某景觀折線斜塔斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

1、某景觀折線斜塔斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)要點(diǎn)分析某景觀折線斜塔斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析張景堯徐艷玲2王鑫2劉慕清2(1.曹妃甸工業(yè)區(qū)基礎(chǔ)投資有限公司；2,北京市 市政工程設(shè)計(jì)研究總院)摘要：溫榆河大橋采用“混合梁折線斜塔斜拉橋” 這一獨(dú)特的結(jié)構(gòu)型式，跨徑組合為100m+50m本文充分分析結(jié)構(gòu)行為特征，對結(jié)構(gòu)體系和主要 受力構(gòu)件進(jìn)行詳盡的設(shè)計(jì)處理，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)受力 與景觀要求的有效統(tǒng)一，為今后同類橋梁的設(shè) 計(jì)、施工提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。關(guān)鍵詞：景觀橋梁橋梁美學(xué)混合梁斜塔斜拉橋Analysis on Design Characteristics of Cable-stayed Bridge with Kinked a

2、nd inclined Pylon Zhang Jingyao, Xu Yanling, Wang Xin, Liu Muqing(Tang, 063200; Beijing General Municipal Engineering Design & Research Institute )Beijing 100045;)Abstract: Wenyuhe Bridge is a new kind of cable-stayed bridge, with a kinked single pylon and a hybrid Girder, which span-length is arran

3、gement of (100+50) m. In this paper, detailedstudy is made on the structural behavio r characteristics and an overall design have been put out for structural system and main bearing members, in order to achieve the harmony and unity of the structural and landscape requireme nts, that canalso provide

4、 valuable references for design and construction of similar bridges.Key words: Landscape Bridge, Bridge Aesthetics, Hybrid Girder, Inclined Pylon Cable-stayed Bridge.前言溫榆河大橋采用“混合梁折線斜塔斜拉橋” 這一獨(dú)特的結(jié)構(gòu)型式，其跨徑組合為100m+50m。橋塔采用折線形式，其主塔斷面尺 寸與下塔柱傾角協(xié)調(diào)，且與景觀設(shè)計(jì)相近；主梁 采用創(chuàng)新型混合梁，主跨79m采用鋼主梁，為-2- 雙邊箱形式；其余主梁采用混凝土主梁，為單箱 多室

5、結(jié)構(gòu)；混凝土主梁與鋼主梁間設(shè)置2m結(jié)合 段，實(shí)現(xiàn)材料、結(jié)構(gòu)剛度及結(jié)構(gòu)受力的平順過渡。 設(shè)置于邊跨的不規(guī)則拱形飛燕拱肋不僅滿足景 觀的要求，還可給端橫梁提供較大配重，在實(shí)現(xiàn) 主、邊跨受力平衡的同時，有效改善了混凝土側(cè) 端橫梁的受力。溫榆河大橋的設(shè)計(jì)具有較大的創(chuàng) 新和突破，達(dá)到同類技術(shù)的國內(nèi)領(lǐng)先水平， 為今 后同類橋梁的設(shè)計(jì)、施工提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。.工程概況溫榆河大橋橋位處地震加速度為，III類場 地；場地樁基主要持力層為細(xì)、中砂。橋梁標(biāo)準(zhǔn) 段全寬41m,根據(jù)規(guī)劃及現(xiàn)況河道斷面形態(tài)， 并 結(jié)合橋址周邊景觀環(huán)境定位的需求，該橋設(shè)計(jì)為 塔高75m的獨(dú)塔有背索雙索面斜拉橋，跨徑布 置為100m+50m。結(jié)

6、構(gòu)為墩、塔、梁固結(jié)體系，-3- 受力明確、構(gòu)造簡單。為滿足景觀及受力要求， 主塔向邊跨側(cè)傾斜約77。主梁設(shè)計(jì)為鋼一碎 組合梁縱向受力體系，有利于平衡主、邊跨跨徑 相差較大對整體結(jié)構(gòu)受力帶來的不利影響。主跨 側(cè)設(shè)置8對拉索，梁上拉索間距為，邊跨側(cè)設(shè)置 2對背索，均錨固于端橫梁處。圖1橋梁整體布置圖（單位：cnj）.橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)本橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在充分尊重并實(shí)現(xiàn)景觀創(chuàng)意 的同時，進(jìn)行多方案、多種結(jié)構(gòu)形式的論證及比 選，實(shí)現(xiàn)了力與美的和諧統(tǒng)一。大橋設(shè)計(jì)過程中， 主要進(jìn)行了結(jié)構(gòu)體系、主塔傾角、主梁形式、飛 燕拱肋布置等項(xiàng)目的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)及計(jì)算驗(yàn)證。結(jié)構(gòu)體系的選擇-4-橋的結(jié)構(gòu)性能影響很大，必須在全橋總體布置

7、及 構(gòu)造設(shè)計(jì)之前予以充分考慮。對于斜拉橋的基本體系按力學(xué)性能劃分有 漂浮體系、支承體系（半漂浮體系）、塔梁固結(jié) 體系以及剛構(gòu)體系四種，先將這四種支承體系的 優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件比較如下:表1結(jié)構(gòu)體系比較飄浮體系支承體系塔、梁固結(jié)體系剛構(gòu)體系簡 圖-Z/ rt f上iJL/ 1 ( / 1“%1.F受 力 模 式墩塔固結(jié)、塔梁分離， 主梁除兩端有支承外， 其余全部用拉索懸吊， 是具有多點(diǎn)彈性支承 的單跨梁，墩梁固結(jié)，塔梁 分離。采用這種體 系時，主梁為具有 多點(diǎn)彈性支承的 兩鹿連續(xù)梁，塔梁固結(jié)并支承在 墩上.墩、塔、梁固結(jié)體系優(yōu)點(diǎn)主梁無明顯彎矩峰 值；溫度及收縮徐變內(nèi) 力較小,抗震性能較 隹.主梁為

8、具有多點(diǎn) 彈性支撐的連續(xù) 梁,較經(jīng)濟(jì)、美觀.可有效降低塔墩彎 矩：減少主梁中間段 的軸向拉力。形成跨度內(nèi)具有多 點(diǎn)彈性支撐的剛 構(gòu)，結(jié)構(gòu)的整體剛 度好，主梁撓度小.體 系 缺 點(diǎn)施工時需臨時固結(jié)，抵 抗不平衡彎矩和縱向 朗力.塔柱處主梁負(fù)彎 矩峰值較大，溫 度、收縮，徐變內(nèi)力較大G連續(xù)梁支座至少有 一個縱向固定；兩側(cè) 不平衡索力造成橋 塔彎矩過大.主梁固結(jié)處負(fù)彎矩 大，較適合與獨(dú)塔 斜拉橋-1-斜拉橋上 部構(gòu)造的各種荷載是通過一需要設(shè)置較大的止推 裝置；無索區(qū)較長且無 索區(qū)橋面過寬，結(jié)構(gòu)不 能成立。塔柱兩側(cè)拉索水 平力不平衡，需在 主梁與塔柱橫梁 間設(shè)置止推裝置主塔處支座墩位巨 大，支座的設(shè)計(jì)

9、、施 工、維護(hù)及后期更換 難度太大，因此不宜 采用。免除了大型支座， 又可滿足懸臂施工 的穩(wěn)定要求，適用 本橋。支承-1-體系直接傳遞到下部結(jié)構(gòu)，支承體系的-2-布置對斜拉本橋適用分析通過上述比較，鑒于本項(xiàng)目對橋梁景觀有 特殊要求，綜合考慮多方面因素，確定本橋采用 整體剛度較好的并能克服本橋型兩側(cè)索力不平 衡問題的墩、塔、梁固結(jié)體系一一剛構(gòu)體系。主塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主塔為該橋梁結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件， 全橋結(jié) 構(gòu)恒載及活載通過斜拉索傳遞給主塔， 然后經(jīng)由-3-主塔傳遞至下部基礎(chǔ)。本橋主塔線形及斷面形式 的確定原則是：主塔的整體線性及斷面尺寸應(yīng)與景觀設(shè) 計(jì)提供的效果圖相近；本橋主、邊跨跨徑差距較大，在折線形

10、的 橋塔折點(diǎn)處會出現(xiàn)彎矩峰值。在主梁形式確定 后，為保證主跨主梁的受力情況， 主跨側(cè)拉索索 力基本確定，塔柱受力雖然可以通過調(diào)整邊跨側(cè) 拉索索力進(jìn)行調(diào)整，但考慮本橋背索設(shè)計(jì)為梁端 錨固，背索所里可調(diào)幅度有限，因此在設(shè)計(jì)時應(yīng) 保證在塔柱折點(diǎn)處截面具有一定的抵抗強(qiáng)度；上塔柱截面設(shè)計(jì)應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)受力的要求， 同事應(yīng)滿足斜拉索錨固的構(gòu)造要求。圖2主塔線型及斷面示意圖綜合上述因素，確定主塔采用矩形薄壁空心 截面，下塔柱根部截面尺寸為 8m X4m,線形漸-4-變至主塔匯合處，尺寸為X,壁厚，上塔柱尺寸 由X漸變至塔頂X,壁厚。主塔的線形直接影響結(jié)構(gòu) 內(nèi)力的分配及大小，選擇合理 的線形，使結(jié)構(gòu)在恒載作用下

11、拉索索力在塔柱與主梁相交處,應(yīng)力均勻，能充分利用示意圖點(diǎn)產(chǎn)生的彎矩相等，這時主塔 只承受軸力）而無彎矩及剪力,應(yīng)力均勻，能充分利用示意圖-5-5-材料強(qiáng)度。由此可得本橋主塔 的合理傾角80 ,而本橋景觀設(shè)計(jì)塔柱線形為主塔與主 梁之間存在約77的斜交角 考慮到在活載作用下，塔柱受 力與恒載作用下方向相反，且 塔柱截面較大，自身有較大承 載能力，因此主塔傾角仍采用 77。當(dāng)斜拉索錨固于箱梁梁體 時，主梁局部構(gòu)造復(fù)雜且需要 較大的箱梁梁高；當(dāng)錨固于主 梁梁體之外時，梁體局部構(gòu)造 復(fù)雜且換索時需搭設(shè)臨時支 架；本次設(shè)計(jì)，考慮到景觀及 結(jié)構(gòu)要求，將斜拉索錨固于上 塔柱，為滿足上塔柱受力要求 在錨固區(qū)內(nèi)設(shè)

12、置環(huán)向預(yù)應(yīng)力加 強(qiáng)構(gòu)造。主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本橋主跨主梁跨徑100m,邊跨主梁跨徑 50m,主、邊跨主梁跨徑差距較大，為保證主梁-6- 及塔梁固結(jié)處的受力平衡，主跨側(cè)拉索索力大于 邊跨側(cè)拉索索力，而折線型的索塔，在塔柱上、 下折點(diǎn)處產(chǎn)生彎矩峰值，由于主、邊跨索力差別 較大，塔柱折點(diǎn)處的彎矩峰值也相應(yīng)增加；由于 背索設(shè)計(jì)為梁端錨固形式，避免塔梁結(jié)合處彎矩 過大及邊跨支點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)反力，背索索力不宜過 大。綜合考慮，要求主跨主梁的自重應(yīng)小，邊跨 主梁的自重應(yīng)較大，如此方能滿足橋塔折點(diǎn)處受 力要求及保證邊跨支點(diǎn)不會出現(xiàn)負(fù)反力。表2主跨主梁材料不同時主塔內(nèi)力比較表主梁類型主梁自重塔柱上折 點(diǎn)彎矩混凝土主梁2鋼混疊

13、合梁2鋼主雙邊箱2梁整體箱_25.3 kN/m-7-梁由于橋型為獨(dú)塔雙索面斜拉橋，結(jié)構(gòu)受力對 主梁的抗扭剛度要求較低，因此主跨主梁擬采用 單箱雙室箱形斷面，以最大限度的減小主梁自 重；邊跨主梁擬采用單箱多室斷面，以其較大的 自重與主跨主梁相適應(yīng)。受橋梁跨徑布置（主、 邊跨差距大）及索塔形式（折線形索塔）的制約， 主跨主梁的自重應(yīng)小，邊跨主梁的自重應(yīng)較大， 如此方能滿足橋塔折點(diǎn)處受力要求及保證邊跨 支點(diǎn)不會出現(xiàn)負(fù)反力，因此等高段主跨主梁（長 79m）采用Q345qD鋼材預(yù)制箱梁，其余主梁采 用C50現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土梁。由于主跨鋼梁采用雙邊箱形式，為保證主梁 剛度過渡平順，結(jié)構(gòu)傳力順暢，與之相接混

14、凝土 主梁一般仍采用雙主梁形式，其具體布置見圖4。 但混凝土主梁設(shè)計(jì)需構(gòu)造簡單、受力合理，考慮-8- 混凝土主梁自重較大，采用整體箱梁較為合理， 其具體布置見圖5。圖4雙邊箱混凝土主梁構(gòu)造圖5整體混凝土箱梁構(gòu)造邊跨側(cè)主梁設(shè)計(jì)為單箱八室預(yù)應(yīng)力箱梁，C50混凝土，梁高，在塔根部區(qū)域加厚為 4m, 箱梁底寬，頂寬。頂板厚2540cm,底板厚22 60cm,腹板厚度5075cm,腹板內(nèi)設(shè)置縱向預(yù) 應(yīng)力鋼筋。圖6混凝土主梁橫斷面示意圖主跨側(cè)主梁采用單箱雙室鋼箱梁，Q345qD 鋼材，梁高，兩片箱梁通過橫梁和橋面板連接形 成整體。鋼箱梁頂板鋼板厚14mm,下設(shè)U型加 勁肋，底板厚16mm,腹板厚12mm,

15、鋼混結(jié)合-9-段及拉索錨固區(qū)鋼板均采用 28mm加強(qiáng)。全橋鋼主梁共長圖7鋼主梁橫斷面示意圖鋼硅結(jié)合段設(shè)計(jì)結(jié)合段設(shè)計(jì)是混合梁的關(guān)鍵部位，要求設(shè)計(jì) 對各種荷載產(chǎn)生的軸力、彎矩、扭矩和剪力的傳 遞順暢可靠，在荷載作用下具有一定的承載安全 貯備，剛度過渡良好，耐久性好，抗疲勞性能好， 力求減小應(yīng)力集中。本橋設(shè)計(jì)結(jié)合段為混凝土截面，其腹板與底 板外包鋼板與鋼箱梁一致，形成外包鋼箱梁；為 了結(jié)合段與兩端過渡均勻，在結(jié)合段端部設(shè)置了 過渡段；為保證結(jié)構(gòu)過渡連續(xù)，混凝土段的縱向 鋼筋伸入結(jié)合段，結(jié)合段頂板的上層縱向鋼筋與 橫向鋼筋焊接。-10-結(jié)合段內(nèi)鋼梁腹板、端橫隔板混凝土側(cè)、縱 向隔板布置剪力釘，縱向隔板

16、側(cè)設(shè)置 PBL剪力 鍵，底板縱向加勁肋上開孔，鋼筋通過以形成 PBL剪力鍵，鋼箱梁過渡段按通高設(shè)置隔板，本 方案剪應(yīng)力主要由PBL剪力鍵來傳遞，PBL剪 力鍵在國內(nèi)外已經(jīng)有了很多工程實(shí)例，如日本鶴 見航道橋、廣東佛山平勝大橋、南京長江第三大 橋等。圖8鋼硅結(jié)合段構(gòu)造圖（單位：mm飛燕拱肋設(shè)計(jì)對于常規(guī)橋梁，當(dāng)邊跨重量不足時，一般采 用箱內(nèi)添加配重的形式解決，但由于本橋?qū)挾冗_(dá) 41m,拉索錨固間距達(dá)，采用箱內(nèi)配重時，端橫 梁受力巨大，高截面無法滿足受力要求。-11-圖9飛燕拱肋外形圖圖10飛燕拱肋與箱梁側(cè)端橫梁位置示意圖溫榆河大橋景觀設(shè)計(jì)為曲頸高歌的天鵝， 設(shè) 置飛燕拱肋后不但使天鵝的形象更加豐滿

17、，其重 量也滿足了結(jié)構(gòu)配重要求，且有效改善了端橫梁 結(jié)構(gòu)受力，降低了端橫梁的截面高度。.結(jié)語溫榆河大橋在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時努力將橋梁結(jié)構(gòu) 與建筑藝術(shù)相結(jié)合，因此采用了獨(dú)塔混合梁折線 斜塔斜拉橋結(jié)構(gòu)型式，其主要特點(diǎn)如下：-12-對于橋面較寬，梁體無索區(qū)較長的 獨(dú)柱折線斜塔斜拉橋，剛構(gòu)體系是較好的 選擇。本工程根據(jù)主塔受力特點(diǎn)，主梁分 別采用雙邊箱鋼主梁及混凝土整體箱梁， 使得結(jié)構(gòu)受力合理，工程經(jīng)濟(jì)性好；創(chuàng)新 型的鋼混結(jié)合段設(shè)計(jì)滿足了結(jié)構(gòu)剛度過 渡及結(jié)構(gòu)傳力的要求；本橋邊跨設(shè)置飛燕拱肋，豐富了大 橋景觀造型，也對大橋整體結(jié)構(gòu)受力具有 較大貢獻(xiàn)，是橋梁結(jié)構(gòu)與橋梁美學(xué)結(jié)合的 有效嘗試。經(jīng)過計(jì)算與分析，本橋結(jié)構(gòu)體系是安全可行 的，體現(xiàn)了新穎優(yōu)美的橋梁藝術(shù)