1、总657期2023年第27期（9月 下）0 引言出于力学及景观效果等方面的考虑，斜拉桥索塔有时设计为倾斜状态，形成斜塔斜拉桥。该桥型结构新颖独特，力学特征也与常规直塔斜拉桥有所不同。斜塔斜拉桥因塔身处于倾斜状态，自重作用下会使桥塔出现较大弯矩，这便为临时支撑设计提出更高要求。斜塔斜拉桥属于多次超静定结构，主梁和桥塔受力影响因素多，施工工期长，成桥后结构内力受设计方案合理性及施工工艺影响较大。当前研究人员对斜塔斜拉桥施工工艺及参数影响研究较多，但对独塔单索面钢管混凝土斜拉桥设计研究较少。基于此，本文依托某跨河大桥，对钢管混凝土斜拉桥设计问题展开分析，以期为该桥型的推广应用提供参考。1 工程概况某
2、跨河桥梁主桥采用（80+100）m的独塔单索面斜拉桥形式，桥面宽35.5 m；主梁为钢箱梁结构，梁高4.0 m，梁宽38 m；斜拉索单索面双排以扇形设置在中央分隔带内；桥塔则为钢管混凝土结构，并向边跨方向倾斜一定角度。该桥梁位于河道地带，河道浅而宽，枯水期水流缓慢；丰水期和平水期内均承担一定的通航任务。2 斜拉桥设计2.1 主梁该独塔单索面混凝土斜拉桥主梁按照正交异形钢桥面板流线型扁平钢箱梁设计，不考虑板厚时的中心线处梁高为4.0 m，包括风嘴在内的桥面全宽38 m，双向横坡均为 1.5%。钢箱梁顶底板厚度为 16 mm 和 12mm，斜拉索锚固处顶板厚24 mm；顶底板均按照U形加劲肋设计，
3、顶底板U形肋高度为280 mm和200 mm，厚度分别为8 mm和6 mm，设置间距分别为600 mm和640 mm。将标准高度712 mm的T肋设置于顶底板箱梁中心线处，使之与桥塔固结梁段连成整体，增强结构刚度。该斜拉桥钢箱梁共设置4道腹板，内、外侧腹板和箱梁中心线的距离分别为11.1 m和15.75 m。横隔板按照3.0 m的标准间距和实腹形式设置。无支点无斜拉索的常规横隔板、斜拉索锚点横隔板及墩顶支座横隔板设计厚度分别为12 mm、16 mm和16 mm。顶板处风嘴板厚12 mm，其余位置风嘴板厚10 mm，且均通过板式加劲肋加固。风嘴横隔板设置位置恰好与主梁横隔板对应。2.2 桥塔该钢
4、管混凝土斜拉桥跨径并非对称布置，因此在活载和恒载的综合作用下，必将引发边跨、中跨等结构不协调响应问题1。为此，将桥塔向边跨方向倾斜一定角度，借助桥塔倾斜解决主跨超出边跨而引发的结构不平衡问题。桥面以上索塔设计高度为58.5 m，柱式桥塔形式，钢管壁厚28 mm，直径2 500 mm，塔柱钢管共按照13个节段设置，节段长度为58 m；施工时应逐节吊装组焊，并于其间灌注高性能混凝土。塔柱顶部为空钢管节段，主要起装饰性作用，无斜拉索拉力承担功能，通过120 cm空钢管按照3.0 m间隔连接。索塔锚固区位于塔柱中部节段，斜拉索锚固齿块设置在塔柱腹腔内部。为确保桥塔钢管和内部高性能混凝土力学特性和抗变形
5、性能协调统一，钢管混凝土结构技术规范（GB 509362014）规定，常规圆钢管直径应不超出1 500 mm。但这一直径上限明显无法满足该钢管混凝土斜拉桥设计要求，因为采用大直径钢管，很难保证其与混凝土变形的一致性和协调性，结合相关经验，收稿日期：2023-01-17作者简介：焦北辰（1989），男，工程师，从事公路桥梁设计相关工作。独塔单索面钢管混凝土斜拉桥设计焦北辰（南昌市公路勘察设计院，江西 南昌 330077）摘要：以某钢管混凝土组合结构桥塔的单索面跨河斜拉桥为例，对主梁、桥塔、塔底锚固、斜拉索等结构展开设计，并从结构稳定及塔梁平衡、主梁主塔截面设置、主梁安装等方面概括了结构设计特点。
6、应用空间有限元模型进行的桥梁结构静力计算结果，体现出斜塔斜拉桥成桥阶段主梁横弯以及运营阶段主梁刚度偏小的受力特性，分析结果对于该桥梁设计、建设及成桥质量控制具有参考价值。关键词：独塔；单索面；斜拉桥；钢管混凝土桥塔中图分类号：U442文献标识码：B94交通世界TRANSPOWORLD还必须采用内置圆钢管或钢筋笼的做法提升结构承载性能、刚度、延性等后期性能2。该独塔单索面混凝土斜拉桥钢管通过厚度 28 mm、直径 2 500 mm的低合金高强钢卷制成，成型后的钢管径厚比为89.1，约束效应系数0.49。为有效解决大直径钢管使用过程中约束效应系数偏低、钢管与混凝土变形的一致性和协调性差等问题，在塔
7、柱腹腔中增设主筋直径32 mm、螺旋箍筋直径10 mm的钢筋笼，以增强对核心混凝土的约束与提升作用。为增强钢管和混凝土结构间的黏结强度，提升结构联合受力性能，主要从以下方面加强设计：1）将高250 mm、厚16 mm、开孔直径60 mm、开孔孔距 200 mm 的 PBL 纵向加劲肋以及宽 150 mm、厚16 mm的环向加劲肋焊接于钢管内壁；并通过人工方式除锈处理，确保内壁清洁粗糙；2）使用C50高性能、自密实混凝土以减少其与钢管界面损伤，避免混凝土脱空。2.3 塔底锚固在研究钢桥塔和混凝土桥塔以及承台锚固形式的基础上，对预应力拉杆锚固和剪力键锚固形式进行比较3。1）在采用预应力拉杆锚固形式
8、时，将28根40CrNiMoA材质的预应力锚栓设置在塔底截面，由于运营期间行车荷载的反复作用，锚杆松弛后会降低预应力，影响锚固效果。为此，必须向锚杆施加额外补偿张拉力，并将厚度为100 mm的承压钢板设置在桥塔塔底截面处，以优化应力传递。在这种锚固方案下，钢塔和混凝土塔座之间传力较为明确，且塔柱底截面承压板是保证钢塔轴力顺利向混凝土塔座传递的保证；锚固于钢塔的预应力拉杆承担钢塔底弯矩拉力。但是这种锚固形式对承台或塔柱内预应力拉杆锚固长度及定位精度有较高要求；为增强塔座面和承压钢板间的紧密贴合，必须保证塔座混凝土面的平整度；必须对预应力拉杆锚固处实施加劲，以避免钢板出现失稳；预应力拉杆在桥梁结构
9、运营期间面临松弛风险。2）剪力键锚固方案下，按照 200 mm 间距将22mm180 mm剪力钉设置在钢塔内壁和外壁处，并在相应位置处按照800 mm间距开设直径60 mm的PBL键钢筋孔。按照这种方式处理后，由剪力钉和PBL剪力键共同构成的复合型剪力键可直接将钢塔底反力传递至混凝土塔座；PBL剪力键作为安全储备，具备较高的安全冗余。但是采取此种锚固形式后，钢塔和混凝土塔座结合部受力较为复杂，必须向受拉区额外施加预应力以确保抗裂安全；钢塔外壁因设置较多的剪力钉及PBL剪力键，很容易对塔座混凝土施工过程造成干扰。综合以上比较和分析，该钢管混凝土斜拉桥最终采用剪力键锚固方案，通过剪力钉和PBL剪力
10、键完成钢塔塔底和混凝土塔座及承台的锚固处理4。2.4 斜拉索该钢管混凝土斜拉桥共设置20对斜拉索，主跨及边跨各设置10对，并按照扇形布置。为控制斜拉索张拉力，优化塔、梁锚固节点受力状态，将斜拉索按照1.0 m的间距横向双排布置。斜拉索边跨及主跨纵向间距分别为6.0 m和8.0 m，桥塔侧无索区长度为20 m。全桥斜拉索均使用直径7 mm、标准强度1 670 MPa、弹性模量1.98105MPa的高强镀锌平行钢丝拉索，拉索外壁裹覆双层PE保护套，外层保护套表面还应缠绕螺旋线，起到抑制风雨振动的作用。3 结构设计特点3.1 结构稳定及塔梁平衡该钢管混凝土斜拉桥桥墩塔梁固结，属于异型塔柱斜拉桥形式，
11、主跨跨度小，桥面以上不设横梁的双独柱形式完全适用，主桥横桥向稳定安全系数可以达到18.1。该斜拉桥边中跨比为0.741，若塔身平衡全部利用填重完成，则边跨混凝土压载质量将高达2 950 t以上，显然不符合工程施工实际；通过钢结构或轻质材料置换部分混凝土重量，必将增大施工繁复程度及运维成本。结合该桥梁跨径组合特征，充分借助塔柱自身重量，并将其后仰设置，则能有效降低边跨压载和结构自重，还能优化整体受力。根据塔梁平衡计算结果，保证塔梁平衡的塔柱后仰角度应为13.5，结构主受力平面内钢管混凝土斜拉桥受力平衡简图见图1。由图1可知，塔梁固结节点四周均处于受压状态，便于结构耐久性的提升；主塔倾斜设计使边跨
12、拉索和主塔中线间的夹角始终大于主跨侧夹角，利于结构受力及经济性。3.2 主梁、主塔截面设置边主梁截面形式在钢管混凝土斜拉桥中最为常见，为缓解桥面板剪力滞后现象，方便挂篮设计，在主梁处按照9.6 m的横桥向水平间距增设2道小纵梁，并与两侧边主梁一起形成桥面板加劲格局。主梁标准段设计宽度为35 m，边跨边墩至辅助墩区间的小纵梁则转变为双分箱形式，为边跨压载提供便利。在纵桥向31.4 m 以内按照 9 060 kN 进行设计，相应区段预留空间，便于调节施工误差。主塔截面按照箱形设置，并在斜拉索塔内锚固；箱形断面塔柱能较好地隐蔽检查通道，能保证结构整体美观性。3.3 主梁安装涉河斜拉桥主梁架设通常采用
13、悬臂拼装工艺，从95总657期2023年第27期（9月 下）桥塔处开始，按照安装1个节段并张拉1对斜拉索的次序依次向前；节段重量的平衡主要凭借斜拉索索力竖向分力，而桥塔两侧因水平分力不平衡，引发桥塔偏转的可能性非常大；主梁在其带动下会发生横弯和扭转。以上问题可通过安装配重或斜拉索索力调整进而调整主梁线形，但因为施工误差具有累积性，在将主梁悬拼至边墩处时，主梁线形偏离设计线形的风险仍然存在。为此，该独塔单索面钢管混凝土斜拉桥主梁采用顶推法架设工艺，以达到成桥线形控制，确保施工期间河流正常通航的目的。该钢管混凝土斜拉桥主梁节段最大重量为 234 t，顶推距离及最大顶推跨度分别为400 m和65 m
14、，将主梁顶推就位后，再挂设斜拉索，并按照先短索后长索的次序张拉。4 结构静力计算通过MIDAS/Civil空间有限元软件分析钢管混凝土斜拉桥静力，并将全桥划分成221个单元，其中主梁、斜拉索、桥塔钢管混凝土分别采用梁单元、桁架单元、联合截面梁单元展开模拟。通过主从约束连接斜拉索索端节点和主梁及桥塔锚点，通过弹性模式连接支座。根据模拟结果，在不考虑冲击力的行车活载作用下，基本组合下主梁正应力最大达到198 MPa，主梁正负挠度最大值的绝对值之和为 0.429 m，挠跨比为 1458，符合 公路钢结构桥梁设计规范（JTG D642015）允许的变形不得超出跨度1/400的限度。据此可以判定，对于对
15、称斜拉桥而言，反对称斜拉桥的反对称特性以及未设置辅助墩的做法均造成主梁刚度偏小。基本组合下，桥塔钢管和高性能混凝土均未表现出拉应力，钢管及管内混凝土最大压应力分别为169.4 MPa和9.8 MPa，桥塔活载正负变形量绝对值之和为41 mm，符合公路钢管混凝土拱桥设计规范（JTGT D65-062015）以及公路斜拉桥设计细则（JTG D65-012017）中对刚度及强度的要求。5 结束语综上所述，该独塔单索面钢管混凝土斜拉桥设计过程中，通过内置圆钢管或钢筋笼等处理使结构承载性能、刚度、延性等后期性能显著提升，并保证了桥塔钢管和内部高性能混凝土力学特性和抗变形性能的协调统一；采取有效的设计，增
16、强了钢管和混凝土结构间的黏结强度，显著提升结构联合受力性能；主梁采用顶推法架设工艺，使成桥线形得到有效控制，确保施工期间河流正常通航。该斜拉桥于2018年4月开工建设，于2021年7月底建成运营，运行至今结构受力稳定，刚度及承载力均满足相关规范。参考文献：1 佟志峰，熊雷，刘小奇，等.单索面独斜塔斜拉桥桥塔施工关键设计参数影响研究J.中外公路，2022，42（4）：47-52.2 林杰，高建丽.大跨度独斜塔斜拉桥静力计算分析J.中国水运（下半月），2022，22（2）：125-128.3 李鑫.混凝土斜塔斜拉桥的设计J.安徽建筑，2021，28（2）：158-159.4 吴继红，胡阳.混凝土独塔斜拉桥主梁裂后结构性能J.福建工程学院学报，2020，18（4）：324-328.图1 钢管混凝土斜拉桥结构受力平衡简图96
