46000吨 世界最重转体吨位斜拉桥的创新设计

作为京津冀交通一体化的重点项目——跨越京广铁路等21条铁路线的保定乐凯大街南延工程一直备受关注。保定市西南部的乐凯大街南延工程全长11.93km，总投资约30亿元。其中的转体桥设计为双塔单索面预应力混凝土斜拉桥，主桥长495m，桥面宽39.7m，双向八车道，是目前世界上转体桥梁跨度最大、转体吨位最重的斜拉桥。

技术标准与总体设计

乐凯大街南延工程在铁路京广线K137+970处以61.8°左右的交角上跨保定南站编组站，主桥采用（145+240+110）m三跨连续子母塔单索面预应力混凝土斜拉桥。

图1 桥型布置图

采用的技术标准如下：

(1)道路等级：城市主干路，设计时速60km。

(2)设计荷载：《城市桥梁设计规范》城—A级荷载的1.3倍(考虑公跨铁安全系数1.3)。人群荷载按《城市桥梁设计规范》第10.0.5条执行。

(3)设计基准期：100年。

(4)设计安全等级：一级。

(5)横断面布置：双向8车道，两侧各2m人行道。0.6m防撞墙+2m人行道+15.25m行车道+4m中央分隔带+15.25m行车道+2m人行道+0.6m防撞墙，桥宽39.7m，设置双向2%横坡。

(6)平纵布置:平面为直线；纵坡为2.3%和-2.465%，竖曲线半径R=4000m。

(7)抗震设防标准：地震动峰值加速度按0.1g设计，抗震设防烈度为7度，主桥设防分类为甲类。

图2 桥塔构造

母塔采用塔、墩、梁固结体系，主塔高68m，塔高与中跨长比为0.283；子塔高为52m，与中跨长比为0.216。子塔处塔梁固结，梁墩间设置支座，为减小支座吨位，并消减支座上方负弯矩，纵向设置双支座形式。为控制地震位移，在子塔、边墩处横向设粘弹性消能阻尼器。主梁高3.5m，高跨比为1/68.5，主梁全宽39.7m,宽跨比约为1/6。斜拉索采用扇形索面布置，横桥向由两根间距1.1m的平行索组成的单索面结构体系。主塔两侧各布置24对斜拉索，子塔两侧各布置18对斜拉索。主梁边跨侧索间距4.7m，其他区域拉索间距5.0m；拉索桥塔竖向索间距除主塔最下两排为2.0m外，其他区域索间距为1.6m。主桥布置如图1所示。

图3 桥塔效果图

桥塔作为斜拉桥造型的重要表现形式，应进行景观设计，本次设计结合保定市深厚的体育文化底蕴和奥运精神，将桥塔设计为奥运火炬造型，寓意保定像奥运火炬一样生生不息，勇当第一。桥塔构造及效果图如图2、3所示。下塔柱为矩形截面，根部尺寸为12X3.3m（纵向X横向），塔身纵向前后两面从根部沿0.8°的倾角向上延伸。中塔柱为斜拉索锚固区，刻槽空心截面。上塔柱设计为火炬造型，为横向等分的三片板结构，每片厚度1.1m。

主梁：W形腹板截面更优越

主梁截面设计构思

适用于单索面斜拉桥的传统单箱多室截面如图4所示。中间设置较小箱室作为拉索锚固箱室，在拉索锚固断面设置横隔板一道，邻近锚固区竖直腹板通常需配置预应力粗钢筋。传统箱形截面主要有以下缺点：

图4 传统单箱多室内直腹板箱梁

（1）每个拉索锚固区需设置横隔板，通常为了检修需要，横隔板上还需设置过人孔，由于混凝土斜拉桥拉索间距较小，过多横隔板及过人孔大大增加了主梁自重，并造成了主梁构造复杂。

（2）主梁断面受力不够明确，特别是拉索锚固区及邻近内腹板区域受力复杂，邻边内腹板需要配置预应力筋。通常斜拉桥主梁梁高仅3.5m左右，采用预应力钢铰线，张拉锚固损失较大；而采用预应力粗钢筋，长期可靠性较差，该问题较难得到很好的解决。

图5 W形腹板主梁断面形式

针对传统箱形截面的缺点，本次主梁采用大悬臂W形腹板截面设计，主梁截面示意如图5所示，截面受力如图6所示。拉索设置于截面横向中部，在拉索索力及桥面恒、活荷载作用下，截面近似桁梁受力，顶板与内腹板受拉，外腹板与底板受压，结构受力明确简洁。

图6 主梁断面受力示意图

W形腹板截面可避免传统单箱多室截面的缺点，相较于传统垂直内腹板设计，主要优越性如下：

（1）截面受力明确，截面表现为较强的桁梁受力特点，拉索索力为桁梁节点外力，与顶板和内腹板的拉力平衡，并表现为内腹板拉力起主要作用（顶板横坡小）。就桁梁内部受力而言，顶板与内腹板的受拉与外腹板及底板的受压，形成受力平衡。

（2）通过在内斜腹板内配置预应力钢铰线抵消拉索索力，可取消拉索锚固处的横隔板，大大减轻主梁自重并极大简化主梁的构造，使得结构更加轻盈美观，经济性能优。

W形腹板箱梁截面与传统单箱多室截面方案比选时，不同截面设计主梁指标对比如表1所示。从中可见，W形腹板截面每延米混凝土方量为34.19m3，相较于传统截面，混凝土方量每延米节省约17%，主梁每延米减重约20t。普通钢筋量每方节省约22%，考虑到混凝土方量的节省，普通钢筋量节省更多。截面横向预应力筋两种截面相当，传统截面略省；而腹板竖向预应筋，W形腹板截面每方多用预应力筋约为5.8kg，考虑到竖向预应力筋本身在主梁总工程量占比较小，竖向预应力筋增加量并不大。总体而言，W形腹板截面的采用，大大节省了主梁的工程量，简化了主梁构造；并通过减少上部结构的重量，间接减小了拉索用量和桥塔尺寸。

主梁构造

主梁截面顶板宽39.7m，底板宽18m，中心处箱梁高3.5m。箱梁顶面横向设置双向2%横坡。标准段顶板厚30cm，底板厚35cm，外侧斜腹板厚40cm，内侧斜腹板厚30cm。由于顶板箱室跨度较大，纵向间距大约250cm设置一道肋板，肋板厚35cm，高50cm。主梁标准构造如图7所示，母塔小里程边跨段，为平衡主塔两侧转体长度不等引起的不平衡重，底板加厚为40cm，外侧斜腹板厚45cm，内侧斜腹板厚45cm。

图7 主梁标准断面

箱梁在梁端及主塔和子塔根部采用加厚处理，顶板加厚至70cm，腹板加厚至80cm，底板加厚至100cm。梁端顶底板及腹板变化段长度均为5m；主塔处顶板变化段长度19m，腹板、底板变化段长度9m；子塔处顶板变化段长度12.5 m，腹板及底板变化段长度7.5m。箱梁在母塔、子塔与梁端处设置横隔板，母塔处横隔板厚12m，子塔处隔板厚11m，梁端隔板厚2m。

主梁采用纵、横、竖三向预应力体系，预应力钢束均采用高强低松弛钢绞线。其中主梁纵向配置顶板束、腹板束及和底板束，钢束规格主要为19-φ15.24，15-φ15.24；横向箱梁顶板采用5-φ15.24，横肋采用19-φ15.24；无索区外腹板采用7-φ15.24，有索区内腹板采用9-φ15.24。

球面平铰：创新设计 分块拼接

球面平铰构造

早期最大转体重量基本上都在20000t以内，近年来转体设计正向超大吨位发展，由此带来球铰尺寸巨大，加工质量难以保证和运输困难等问题。本桥最大转体重量46000t，建成后将成为转体施工桥梁一个新的里程碑。为解决大吨位球铰加工运输困难，在现有设计加工经验的基础上，展开专门研究和实验，设计了一种新的可分块拼接的大吨位球面平铰。球面平铰如图8、9、10所示，主要由上平铰、下平铰、滑块、销轴、剪力钉及支撑骨架等部件组成。5万吨及4万吨球铰上、下转盘直径分别为6.48m和5.88m。上下转盘的球面半径分别为33m和28m。

图8、9、10 大吨位球面平铰构造

成型方式及材料选择

经比选及实验结果，球面平铰采用轧制钢板焊接成型，滑块采用改性四氟滑片。该种新型平铰结构相比传统球铰具有如下优点：（1）上下铰球面半径更大，可有效降低球铰结构高度，增加转体过程稳定性。（2）采用Q345C轧制钢板可避免铸钢整体成型零部件内部质量难以保证、检测困难、加工质量难以保证的问题。（3）实验表明，改性四氟滑片相较于MGB滑块，性能更加稳定，动摩擦系数与静摩擦系数相差很少，可保证转动过程牵引力的稳定。（4）上下平铰可采用两块拼接方式，单块最大宽度不超过3.5m，不属于大型物件，运输方便。

加工工艺

为保证加工制造及安装精度，采取保证措施：

(1)平铰毛坯及厚度不低于40mm的加强肋先采用熔透焊接，形成刚性强的整体后进行去除应力处理。

(2)采用拼接方式合并为一整体圆盘并用螺栓固定牢固，再整体数控加工，其平面度及球面度保证在0.5mm内。

(3)工厂预拼组装时再按加工前螺栓位置将2半圆平铰拼接固定一起，滑动平面或球面的平面度及球面度小于0.5 mm；现场施工对拼时可对接缝处进行打磨与抛光，使接缝平滑过渡。

总体计算分析

计算模型与荷载组合

采用MIDAS Civil 2015 建立全桥空间杆系模型，加劲梁、桥塔、桥墩采用梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟。拉索与主梁之间的连接采用设置梁单元偏心的方式保证连接部位的准确；而拉索与桥塔之间的连接则采用刚臂连接。建立的整体模型如图11所示。

根据施工流程，考虑的施工工况主要包括：（1）支架现浇转体段主梁及桥塔；（2）挂索最大悬臂状态；（3）转体；（4）跨中合龙；（5）边跨合龙；（6）第一次调索；（7）施加二期恒载；（8）第二次调索；（9）成桥温度、风、沉降及活载等。

考虑组合包括：

① 恒载+人群+活载+制动力+纵向风力+温度+支座沉降

② 恒载+人群+活载+制动力+横向风力+温度+支座沉降

图11 全桥静力计算模型

计算结果

（1）最大活载挠度。主梁活载下最大竖向位移128mm，小于《公路斜拉桥设计细则》中L/500=480mm的限值，主梁竖向刚度满足要求。

（2）支反力。12号边墩最大支反力30973kN，子塔下最大支反力285724kN，15号边墩最大支反力24640kN。

（3）主梁应力。主要工况下主梁上下缘应力如表2所示。恒载下，主梁全截面受压，最大压应力11.5MPa，最小压应力2.4MPa。组合荷载作用下，主梁主要截面的最大压应力16.6MPa，最小压应力1.3MPa。主梁容许压应力为17.75MPa，满足规范要求。

（4）拉索成桥索力及疲劳应力。通过合理调整索力，母塔最终成桥索力如图12所示，其中最大索力约990t。拉索最大应力约为678MPa，拉索最小安全系2.6，满足规范要求。拉索最大疲劳应力75MPa，小于200MPa，疲劳应力也满足要求。

图12 母塔拉索索力图

乐凯大街南延工程跨保定南站主跨240m，采用墩底转体法施工。主塔转体段长度263.6m，转体质量达到46000t；子塔转体段长度204m，转体质量35000t，转体设计指标国内领先。设计中主梁采用了大悬臂W形腹板箱形截面，去除传统单箱多室截面锚固横隔板，简化了主梁构造并减轻上部结构自重，经济指标较传统设计更加优越。针对大吨位转体，创新设计了一种分块拼接大直径球面平铰，解决了大吨位转铰加工和运输的难题。

作者 /徐升桥 简方梁 焦亚萌

作者单位 /中铁工程设计咨询集团有限公司