河口斜拉桥设计与施工关键技术研究

项目名称：高烈度区大跨度结合梁斜拉桥设计与施工关键技术研究

一、项目的背景和必要性

1.1 研究背景

本项目的研究以河口大桥为工程背景。

河口大桥是兰州（新城）至永靖沿黄河快速通道的重点桥梁工程，为跨越黄河河口水库而设。兰州（新城）至永靖沿黄河快速通道是甘南州、临夏州与青海、河西走廊及新疆之间交通往来的重要通道，是兰州一小时都市经济圈内的交通要道，也是临夏州各县区与外界联系的主要通道。项目是兰州市南滨河路“黄河风情线”的延伸段，也是打造兰州至永靖沿黄河经济带，整合区域特色旅游资源、打造沿黄河特色生态旅游线路的需要。该桥主桥为双塔双索面结合梁斜拉桥，主跨跨径360m，边跨177m；两边跨各设一个辅助墩，主桥桥跨布置为77+100+360+100+77m，主桥共长714m，如图1。

图1

主桥桥塔：采用钢筋混凝土A型塔，塔身采用外侧圆弧凸起的箱型截面，截面横向宽度450cm、纵向宽度700cm。在塔顶设空透隔板连接，塔柱底设底座。每个桥塔设20根φ2.5m的灌注桩，塔桩长35m,均按端承桩设计。

主梁采用工字钢-混凝土结合梁，结合梁梁高2.83m(钢主梁中心处)、3.06m(桥梁中心处)。结合梁的钢梁主要由工字形纵梁与横梁构成，横梁之间设置3道小纵梁，以增加桥面板横向分块，降低桥面板吊重和稳定横梁，小纵梁上设有橡胶隔离层，不参与桥面板整体受力，钢主梁上采用锚拉板的斜拉索锚固构造形式。每片主梁为

腹板外侧布置两条纵向加劲肋和竖向加劲肋的工字形断面，断面全高2.5m，纵梁上缘36mm×1000mm，沿跨长不变，跨中部分下缘板70×1000mm、腹板厚20mm，其余部分下缘板80×1000mm,腹板厚28mm。下翼缘宽在支座下局部变宽至1200mm。纵梁腹板范围设两条纵向加劲肋，两条纵向加劲肋尺寸为20×260mm,主梁梁段间采用M30高强螺栓工地连接。塔根处纵梁长度为16m，其余段梁标准长度为12m，纵梁接头设在两横梁中间部位。横梁采用工字形钢梁，钢横梁采用2280×700×20（28）×16mm 工字型截面，中心处高2280mm，端部高2050mm，翼缘宽700mm，上翼缘厚度为20mm，下翼缘厚度为28mm，腹板厚度为16mm。横梁标准间距为4m。所有钢横梁梁端与纵梁采用M24高强螺栓工地连接。

结合梁的混凝土桥面板采用分块预制吊装、板间设纵、横向现浇缝的方式连成整体，预制板存放时间要求6个月以上，现浇缝采用微膨胀混凝土。桥面板采用预制钢筋混凝土板，板厚25cm，预制板顺桥向设置齿形剪力键。在边跨一定范围内桥面板中布置有纵向预应力，采用9φ15.2钢绞线。桥面板通过布置在钢纵梁及钢横梁上的剪力钉与钢梁结合。剪力钉采用φ22圆头焊钉，ML15AL钢，长200mm 主桥斜拉索采用直径7mm镀锌低松弛平行钢丝束，最大索长189.201m（下料长度），边索与水平面最小夹角为22.971°。斜拉索全桥共56对，共采用5种规格形式，按双索面扇形布置，标准阶段索距在主梁上为12m。

1.2 项目研究的必要性

随着国民经济的快速发展和交通量的日益增长，大跨径桥梁的修建规模和数量与日俱增。现代斜拉桥因其具有造型美观、跨越能力达、布置灵活、施工干扰少等优点，并具有良好的力学性能及经济指标，是大跨径及特大跨径桥梁中最具竞争力的桥型之一。但随着斜拉桥跨径的不断增大，其结构体系越来越复杂，桥梁结构理论分析和施工控制问题也日益成为设计和施工中的关键而备受关注，相应也出现了许多亟待解决的问题。结合梁斜拉桥由于采用了结合梁主梁结构形式，主梁的抗弯刚度非常小，非线性效应十分明显，同时由于钢和混凝土材料性能差异较大，造成整体结构内力和空间分布变化特性十分复杂，无论从结构理论、分析方法、实验研究到设计与施工设计等有诸多方面都存在尚未解决的关键问题，因此开展结合梁斜拉桥设计优化与施工关键技术研究是十分必要的。

目前，我国在组合梁斜拉桥方面，无论研究、设计、施工等都存在明显的差距或需要完善的地方。（1）我国组合梁斜拉桥虽然已经有20年左右时间的实践，但基础理论研究相对滞后，高烈度地震区修建的大跨度组合梁斜拉桥很少。从试验规模与涉及面来看，国内系列化、系统性的试验研究较少。（2）分析研究方面，考虑材

料本构关系的非线性分析方法研究以及对组合结构弹塑性行为过程的分析研究等方面，无论涉及面与深度均存在不足。（3）在基础理论研究方面，组合结构桥梁的整体受力性能、负弯矩区的力学性能、桥面板的合理构造、钢与混凝土的连接性能、连接件的滑移影响与力学性能以及钢结构屈服稳定与构造要求等问题还有待进一步研究并逐步完善。

本课题依托工程河口大桥选用结合梁斜拉桥的结构形式。结合梁斜拉桥存在计算理论与实际误差较大、相关规范不完善和施工工艺复杂等问题，如果按照传统的方法进行设计与施工，容易引起施工质量与安全方面的严重问题，因此迫切需要对结合梁斜拉桥设计优化与施工关键技术进行研究。本课题拟研究钢-砼结合梁斜拉桥的设计与施工关键技术，完善并建立新的结合梁斜拉桥的设计计算理论，优化设计参数，同时进行施工技术创新，研究成果可以直接指导河口大桥的设计及施工过程，有效降低工程造价，为依托工程的顺利实施提供了理论支撑和技术保障。通过本课题的研究，可以为钢-砼结合梁斜拉桥在国内的进一步推广及应用奠定基础，具有显著的经济及社会效益。从对已有文献和成果的检索，本项目对高烈度区大跨度结合梁斜拉桥设计和施工关键技术的研究的重点内容属国内首次，具有一定的开拓性。另外，本项目的研究成果将直接用于河口大桥的设计与施工实践中，具有很强的针对性和实际应用价值，也具有进一步的推广价值。因此，本项目的研究无论从理论及推动桥梁科技进步方面，还是实用价值方面都有重要意义。

二、项目前期科研及工作基础

2.1 目前研究现状

（1）钢-混凝土结合梁桥的应用与研究现状

钢与混凝土结合梁是在钢梁和混凝土梁的基础上发展起来的一种组合构件，其结构形式通常由上部的钢筋混凝土板(或压型钢板混凝土板)和下部的钢梁组成，混凝土板和钢梁之间一般用栓钉剪力连接件进行连接。结合梁桥以其整体受力的经济性、发挥两种材料各自优势的合理性以及便于施工等特点，在欧洲、美国、日本的桥梁建设中占有重要地位。

基础理论与分析方法方面，早期由于对组合结构桥的受力机理与构造研究不足，出现较多问题。20世纪七八十年代以来，欧洲以及日本等国大力进行基础性理论研究和试验。内容涉及焊钉连接件性能、钢梁局部稳定、结构力学性能、桥面板开裂