孔桥设计论文：区域航孔桥设计简析

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作者：吴静秋 王竹 唐方清 单位：中国公路工程咨询集团有限公司

斜拉桥：柔性体系、自振周期长，对结构抗震较为有利；由于主跨不大、主塔较高、拉索布设较密，因而成桥结构具有较高的抗扭刚度，抗风稳定性好，但施工阶段最大双伸臂状态抗风稳定性一般；斜拉桥采用对称悬臂现浇，航道适应性好，且桥塔标志性强，利于船舶导向。连续刚构桥：施工、运营期间在地震作用下均较为不利，施工期间最大双伸臂状态在两侧不同方向风力作用下双臂墩受力不利；从已建大跨度连续刚构来看，运营期间混凝土开裂、跨中下挠较大等问题较为明显；连续刚构桥景观一般，双臂墩防船撞的问题较突出。矮塔斜拉桥是介于梁式桥和斜拉桥之间的半柔性桥梁，因而它兼有梁式桥与斜拉桥的共同优点。初步设计通过对设计与施工技术难度、航道适应性、抗风抗震性能、结构耐久性、后期维护工作量、景观效果等几方面进行综合比选后，推荐采用矮塔斜拉桥。　结构体系比选初步设计通航孔桥采用跨径布置为126m＋238m＋126m的矮塔斜拉桥，为主梁与塔墩分离的半漂浮体系，主塔墩采用“门”形结构，两个主塔墩分别设纵向活动的竖向支座、横向抗风支座、纵向阻尼器，边墩设纵向活动的竖向支座、横向抗震挡块。半漂浮体系从构造上解决了大跨径混凝土结构后期收缩徐变及温度作用内力的问题，从概念设计上解决了抗震设计的问题，达到了现代桥梁设计对地震以防为主、抗为辅的目的；同时，阻尼器在地震的瞬间作用下具有明显的耗能作用，传递到墩底的纵向地震作用力显著减小。但半漂浮体系也存在施工期间体系转换、大吨位支座的后期养护与更换等问题，如采用固接体系可满足受力要求，则可减少施工工序及养护工作量。因此，设计提出了半漂浮体系、柱式墩固接体系、双臂墩固接体系三种方案进行对比计算，以分析采用固接体系的可行性。

对比计算采用相同的桥型，主塔、主梁、承台、桩基基本一致，在其横向受力的主要控制要素方面，风力由迎风面积决定、波浪力由基础尺寸决定、地震力由参与震动质量决定，而结构体系不同则主要影响结构的纵向体系刚度，故本桥的横向受力与采用何种结构体系关系不大，不是体系选择的决定因素，本文限于篇幅不予列举其计算结果。对三种结构体系分别进行静力分析和动力分析，由于不同结构体系对主梁受力影响较小，通过调整预应力钢束配置均可使之满足规范要求，故本文仅列举基础计算情况。柱式墩固接体系静力计算和动力计算均不能满足规范要求，双臂墩固接体系在动力作用下不能满足规范要求，而半漂浮体系则均能满足规范要求，较为明晰地体现了三种结构体系之间的刚度关系：柱式墩固接体系＞双臂墩固接体系＞半漂浮体系。在地震作用下，三种结构体系下承台底的剪力和弯矩均大幅增加，半漂浮体系在阻尼器的作用下，增加的幅度相对最小。在特定的结构体系和地震作用下，由于地震力只与参与震动质量有关，因此，要达到使固接体系成立的目的，就必须从减小静力作用下所产生的内力入手，而由于本桥桩身自由长度达39m（考虑水深及冲刷），桩顶剪力就成了基础设计的控制性因素。从三种结构体系在静力和动力作用下所对应的剪力比（63．9％、66．6％、61．6％）可以看出，静力作用下所产生的基础剪力为其主因，而固接体系在静力作用下的剪力远大于半漂浮体系，也直观地反映在表1的计算结论中；通过对静力作用下的剪力组合进行分析，成桥后体系温度作用下所产生的基础剪力为主因；因此，设计采用中跨合龙前于中跨合龙段向两侧施加反向顶推力的方式，抵消体系温度力以达到固接体系成立的目的。在固接体系成立的前提下，由于双臂墩固接体系在梁体以上为横向双塔、梁体以下为纵向双臂，构造处理及传力途径均较为复杂，且横向抗风及抗震受力尤为不利，而柱式墩固接体系构造简单、施工方便，因此本桥最终采用柱式墩固接体系。合龙前顶推力的确定以运营时基础内力正负相当为原则进行试算，确定本桥合龙前顶推力为640t，于两侧分别设置4个顶推点同步进行。所采用体系在地震作用下桩基均处于弹性状态，且承载能力有一定富余。

主梁主梁采用单箱单室断面，箱梁结构顶宽14．4m，设置双向2％横坡；两侧各悬臂1．1m，悬臂端部厚60cm、根部厚100cm，为斜拉索锚固区；腹板斜度1∶3．275，梁底宽度8m～10．443m，随梁高变化；箱梁支点梁高8m、跨中梁高4m，分别为中跨的1／29．75和1／59．5，梁底曲线为二次抛物线；主梁近中支点43m为无索区，有索区长度60m，其余为无索区。主梁采用C60海工耐久混凝土；箱梁顶板厚度28cm；底板厚度30～80cm，按二次抛物线变化；腹板厚度分两次变化，近支点无索区腹板厚度为75cm、有索区为60cm、其他无索区为45cm；0号块顶板厚度80cm、底板厚度120cm，设两道1m厚横隔板；边支点横隔梁厚度2m；为减小工程量及施工难度，将斜拉索锚固断面处横隔梁优化成为1．5m高、0．5m厚肋板式横梁。主梁标准断面如图2所示。主梁采用三向预应力体系，纵向预应力分顶板悬臂预应力束（筋）、腹板预应力束，中跨合龙预应力束及边跨合龙预应力束；箱梁腹板竖向预应力筋采用JL32精轧螺纹粗钢筋；桥面板、拉索横梁、0号块横隔板、端横梁均设置横向预应力束。所有的预应力钢束均采用真空注浆施工工艺。　斜拉索斜拉索采用37－s　15．2环氧涂层钢绞线索，拉索群锚锚固体系锚固。全桥共48根斜拉索，以双面索的形式分别布置在两个塔柱上，梁上索距5m、塔上索距1m，斜拉索在塔顶通过分丝管贯通，分丝管为多组钢管组焊而成，塔端设置抗滑锚筒，抗滑锚筒内灌注环氧砂浆，抗滑锚在斜拉索张拉完后安装。　主塔墩及基础主塔墩为“门”形结构，总高度69．415m。上塔柱高30m，为顺桥向5m、横桥向2m的矩形实体截面，两塔柱间净距11．4m，于塔顶下2m处设置横梁。下塔柱高31．415m，两塔柱间净距8．4m，塔柱顺桥向5m、横桥向由3．5m渐变至5m，承台以上5m范围内塔柱为实体、其余为壁厚80cm的箱形截面。基础采用13根直径2．8m钻孔灌注桩，梅花形布置；为增强桩基的抗船撞能力，桩身上段将护筒内壁清理干净后增设外层钢筋笼全截面浇筑，充分利用施工钢护筒将其设计为上段直径3．1m、下段直径2．8m的变截面桩（钢护筒内径3．1m）。承台为六边形承台，横桥向中心长度28．2m、顺桥向宽度15．2m、厚度5m，承台六角为半径2．4m圆角。结构计算全桥总体静力计算采用QJX　windows版平面杆系分析程序进行，并采用空间有限元程序进行校核；主塔横向按平面刚架进行分析计算；全桥动力设计算及局部分析采用空间有限元程序进行。计算过程考虑恒载、预应力、混凝土收缩及徐变、基础变位、汽车活载、汽车冲击力、汽车制动力、风荷载、温度作用、支座刚度、波浪力、基础冲刷、地震、船舶撞击、施工荷载等。计算时，通过修正拉索弹性模量的方式计入拉索的几何非线形效应。主要计算内容及结论如下。（1）对桥梁各施工阶段、成桥阶段均进行了静力计算，并对成桥状态下主梁刚度、斜拉索应力进行了检算；主梁运营状态正截面抗裂验算上下缘均未出现拉应力、持久状况正截面压应力最大值16．89MPa、斜拉索最大应力0．56fpk，计算结果均满足规范要求。（2）采用鱼骨梁模型对桥梁最大单伸臂、最大双伸臂及成桥状态下动力性能进行了分析，并对最大双伸臂状态下的各种最不利工况进行了静力抗风分析。成桥状态下弯扭耦合颤振临界风速、离流扭转颤振临界风速分别为342．7m／s、127．9m／s，远大于颤振检验风速（82．8m／s），桥梁具有良好的抗风性能。（3）分别对0号块及塔、梁索锚区进行了局部应力分析，应力分布情况良好。