎向剛度均滿足規(guī)范要求。

2.3 施工方案分析

為避免索塔區(qū)采用現(xiàn)澆混凝土箱梁帶來(lái)高支架施工風(fēng)險(xiǎn)高的問(wèn)題，索塔兩側(cè)索塔區(qū)施工方案調(diào)整為吊裝存放于低支架上的鋼箱梁。本橋采用獨(dú)柱式索塔，索塔處若設(shè)置支承，需要采用大懸臂橫梁，不僅影響美觀，而且橫梁受力不合理。若采用全飄體系，既可避免大懸臂橫梁設(shè)置影響美觀、受力不合理等問(wèn)題，又能方便鋼箱梁吊裝，因此大橋宜采用全飄浮體系。

綜合以上因素，從主梁受力對(duì)比看，全飄浮體系與半飄浮體系兩種方案，結(jié)構(gòu)受力、位移等均滿足規(guī)范要求。從施工方案考慮，大橋采用全飄浮體系，既可避免大懸臂橫梁設(shè)置影響美觀、受力不合理等問(wèn)題，又能方便鋼箱梁吊裝。從工程實(shí)例上看，大跨分體式主梁的斜拉橋基本是采用全飄體系。綜合考慮各項(xiàng)因素，本橋采用全飄浮體系。同時(shí)，為限制結(jié)構(gòu)橫向位移和縱向位移，索塔處設(shè)置橫向抗風(fēng)支座和縱向帶限位功能的黏滯阻尼器[6]。

3 鋼混結(jié)合段位置研究

3.1 結(jié)合段位置選擇

混合梁合理利用兩種材料的性能，使得結(jié)構(gòu)受力、跨越能力和經(jīng)濟(jì)性得到大幅提升，但鋼混結(jié)合段處于材料和結(jié)構(gòu)特性突變處，是混合梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵控制部位[7-8]。根據(jù)橋梁總體布置的不同，綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、施工和經(jīng)濟(jì)性等因素，混合梁斜拉橋主梁鋼混結(jié)合部的位置可以設(shè)置在中跨、橋塔中心處、邊跨。從結(jié)構(gòu)受力考慮，混合梁斜拉橋合理結(jié)合段位置需要兼顧橋梁結(jié)構(gòu)整體受力和結(jié)合段局部受力兩方面結(jié)構(gòu)性能要求[9-10]。對(duì)于公路橋梁來(lái)說(shuō)，由于活載較恒載要小得多，通常不超過(guò)恒載的20%，因此本項(xiàng)目采用以考慮恒載為主、兼顧活載的思路來(lái)確定大橋結(jié)合段合理位置，設(shè)計(jì)結(jié)合段不同位置的兩種方案，并建立全橋有限元模型，計(jì)算分析并進(jìn)行比選，選擇較為適合大橋的結(jié)合段位置。

為研究適合本橋的結(jié)合段位置，根據(jù)已建斜拉橋經(jīng)驗(yàn)，按結(jié)合段位置在邊跨與中跨的方式進(jìn)行受力對(duì)比分析，方案一為結(jié)合段位于邊跨側(cè)距橋塔35m位置，方案二結(jié)合段位于中跨側(cè)距橋塔20m位置。

3.2 成橋狀態(tài)分析

成橋狀態(tài)下，主梁縱向彎矩對(duì)比如圖4所示。

從圖4可以看出，恒載作用下方案一結(jié)合段位置處彎矩為9310.3kN·m，方案二結(jié)合段位置處彎矩為232820.1kN·m，遠(yuǎn)大于方案一。主梁恒載彎矩分布不理想，同時(shí)造成邊跨過(guò)重。

3.3 運(yùn)營(yíng)狀態(tài)分析

運(yùn)營(yíng)狀態(tài)在活載作用下，主梁縱向彎矩對(duì)比如圖5所示。從圖5可以看出，活載作用下除結(jié)合段位置處，方案二大于方案一，其余各區(qū)域內(nèi)力大致相當(dāng)。

圖5 活載作用下主梁縱向彎矩圖（單位：kN·m）

3.4 施工方案分析

本橋大樁號(hào)側(cè)索塔處橋梁高度超過(guò)70m。若結(jié)合段設(shè)置于中跨，索塔附近的混凝土梁現(xiàn)澆支架存在較大的施工安全風(fēng)險(xiǎn)。而把結(jié)合段設(shè)置于邊跨，混凝土梁現(xiàn)澆支架高度減小至55m以下，索塔區(qū)鋼箱梁則采用存放于低支架上吊裝的施工方案。低支架的架設(shè)可減小對(duì)兩岸道路的影響，使索塔區(qū)主梁施工安全風(fēng)險(xiǎn)更可控。因此從施工方案考慮，本橋結(jié)合段宜設(shè)置在邊跨。

3.5 支反力分析

恒載+活載作用下，結(jié)構(gòu)支反力如表1、表2所示。

表1 方案一支反力一覽表 單位：kN

表2 方案二支反力一覽表 單位：kN

由表1、表2可以看出，在近橋塔輔助墩處，方案二支反力明顯大于方案一。方案二大樁號(hào)側(cè)遠(yuǎn)橋塔輔助墩處支反力儲(chǔ)備偏小。從支反力角度考慮，方案一優(yōu)于方案二。

綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、施工方案、支反力等因素，本橋結(jié)合段設(shè)計(jì)在位于邊跨側(cè)距橋塔35m位置。

4 邊跨壓重設(shè)計(jì)研究

混合梁斜拉橋的基本設(shè)計(jì)理念是用邊跨混凝土梁的重力平衡中跨鋼梁的重力，邊跨混凝土主梁起到壓重和錨固作用，從總體上提高了整座橋的剛度[11]。當(dāng)邊跨長(zhǎng)度較小時(shí)，為確保邊跨各支點(diǎn)均不出現(xiàn)負(fù)反力，避免設(shè)置拉壓支座，往往在邊跨一定范圍配置壓重。

本橋經(jīng)過(guò)全橋有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，在邊跨主梁按常規(guī)板厚過(guò)渡，則需要在輔助墩及橋臺(tái)附近適當(dāng)配置壓重，才能保證成橋及施工狀態(tài)邊跨各支點(diǎn)均不出現(xiàn)負(fù)反力并處于受壓狀態(tài)。具體壓重方案為在箱室內(nèi)放置鐵砂混凝土塊[12]，鐵砂混凝土容重為35kN/m3。壓重鐵砂混凝土塊布置在箱梁箱室底板上，在動(dòng)荷載作用下有錯(cuò)動(dòng)問(wèn)題，需要增加固定構(gòu)造措施。

考慮壓重鐵砂混凝土塊平鋪在箱梁箱室底板上的厚度僅為30cm，等代換算為混凝土的厚度約40cm，在壓重范圍內(nèi)混凝土頂?shù)装逵?0cm加厚至50cm，則不需要另行壓重。經(jīng)過(guò)有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果同樣滿足受力要求。采用厚板混凝土，不僅可以保證成橋及施工狀態(tài)邊跨各支點(diǎn)均不出現(xiàn)負(fù)反力并處于受壓狀態(tài)，而且具有無(wú)須壓重固定措施、簡(jiǎn)化施工工序、方便后期檢查和維修養(yǎng)護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

綜合以上因素，邊跨壓重選擇厚板混凝土壓重設(shè)計(jì)方案。

5 獨(dú)塔柱基礎(chǔ)研究

獨(dú)柱塔斜拉橋外觀上高聳挺拔，外形壯觀，給人以視覺沖擊；結(jié)構(gòu)上可看作縱向、橫向懸臂構(gòu)件，承受雙向偏壓作用，應(yīng)針對(duì)其若干關(guān)鍵問(wèn)題予以研究。

本橋索塔基礎(chǔ)的持力層為微風(fēng)化花崗巖，地基承載力基本容許值為4MPa，飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為82.1MPa。根據(jù)巖層的力學(xué)性能，可采用的基礎(chǔ)形式有擴(kuò)大基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)方案。以下就這兩種基礎(chǔ)形式進(jìn)行研究比選。

基頂埋深取1.0m，對(duì)不同擴(kuò)大基礎(chǔ)尺寸進(jìn)行試算。縱橫尺寸達(dá)32m×34m時(shí)，基底最小應(yīng)力仍為-12kPa（拉應(yīng)力），而該尺寸基礎(chǔ)己侵入現(xiàn)狀道路。前期已論證道路改移困難，擴(kuò)大基礎(chǔ)尺寸難以再加大，故擴(kuò)大基礎(chǔ)方案對(duì)索塔穩(wěn)定十分不利，影響結(jié)構(gòu)安全，且在地震作用下不能滿足要求。綜上所述，從結(jié)構(gòu)安全性與可靠性角度考慮，本橋索塔采用樁基礎(chǔ)方案。

樁基礎(chǔ)方案的承臺(tái)頂面可以高出地面，從而減少邊坡開挖。基礎(chǔ)邊緣距離道路邊線尚有一定距離，滿足施工要求。

本橋索塔采用樁基礎(chǔ)方案，承臺(tái)高7.0m，樁徑2.8m，樁長(zhǎng)不小于12m?；窘M合作用下，對(duì)樁基承載能力進(jìn)行驗(yàn)算，最小安全系數(shù)為1.477，滿足要求。樁基礎(chǔ)的承臺(tái)頂面可以高出地面，從而減少邊坡開挖，且基礎(chǔ)邊緣距離現(xiàn)狀道路有一定安全距離，滿足施工要求。

綜上所述，由于擴(kuò)大基礎(chǔ)在標(biāo)準(zhǔn)組合下基底出現(xiàn)拉應(yīng)力，且在地震作用下不能滿足要求，不滿足大跨度橋梁的受力要求。因此，本橋索塔采用樁基礎(chǔ)方案。經(jīng)驗(yàn)算，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。

6 結(jié)論

（1）針對(duì)全飄浮、半飄浮兩種結(jié)構(gòu)體系，從主梁受力、主梁剛度、施工方案等方面進(jìn)行分析研究。主梁受力方面，全飄浮體系塔柱處彎矩僅為半飄方案的36.4%，其他區(qū)域兩者加勁梁彎矩相當(dāng)。主梁剛度方面，全飄浮體系與半飄浮體系差別不大。施工層面，半飄浮體系索塔處若設(shè)置支承需要采用大懸臂橫梁，不僅影響美觀，且橫梁受力不合理；而采用全飄浮體系既可避免大懸臂橫梁設(shè)置影響美觀、受力不合理等問(wèn)題，又能方便鋼箱梁吊裝。

（2）對(duì)于鋼混結(jié)合段位于邊跨和中跨位置兩個(gè)方案，從成橋狀態(tài)、運(yùn)營(yíng)狀態(tài)、支反力、施工方案等方面進(jìn)行論證。成橋狀態(tài)方面，結(jié)合段位于中跨側(cè)縱向彎矩遠(yuǎn)大于邊跨側(cè)方案，且會(huì)導(dǎo)致主梁恒載彎矩分布不理想。運(yùn)營(yíng)狀態(tài)方面，活載作用下兩個(gè)方案的主梁縱向彎矩大致相當(dāng)。施工方面，結(jié)合段位于中跨側(cè)高支架施工風(fēng)險(xiǎn)較高，位于邊跨側(cè)施工風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低。支反力方面，結(jié)合段位于中跨側(cè)，近橋塔處輔助墩支反力遠(yuǎn)大于邊跨側(cè)方案。

（3）針對(duì)邊跨壓重設(shè)計(jì)，對(duì)鐵砂混凝土壓重和厚板混凝土設(shè)計(jì)兩種方案進(jìn)行比選。考慮厚板混凝土設(shè)計(jì)不僅可以保證成橋和施工狀態(tài)邊跨各支點(diǎn)均不出現(xiàn)負(fù)反力并處于受壓狀態(tài)，而且具有無(wú)須壓重固定措施、簡(jiǎn)化施工工序、方便后期檢查和維修養(yǎng)護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。