跨南水北调斜拉桥设计与技术特点

俞顺;王新合

【摘 要】Taking the design for the cable-stayed bridge crossing South-to-North water diversion bridges as the example,according to the relevant design standards,the paper introduces the design scheme and requirements of the bridge structures,undertakes the calculation of its structural stressed performance,and sums up the technical features of the bridge in the aspect of the structure,so as to provide some theoretic reference for the construction of similar bridges.%以跨南水北调斜拉桥设计项目为例,依据相关技术标准,介绍了斜拉桥桥梁结构的设计方案及设计要点,并对其结构受力性能进行了计算分析,总结了斜拉桥在结构上具有的技术特点,为类似桥型的建设提供了理论依据. 【期刊名称】《山西建筑》 【年(卷),期】2016(042)003 【总页数】3页(P174-176)

【关键词】斜拉桥;主梁;结构设计;独塔单索面 【作 者】俞顺;王新合

【作者单位】河南武云高速公路有限公司,河南焦作 454350;河南省公路工程局集团有限公司,河南郑州 450000 【正文语种】中 文

【中图分类】U448.27

武陟至云台山高速公路于修武县中州铝厂东南侧跨越南水北调中线总干渠，桥位区地貌单元属于山前倾斜平原，河床断面规整，两岸地势较缓，与南水北调总干渠轴线交叉桩号K33 + 022(南水北调桩号IV64 + 489. 44)夹角64°。根据南水北调中线工程建设管理局提出的要求，后建高速公路不可在一级马道以下(包含马道范围内)渠内设置桥墩，不可在其内搭设施工临时支架，桥墩基础开挖边线应在总干渠管理范围之外。

1)公路等级:双向四车道高速公路; 2)设计速度: 100 km/h; 3)设计荷载: 1. 3×公路—Ⅱ级; 4)地震烈度:依据《武陟至云台山高速公路建设项目工程场地地震安全性评价报告》桥址处地震动峰值加速度为0. 178g，抗震设防烈度为7度，抗震设防措施等级9级，抗震设防类别为A类;5)桥梁宽度:桥面净宽为2×11. 75 m; 6)南水北调总干渠设计水位: 103. 204 m;设计加大水位103. 79 m; 7)桥下净空:无通航要求，一级马道通行净空控制为4. 5 m; 8)桥梁安全等级:一级; 9)设计基准期: 100年; 10)设计风荷载:基本风压500 Pa，对应的基本风速为28. 7 m/s。 3.1 方案对比

根据南水北调总干渠的环保要求，总干渠通水后，其围栏线范围内不允许设置桥墩，总干渠正断面宽约100 m，故总干渠桥梁跨径至少100 m以上。在桥梁选型上，悬索桥造价不具有可比性，拱桥因地质和施工方法问题，也不合适，梁式桥需要的梁高较高且引线长，最适合于跨越总干渠的结构形式无疑是斜拉桥。方案设计时，桥型对比方案为:双跨独塔单索面波形钢腹板斜拉桥、双跨独塔单索面预应力混凝土斜拉桥，其主梁经济对比情况见表1。

在顶、底板和横隔板一样的情况下，主梁波形钢腹板相比预应力混凝土材料，因主跨梁体恒载减轻12. 7%，上部结构梁体总造价降低了约4. 6%。下部结构因上部结构整体恒载降低，造价也会降低。从造价分析看出，波形钢腹板斜拉桥具有优势。

但是，波形钢腹板主梁施工技术难度大，工艺复杂，且BT项目承办方没有类似施工经验，施工风险较高，且其运营后，养护成本也较大，易对通水的南水北调总干渠造成污染。经慎重考虑后，采用了双跨独塔单索面预应力混凝土斜拉桥。 3.2 结构设计

1)基础。主塔墩基础由两个分离承台组成，承台平面尺寸为18.9 m×18. 9 m、高6 m，每个承台下设16根直径2 m桩基础，桩长80 m。横桥向的两个承台之间设置宽度6. 2 m、高度6 m的系梁，以增加承台的整体刚度。

辅助墩采用2×2 m双方柱墩，设承台连接墩和桩，桩径2 m，桩长60 m。桥台采用肋板台，基础为双排8根直径为1. 5 m的桩基础。0号桥台桩长30 m，3号桥台桩长24 m。

2)主梁。南水北调斜拉桥总长327. 48 m，跨径布置为: 175 m + 93 m +49 m，共一联。桥梁采用不对称独塔单索面斜拉桥，墩塔梁固结。主梁单箱三室结构，C55混凝土，桥面宽度27 m，箱梁底宽13 m，悬挑长度3. 25 m，中心梁高3. 5 m，顶底板厚0. 3 m，中腹板厚0. 45 m，边腹板厚0. 4 m，以桥梁中心线为中心方向向两侧分别设置双向2%横坡。

3)主塔。主塔采用倒Y形的曲线型桥塔，采用C50混凝土，塔柱总高度96 m，索塔在桥面以上高度为85. 8 m，塔底左右塔柱中心间距28 m，见图1。上塔柱为对称的单箱单室截面过渡到单箱三室截面，尺寸由4. 6 m×6. 2 m变化到14. 073 m×6. 2 m，壁厚0. 8 m～1. 4 m，中塔柱为单箱单室截面，尺寸由4. 6 m×6. 2 m过渡到5. 7 m×6. 2 m，壁厚1. 0 m～1. 5 m，下塔柱为实心截面，尺寸由5. 7 m×6. 2 m过渡到8 m×6. 2 m。上塔柱上半段为斜拉索锚固区段，斜拉索锚固在内壁的锯齿块上，为了克服斜拉索的水平分力在锚固区塔柱截面内产生的拉应力，上塔柱锚固区交叉布置了U形环向预应力。上塔柱荷载通过上、中塔柱连接段传到两个塔腿，该处受力比较复杂，设3. 5 m高的实体段，水平向设置预

应力钢绞线，以平衡两个塔柱之间的水平拉力。

为增加索塔景观效果，塔柱外侧设有深0. 2 m的装饰性凹槽，塔柱外侧设R =0. 2 m圆角。

4)斜拉索。斜拉索为平面单索面扇形布置，斜拉索采用塑包平行钢丝束，钢丝采用φ7 mm镀锌高强钢丝( fpk=1 770 MPa)，外包双层聚乙烯护套。拉索横向间距1 m，主跨梁上标准索距为7 m、边跨稀索区索距7 m，密索区索距4 m，全桥共计斜拉索88根，按钢丝丝数编排分别为187φ7，211φ7，253φ7，313φ7四类，均采用冷铸锚锚具锚固。 3.3 结构计算

1)总体分析结果。对南水北调斜拉桥进行整体结构受力计算，桥塔、辅助墩、主梁均采用空间梁单元模拟，拉索采用桁架单元模拟，全桥共离散为226个单元，346个节点。模型在桥塔底和辅助墩底均采用固结约束，主梁两端均只设置竖向支撑。结构计算模型如图2所示。

荷载选择: a.结构自重:混凝土容重为26 kN/m3，钢材为78. 5 kN/m3。b.混凝土收缩徐变:按照JTG D62—2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范，收缩徐变时间为10年。c.二期恒载:取155 kN/m。d.预应力计算参数:管道摩阻系数0.17，管道偏差系数0.001 5，一端锚具变形及钢束回缩量0.006 m，钢束松弛系数为0. 3。预应力钢绞线张拉控制应力1 339. 2 MPa，精轧螺纹钢张拉控制应力为706. 5 MPa。e.体系温差:全桥混凝土结构整体温差±25℃。f.梯度温度:按照JTG D60—2004公路桥涵设计通用规范考虑升温梯度和降温梯度。g.塔身左右侧面温差±5℃;斜拉索与混凝土主梁、索塔之间温差±15℃。h.汽车荷载: 1. 3×公路Ⅰ级，双向四车道。车道荷载按JTG D60—2004公路桥涵设计通用规范中规定加载。i.基础变位:辅助墩及主墩不均匀沉降均以10 mm计。j.挂篮:挂篮重量取2 400 kN。

分析结果如下: a.成桥状态下桥塔塔顶最大水平位移为14. 3 mm，方向为偏向边跨一侧; b.成桥状态主梁最大弯矩为8. 86×104kN·m，位于边跨最大悬臂; c.使用阶段活载作用下，主梁竖向挠度最大值发生在主跨主梁中部，最大竖向挠度值为80. 3 mm，仅为主跨的1/2 179; d.在施工过程中，主梁各单元中出现的最大压应力值和最小应力值均未超过施工阶段容许压应力和容许拉应力，满足规范要求。 2)结构地震响应计算。本桥所处场地地震基本烈度为Ⅶ度，地震峰值加速度0. 17g。依据JTG/T B02—01—2008公路桥梁抗震设计细则(以下简称《抗震细则》)，本桥属于A类桥梁，需进行E1地震和E2地震作用下的抗震设计。根据《抗震细则》可确定其E1地震作用和E2地震作用下的设计加速度反应谱如图3所示。

计算得到E1地震、E2地震作用下桥塔塔底处纵桥向和横桥向地震效应，见表2。 经验算得到，E1，E2地震作用下桥塔地震效应均满足规范要求。 3.4 技术特点

本项目南水北调斜拉桥的方案是主跨175 m的预应力混凝土箱梁，该桥型在设计方案、施工方法上不属于新理念、新技术，但在结构上具有下述特征:

1)斜拉桥的主梁高跨比较小，梁体十分纤细，抗弯能力较小。在采用挂篮进行悬臂施工时，由于挂篮自重大，可能会导致梁、塔、索由施工内力控制设计; 2)结构内力、位移具有继承性，随着工程施工的推进，结构形式、约束条件、荷载形式等不断变化，前一施工阶段的线形与内力是后一施工阶段分析的基础，后期结构的内力状态、力学性能与前期结构的施工情况密切相关，施工方案的改变，将直接影响成桥结构的受力状态; 3)结构体系转换前一直为悬臂状态，整体刚度相对较小，且施工过程中斜拉索应力水平较低，尤其是采用拉索多次张拉施工时，前几次张拉时斜拉索应力水平很低，此时结构非线性行为更为明显; 4)内力、变形具有可控性在梁式桥等桥型设计中，一旦结构尺寸、材料、施工方法等确定下来，结构恒载内力随

之确定，无法人为调整。而斜拉桥在施工阶段斜拉索安装或调索进行张拉时，索力以外荷载形式作用在主梁和桥塔上，此时结构是一种“主动受力”，而对汽车活载、二期恒载而言，斜拉索对主梁的作用相当于弹性支承，此时受力为“被动受力”。正是由于主动受力特征，使得斜拉桥可通过调索达到调整结构内力和线形的目的。 南水北调中线工程纵穿河南省，与省内交通道路产生多处交叉点，随着总干渠的通水和省交通建设的发展，将会产生诸多跨越南水北调桥梁，从南水北调总干渠的环保要求以及南水北调干渠宽度范围看，跨干渠桥梁跨径至少100 m以上。独塔单索面斜拉桥无疑是跨南水北调项目高速公路桥梁的首选结构形式，具有更好的景观效果。河南省还无建造独塔斜拉桥的经验，通过武云高速公路项目对独塔单索面斜拉桥的设计，开展对独塔单索面斜拉桥的关键技术研究，为建设该类桥型提供理论依据。该桥工程总工期30个月，计划2016年6月底建成通车，建成后将成为武云高速公路上跨越南水北调干渠的一座标志性建筑。

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