阿克苏纺织大桥主桥设计

总第２９３期交　通　科　技Ｓｅｒｉａｌ　Ｎｏ．２９３　２０１９年第２期Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｎｏ．２Ａｐｒ．２０１９ＤＯＩ　１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－７５７０．２０１９．０２．００９收稿日期：２０１８－１１－２５阿克苏纺织大桥主桥设计邱　峰　段雪炜　徐恭义（中铁大桥勘测设计院集团有限公司　武汉　４３００５６）摘　要　基于某桥桥址处气候寒冷、有效工期短、上跨铁路线及地震烈度高等特点，设计主桥采用跨径布置为２×１４０ｍ的独塔双索面结合梁结构，并辅以针对该桥建桥条件和要求的具有主梁轻型化、工程预制化、构件小型化及施工快捷化等特点的结构设计方案和主要施工工法。

通过对结构进行计算分析，结果表明该桥静力和动力特性均满足规范要求。

关键词　独塔结合梁斜拉桥　工字型钢边主梁　混凝土桥面板　剪力滞效应　顶推施工１　工程概况阿克苏纺织大桥位于新疆阿克苏地区，连接阿克苏市区和阿克苏纺织工业城（开发区），主桥跨越南疆线、南疆复线、生资线、棉麻线及预留专用线等５条铁路线，以及１条季节性河沟（不通航），是阿克苏地区完善交通功能、促进城市发展的重要工程。

桥址处日照时间长，昼夜温差变化大，降水量少。

区域多年平均气温１０．３℃。

极端最高气温３８．１℃，极端最低气温－２７．０℃，最热月平均气温２３．８℃，最冷月平均气温－７．７℃。

大桥按城市主干道标准设计，双向６车道，设计速度６０ｋｍ／ｈ，按城－Ａ级汽车荷载标准进行结构计算。

Ｅ１地震作用下（５０年超越概率１０％）的水平地震动峰值加速度ａｍａｘ＝０．２２１　ｇ，Ｅ２地震作用下（５０年超越概率２％）的水平地震动峰值加速度ａｍａｘ＝０．４１６　ｇ［１］。

阿克苏纺织大桥工程全长１　５６７ｍ，主桥采用桥跨布置为２×１４０ｍ的独塔双索面结合梁斜拉桥［２］，引桥为３０ｍ标准跨径的混凝土连续梁。

阿克苏纺织大桥桥型布置见图１。

图１　阿克苏纺织大桥主桥桥型布置（单位：ｍ）２　结构设计２．１　体系布置主桥纵桥向在主塔下横梁顶设固定支座，两侧交接墩设活动支座，横桥向主墩及交接墩均为１个固定，另１个活动。

考虑到桥址位于地震高烈度区，为实现横向减震功能，主桥支座均采用横向弹塑性钢阻尼球型支座；为实现纵向减震功能，主塔下横梁顶纵桥向两侧各布置２个弹塑性钢阻尼器。

主桥体系布置见图２。

图２　主桥支承体系布置２．２　主梁设计主梁采用钢边主梁结合混凝土桥面板的结合梁断面［３］，主梁节段示意见图３，主梁顶面设１．５％双向横坡，中心线处梁高２．６ｍ（含桥面板），桥面宽３０ｍ，２片边主梁横向中心距２８．８ｍ，主梁横断面布置见图４。

图３　主梁节段效果示意图４　主梁横断面布置（单位：ｃｍ）为防止钢材发生低温脆断，钢梁选用Ｑ３７０ｑＥ级钢。

钢边主梁采用工厂分节段制造，标准节段长１２ｍ。

钢边主梁采用工字形截面，底板水平设置，顶板设１．５％的单向横坡。

钢横梁也为工字形截面，横梁标准间距为４ｍ，为便于运输，单个横梁横向分为７．８８，１２，７．８８ｍ３个节段进行拼接。

在钢横梁对称中心线处设置１道小纵梁［４］，作为现浇缝的底模。

主梁节段间、横梁节段间及横梁与边主梁之间顶板采用现场焊接，腹板及底板采用高强螺栓拼接，小纵梁与横梁之间也采用高强螺栓拼接。

混凝土桥面板总宽３０ｍ、厚２７ｃｍ，分为预制部分和现浇部分。

预制部分采用Ｃ５５混凝土，现浇部分采用Ｃ５５微膨胀混凝土。

桥面板按普通钢筋混凝土构件进行设计。

钢纵梁和横梁顶面布置剪力钉与混凝土桥面板通过现浇湿接缝部分进行连接，剪力钉直径２２ｍｍ、高１８０ｍｍ。

２．３　斜拉索设计斜拉索采用空间双索面扇形布置，主塔两侧各１０对斜拉索，斜拉索关于主塔横向中心线及主梁中心线对称布置。

斜拉索在主梁上名义锚固点水平间距为１２ｍ，通过锚拉板与主梁进行锚固连接，在主塔上名义锚固点竖向间距为３．０ｍ，通过塔内壁设混凝土齿块进行锚固。

斜拉索采用直径７ｍｍ镀锌平行钢丝拉索，钢丝标准强度为１　８６０ＭＰａ，斜拉索分５种规格，最大为ＰＥＳＣ７－２１１，最小为ＰＥＳＣ７－１２１。

２．４　桥塔设计主塔采用钢筋混凝土结构花瓶形桥塔，承台顶面以上塔高１０６ｍ，根据主塔横梁的设置分为上塔柱、中塔柱和下塔柱３部分，见图５。

塔柱采用空心矩形截面，塔柱纵桥向宽度自上而下由５．５ｍ变化至６．５ｍ，上塔柱和中塔柱横桥向尺寸均为３．２ｍ，下塔柱横向尺寸自上而下由３．２ｍ变化至５．０ｍ。

下塔柱和中塔柱交界处设下横梁，中塔柱顶设置中横梁，上塔柱顶设置上横梁，横梁均为空心矩形截面，按全预应力构件进行设计。

图５　桥塔结构示意（单位：ｍ）主塔斜拉索锚固区处塔壁按预应力混凝土Ａ类构件设计，锚固区塔壁内采用“井”字形布置Φｓ１５．２ｍｍ的预应力钢绞线，预应力束规格为９－Φｓ１５．２，张拉及锚固端均采用低回缩量锚具，锚３３２０１９年第２期邱　峰等：阿克苏纺织大桥主桥设计具回缩量不大于１ｍｍ，可有效减小预应力损失［５］。

主塔基础采用２４根直径２．２ｍ的钻孔灌注桩，按摩擦桩设计。

３　结构计算分析采用空间有限元软件ｍｉｄａｓ　Ｃｉｖｉｌ和中铁大桥勘测设计院编制的结构分析软件ＳＣＤＳ对该桥进行计算分析。

３．１　整体静力分析按照桥梁实际施工过程，建立分阶段计算模型，计算桥梁在各施工阶段及运营阶段的应力和变形情况。

计算过程中考虑了恒载、活载、混凝土收缩徐变、基础沉降、温度变化、风荷载、汽车制动力及施工荷载等各项作用，并按规范规定将各项作用进行组合。

计算中合龙温度取８～１３℃，主塔基础不均匀沉降取２ｃｍ，交接墩基础不均匀沉降取１ｃｍ。

经计算，施工阶段与运营阶段钢主梁、主塔、斜拉索应力及活载作用下主梁挠跨比均满足规范要求，其中运营阶段钢主梁最大拉应力为１２９．０ＭＰａ，最大压应力为１７５．７ＭＰａ，混凝土桥面板最大压应力为９．８ＭＰａ；主塔最大压应力为１０．９２ＭＰａ，未出现拉应力；斜拉索最大拉应力为７１８．０ＭＰａ，最大应力幅为１６２．９ＭＰａ；活载作用下主梁挠跨比为１／８０９。

３．２　桥面板受力分析混凝土桥面板按照普通钢筋混凝土构件进行设计。

主桥桥面板为纵向单向板，因此桥面板纵向受力需考虑总体受力与车辆荷载局部加载效应两部分叠加［６］。

桥面板纵向总体受力考虑了边主梁结合梁具有的剪力滞效应［７］，经计算，各工况下剪力滞系数均小于２，根据求得的剪力滞系数对板宽进行折减，根据折减后板宽计算桥面板纵向总体受力。

将上述两部分效应叠加，在最不利工况组合下，混凝土桥面板纵向最大裂缝宽度为０．１６３ｍｍ，小于规范规定的０．２ｍｍ限值。

混凝土桥面板与钢横梁一起参与横向受力，按照横向结合构件进行分析，经过计算，在最不利工况组合下，混凝土桥面板横向最大裂缝宽度为０．１５８ｍｍ，小于规范规定的０．２ｍｍ限值。

３．３　动力特性及抗震分析采用ｍｉｄａｓ　Ｃｉｖｉｌ分析该桥的结构动力特性，成桥状态下主桥前６阶频率及振型见表１。

由表１可知，该桥一阶为主梁失稳，二阶为主塔失稳，三～六阶均为主梁失稳情况。

由于采用了花瓶型主塔及空间索面布置，因此，主桥具有较好的竖向刚度和扭转刚度。

表１　成桥状态桥梁前６阶频率及振型阶数频率／Ｈｚ振型一０．４５０主梁一阶反对称竖弯二０．８１０主塔侧向弯曲三０．８５９主梁一阶正对称竖弯四１．０３０主梁二阶反对称竖弯五１．０８６主梁扭转六１．１９０主梁扭转 参照抗震规范，本桥主桥属于Ａ类桥梁，采用时程分析法进行抗震计算。

计算表明，通过前述合理布置的减隔震体系，在Ｅ１及Ｅ２地震作用下，主塔和所有桥墩均满足抗震性能目标要求。

４　主要施工方法主桥钢纵梁和横梁均按设计要求在工厂分段制造，尺寸满足公路运输要求；混凝土桥面板在预制场内分块预制。

主桥靠市区侧１４０ｍ主跨跨越多条铁路线，为减小对铁路运营的影响，该主跨钢梁采用顶推法施工［８－９］，另一侧１４０ｍ主跨钢梁采用支架法拼装。

待钢梁顶推到位并合龙完毕后，将预制桥面板吊装至桥面，在桥面上设置龙门吊机进行预制板的安装，待桥面板全部结合后，再挂设张拉斜拉索，同步拆除临时墩和支架，最后施工桥面系等附属设施。

该施工方法快捷高效，基本不影响铁路运营，同时可大幅度缩短施工工期。

５　设计特点为较好地适应本项目所处的位置、气候条件、主桥上跨多条铁路线及桥址区地震烈度高等建设条件，主桥结构设计和工法选择方面具有以下特点。

１）主梁轻型化。

因桥址区地震烈度高，桥塔和基础设计受地震荷载控制，为减小主桥各构件的地震响应，采用了轻型化的工字型钢边主梁结合梁结构形式。

２）工厂预制化。

考虑到本地区气候寒冷、有效工期短，同时为减小上部结构施工对铁路运营带来的干扰和安全风险，除基础和主塔外，其余桥梁构件基本为工厂制造和现场预制，方便施工安装，显著缩短了工期。

３）构件小型化。

本项目位于阿克苏市区，桥梁构件主要依赖公路运输，设计采用的工字型钢边主梁及合理确定的纵、横梁分段尺寸充分体现４３邱　峰等：阿克苏纺织大桥主桥设计２０１９年第２期了构件小型化的特点，适应了公路运输的重量和限界要求。

４）施工快捷化。

采用的跨铁路顶推施工钢梁、后施工桥面板、再挂设张拉斜拉索的施工方法快速便捷，进一步降低对桥下铁路运营的干扰和安全风险，并缩短了施工工期。

６　结语阿克苏纺织大桥主桥采用独塔双索面结合梁斜拉桥，选择边钢主梁结合混凝土桥面板的主梁断面，采用了顶推法先施工钢梁后结合桥面板、最后挂设张拉斜拉索的工法，具有主梁轻型化、工厂预制化、构件小型化和施工快捷化等特点，可为今后同类条件下桥梁构思和设计提供参考。

该桥于２０１６年１０月全面开工建设，２０１８年１２月建成通车，大桥建成将对促进阿克苏地区交通与经济的发展发挥重要作用。

参考文献［１］　中铁大桥勘测设计院集团有限公司．阿克苏纺织工业城（开发区）纺织大桥施工图设计［Ｚ］．武汉：中铁大桥勘测设计院集团有限公司，２０１６．［２］　聂建国．钢－混凝土组合结构桥梁［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２０１１．［３］　高宗余．青州闽江大桥结合梁斜拉桥设计［Ｊ］．桥梁建设，２００１（４）：１－３．［４］　杜萍．二七长江大桥主跨斜拉桥钢主梁设计［Ｊ］．交通科技，２０１４（２）：４－７．［５］　邱峰，舒思利，易伦雄．宜昌庙咀长江大桥三江桥设计［Ｊ］．交通科技，２０１４（２）：４１－４４．［６］　康晋，肖海珠，徐伟．乌苏大桥主桥上部结构设计与计算［Ｊ］．桥梁建设，２０１１（１）：５５－５８．［７］　何雄君，杨阳，何佳，等．高震区大跨钢－混结合梁斜拉桥纵向碰撞效应研究［Ｊ］．武汉理工大学学报（交通科学与工程版），２０１７，４１（４）：５５９－５６３，５６８．［８］　肖海珠，张大力，李小珍，等．黑瞎子岛乌苏大桥主桥结构设计与关键技术［Ｊ］．桥梁建设，２０１３（６）：１－６．［９］　陈恒山，吴静，陈湘林．顶推法施工在桥梁工程中的应用［Ｊ］．中外公路，２００６（３）：１７８－１８０．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｍａｉｎ　Ｂｒｉｄｇｅ　ｏｆ　Ａｋｓｕ　Ｆａｎｇｚｈｉ　ＢｒｉｄｇｅＱＩＵ　Ｆｅｎｇ，ＤＵＡＮ　Ｘｕｅｗｅｉ，ＸＵ　Ｇｏｎｇｙｉ（Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｍａｊｏｒ　Ｂｒｉｄｇｅ　Ｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅ　＆Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ　４３００５６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｖｉｅｗ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｃｏｌｄ　ｃｌｉｍａｔｅ　ａｔ　ｔｈｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ｓｉｔｅ，ｓｈｏｒｔ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｅｒｉｏｄ，ｏｖｅｒ－ｃｒｏｓｓｉｎｇ　ｒａｉｌｗａｙ　ｌｉｎｅ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，Ａｋｓｕ　Ｆａｎｇｚｈｉ　Ｂｒｉｄｇｅ　ａｄｏｐｔｓ　ｓｉｎｇｌｅｔｏｗｅｒ　ａｎｄ　ｄｏｕｂｌｅ　ｃａｂｌｅ－ｐｌａｎｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｇｉｒｄｅｒ　ｃａｂｌｅ－ｓｔａｙｅｄ　ｂｒｉｄｇｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｐａｎ　ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ　ｉｓ　２×１４０ｍ．Ａ　ｓｅｒｉｅｓ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｃｈｅｍｅｓ　ａｎｄ　ｍａｉｎ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｍａｉｎ　ｇｉｒｄｅｒ，ｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｆａｓｔ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ｉｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｉｃ　ａｎｄｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｄｅ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃａｂｌｅ－ｓｔａｙｅｄ　ｂｒｉｄｇｅ　ｗｉｔｈ　ｓｉｎｇｌｅ　ｔｏｗｅｒ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｂｅａｍ；Ｉ－ｓｈａｐｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ｓｉｄｅ　ｇｉｒｄｅｒ；ｃｏｎ－ｃｒｅｔｅ　ｄｅｃｋ；ｓｈｅａｒ　ｌａｇ　ｅｆｆｅｃｔ；ｐｕｓｈ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ５３２０１９年第２期邱　峰等：阿克苏纺织大桥主桥设计。