离石高架桥主桥结构分析

1　工程概况

离石高新技术开发区龙凤大街规划宽度为80m，设计路线与其呈30°交角。考虑道路两侧城市管网布设，桥梁净跨需在120m以上，经多方案比较，最终采用85m+135m +85m三跨双塔单索面预应力混凝土部分斜拉桥，结构形式为塔梁固结、墩梁分离，梁底设支座。下部采用钢筋混凝土板式墩，钻孔灌注桩基础。施工方法为主梁悬臂浇注。总体布置见图1所示。

2　离石高架桥主桥技术标准

(1) 公路等级：高速公路；

(2) 桥面宽度：2×净-11m+2×015m防撞护栏+3m中央分隔带；

(3) 设计荷载：汽车- 超20级，挂车-120；

(4) 地震基本烈度：6度。

3　主桥结构设计

3.1　总体设计

离石高架桥单索面布置在高速公路中央隔离带上，造型美观且造价较低。结构形式由于采用塔梁固结，墩梁分离，梁底设支座，使部分斜拉桥的受力更加接近梁式体系，受力明确，结构简单。而且这种结构形式延长了结构的基本自振周期，减小了地震作用，有利于提高结构的抗震和整体稳定性。支座采用盆式橡胶支座。桥墩采用钢筋混凝土板式墩，以适应温度、混凝土收缩与徐变等荷载的变化。

3.2　主梁设计 主梁采用单箱三室大悬臂断面，外腹板斜置，箱梁顶板宽度为26m，腹板斜率不变，箱梁底板宽度由15.6m 渐变到16.864m。主墩墩顶根部梁高4.2m，x中、边跨方向45m 范围内梁高变化采用二次抛物线，其余为等高梁段，梁高为2.4m。箱梁合拢段底板厚度为25cm ，0号块端部底板厚46.2cm，在梁高变化段内，底板厚度变化采用二次抛物线。顶板厚度不变，边室28cm ，中室45cm。边腹板厚度为50cm ，中腹板厚度为35cm。斜拉索锚固区均设横隔板，边室横隔板厚度为30cm，中室横隔板厚度为40cm。箱梁横断面如图2所示。

主梁采用三向预应力结构，纵向采用钢绞线和高强精轧螺纹粗钢筋，横向采用钢绞线，竖向采用高强精轧螺纹粗钢筋。

主梁按挂篮悬臂浇注法施工，0号块节段长10m，1号、2号梁段长3m，3号梁段长3.5m，合拢段长2m，其余梁段长均为4m。最大悬臂浇注重量为223.5t。

3.3　主塔设计

主塔计算塔高为18m，采用实心矩形截面。主塔布置在中央分隔带上，塔身上设鞍座，以便拉索通过。斜拉索横桥向呈2排布置，鞍座亦设2排。

鞍座采用分丝管形式，每根分丝管穿1根钢绞线，以方便将来单根换索。在两侧斜拉索出口处设抗滑锚板，以防止钢绞线滑动。

斜拉索为单索面，考虑到张拉设备、施工能力以及施工方便，单索面在横桥向呈2排布置，每根拉索由31根环氧喷涂钢绞线组成。鞍座亦设2排，采用分丝管形式。在两侧斜拉索出口处设抗滑锚板，以防钢绞线滑动。拉索采用多重防腐措施，单根钢绞线为环氧喷涂，外包单层PE，钢绞线索外包HDPE套管。

3.4　下部结构设计

根据钻孔揭示，桥址地层由Q4冲积物和二叠系砂岩互层构成。Q4冲积物厚度为7.8～8.8m，二叠系砂岩由全风化、强风化、弱风化、微风化砂岩互层构成。地下水位约在2.3～3.7m。基础采用钻孔灌注桩，按嵌岩桩设计。

4　主桥结构静力分析

桥墩、主梁和主塔都采用三维有限元梁单元，斜拉索采用只受拉的索单元，根据施工阶段梁段的划分和预应力钢束的布置，将主梁划分为92个单元，变截面范围内处理为变截面单元；主塔为矩形截面，每个主塔划分为12个单元；每个桥墩划分为5个单元；全桥44 根斜拉索划分为44个索单元，全桥共计170个单元。

根据施工组织设计，在施工阶段，假定在左右墩顶处固结；在成桥运营阶段，左墩为固定支座，右墩和主梁两端设置为沿桥梁方向的滚动支座，计算图式如图3所示。

全桥采用以下荷载组合：

(1) 恒载+ 预加力+ 混凝土收缩、徐变+ 汽车-超20级；

(2) 恒载+ 预加力+ 混凝土收缩、徐变+ 挂车-120；

(3) 恒载+ 预加力+ 混凝土收缩、徐变+ 汽车-超20级+ 支座下沉1cm + 桥面板升温10℃；

(4) 恒载+ 预加力+ 混凝土收缩、徐变+ 汽车-超20级+ 支座下沉1cm + 桥面板降温10℃；

(5) 恒载+ 预加力+ 混凝土收缩、徐变+ 汽车-超20级+ 支座下沉1cm + 整体升温20℃；

(6) 恒载+ 预加力+ 混凝土收缩、徐变+ 汽车-超20级+ 支座下沉1cm + 整体降温20℃。

计算结果表明，在使用阶段主梁处于全截面受压状态，最大压应力出现在塔根部，满足设计要求。根据局部应力分析结果，预应力钢束锚固端和支座连结处应力分布复杂，应加强局部配筋。

5　主桥结构自振特性分析

按照上述计算模型，笔者计算了结构的自振特性。根据抗震分析的需要，计算了结构的前100 阶振型，结构振型示意见图4～图7，表1 列出了结构前15 阶的自振特性情况。

表1 结构的前15阶自振特性

研究表明：计算前20 阶振型，其纵向、横向及竖向累计振型贡献率均非常接近100% ，超过美国UBC规范要求的90%。我国与桥梁抗震有关的规范对此没有规定，说明前20 阶振型已涵盖结构的主要动力特性；从振型图上看，前三阶为以竖向为主的振型，第四阶出现横向振型，说明结构具备较好的横向刚度；取用三维实体单元反映的振型全面，能够很好地把握结构的动力特性，可以为成桥动测提供可靠的理论分析。

6　结论与建议

通过离石高架桥的设计实践，为我国成功应用部分预应力混凝土斜拉桥又提供了一份宝贵的经验。采用双塔单索面预应力混凝土部分斜拉桥，受力明确，结构简单，造型美观且造价较低。部分斜拉桥可根据实际情况，合理选择各部尺寸，使设计自由度更大。通过结构静力计算和动力特性分析，表明该类型桥梁完全能满足使用功能的要求，施工难度较小，工期较短，为今后桥梁建设提供了更广阔的空间。