作為京津冀交通一體化的重點項目——跨越京廣鐵路等21條鐵路線的保定樂凱大街南延工程一直備受關注。保定市西南部的樂凱大街南延工程全長11.93km，總投資約30億元。其中的轉體橋設計為雙塔單索麵預應力混凝土斜拉橋，主橋長495m，橋面寬39.7m，雙向八車道，是目前世界上轉體橋樑跨度最大、轉體噸位最重的斜拉橋。
技術標準與總體設計
樂凱大街南延工程在鐵路京廣線K137+970處以61.8°左右的交角上跨保定南站編組站，主橋採用（145+240+110）m三跨連續子母塔單索麵預應力混凝土斜拉橋。
圖1 橋型佈置圖
採用的技術標準如下：
(1)道路等級：城市主幹路，設計時速60km。
(2)設計荷載：《城市橋樑設計規範》城—A級荷載的1.3倍(考慮公跨鐵安全係數1.3)。人群荷載按《城市橋樑設計規範》第10.0.5條執行。
(3)設計基準期：100年。
(4)設計安全等級：一級。
(5)橫斷面佈置：雙向8車道，兩側各2m人行道。0.6m防撞牆+2m人行道+15.25m行車道+4m中央分隔帶+15.25m行車道+2m人行道+0.6m防撞牆，橋寬39.7m，設置雙向2%橫坡。
(6)平縱佈置:平面為直線；縱坡為2.3%和-2.465%，豎曲線半徑R=4000m。
(7)抗震設防標準：地震動峰值加速度按0.1g設計，抗震設防烈度為7度，主橋設防分類為甲類。
圖2 橋塔構造
母塔採用塔、墩、梁固結體系，主塔高68m，塔高與中跨長比為0.283；子塔高為52m，與中跨長比為0.216。子塔處塔梁固結，梁墩間設置支座，為減小支座噸位，並消減支座上方負彎矩，縱向設置雙支座形式。為控制地震位移，在子塔、邊墩處橫向設粘彈性消能阻尼器。主樑高3.5m，高跨比為1/68.5，主樑全寬39.7m,寬跨比約為1/6。斜拉索採用扇形索麵佈置，橫橋向由兩根間距1.1m的平行索組成的單索麵結構體系。主塔兩側各佈置24對斜拉索，子塔兩側各佈置18對斜拉索。主樑邊跨側索間距4.7m，其他區域拉索間距5.0m；拉索橋塔豎向索間距除主塔最下兩排為2.0m外，其他區域索間距為1.6m。主橋佈置如圖1所示。
圖3 橋塔效果圖
橋塔作為斜拉橋造型的重要表現形式，應進行景觀設計，本次設計結合保定市深厚的體育文化底蘊和奧運精神，將橋塔設計為奧運火炬造型，寓意保定像奧運火炬一樣生生不息，勇當第一。橋塔構造及效果圖如圖2、3所示。下塔柱為矩形截面，根部尺寸為12X3.3m（縱向X橫向），塔身縱向前後兩面從根部沿0.8°的傾角向上延伸。中塔柱為斜拉索錨固區，刻槽空心截面。上塔柱設計為火炬造型，為橫向等分的三片板結構，每片厚度1.1m。
主樑：W形腹板截面更優越
主樑截面設計構思
適用於單索麵斜拉橋的傳統單箱多室截面如圖4所示。中間設置較小箱室作為拉索錨固箱室，在拉索錨固斷面設置橫隔板一道，鄰近錨固區豎直腹板通常需配置預應力粗鋼筋。傳統箱形截面主要有以下缺點：
圖4 傳統單箱多室內直腹板箱梁
（1）每個拉索錨固區需設置橫隔板，通常為了檢修需要，橫隔板上還需設置過人孔，由於混凝土斜拉橋拉索間距較小，過多橫隔板及過人孔大大增加了主樑自重，並造成了主樑構造複雜。
（2）主樑斷面受力不夠明確，特別是拉索錨固區及鄰近內腹板區域受力複雜，鄰邊內腹板需要配置預應力筋。通常斜拉橋主樑梁高僅3.5m左右，採用預應力鋼鉸線，張拉錨固損失較大；而採用預應力粗鋼筋，長期可靠性較差，該問題較難得到很好的解決。
圖5 W形腹板主樑斷面形式
針對傳統箱形截面的缺點，本次主樑採用大懸臂W形腹板截面設計，主樑截面示意如圖5所示，截面受力如圖6所示。拉索設置於截面橫向中部，在拉索索力及橋面恆、活荷載作用下，截面近似桁梁受力，頂板與內腹板受拉，外腹板與底板受壓，結構受力明確簡潔。
圖6 主樑斷面受力示意圖
W形腹板截面可避免傳統單箱多室截面的缺點，相較於傳統垂直內腹板設計，主要優越性如下：
（1）截面受力明確，截面表現為較強的桁梁受力特點，拉索索力為桁梁節點外力，與頂板和內腹板的拉力平衡，並表現為內腹板拉力起主要作用（頂板橫坡小）。就桁梁內部受力而言，頂板與內腹板的受拉與外腹板及底板的受壓，形成受力平衡。
（2）通過在內斜腹板內配置預應力鋼鉸線抵消拉索索力，可取消拉索錨固處的橫隔板，大大減輕主樑自重並極大簡化主樑的構造，使得結構更加輕盈美觀，經濟性能優。
W形腹板箱梁截面與傳統單箱多室截面方案比選時，不同截面設計主樑指標對比如表1所示。從中可見，W形腹板截面每延米混凝土方量為34.19m3，相較於傳統截面，混凝土方量每延米節省約17%，主樑每延米減重約20t。普通鋼筋量每方節省約22%，考慮到混凝土方量的節省，普通鋼筋量節省更多。截面橫向預應力筋兩種截面相當，傳統截面略省；而腹板豎向預應筋，W形腹板截面每方多用預應力筋約為5.8kg，考慮到豎向預應力筋本身在主樑總工程量佔比較小，豎向預應力筋增加量並不大。總體而言，W形腹板截面的採用，大大節省了主樑的工程量，簡化了主樑構造；並通過減少上部結構的重量，間接減小了拉索用量和橋塔尺寸。
主樑構造
主樑截面頂板寬39.7m，底板寬18m，中心處箱梁高3.5m。箱梁頂面橫向設置雙向2%橫坡。標準段頂板厚30cm，底板厚35cm，外側斜腹板厚40cm，內側斜腹板厚30cm。由於頂板箱室跨度較大，縱向間距大約250cm設置一道肋板，肋板厚35cm，高50cm。主樑標準構造如圖7所示，母塔小里程邊跨段，為平衡主塔兩側轉體長度不等引起的不平衡重，底板加厚為40cm，外側斜腹板厚45cm，內側斜腹板厚45cm。
圖7 主樑標準斷面
箱梁在梁端及主塔和子塔根部採用加厚處理，頂板加厚至70cm，腹板加厚至80cm，底板加厚至100cm。梁端頂底板及腹板變化段長度均為5m；主塔處頂板變化段長度19m，腹板、底板變化段長度9m；子塔處頂板變化段長度12.5 m，腹板及底板變化段長度7.5m。箱梁在母塔、子塔與梁端處設置橫隔板，母塔處橫隔板厚12m，子塔處隔板厚11m，梁端隔板厚2m。
主樑採用縱、橫、豎三向預應力體系，預應力鋼束均採用高強低鬆弛鋼絞線。其中主樑縱向配置頂板束、腹板束及和底板束，鋼束規格主要為19-φ15.24，15-φ15.24；橫向箱梁頂板採用5-φ15.24，橫肋採用19-φ15.24；無索區外腹板採用7-φ15.24，有索區內腹板採用9-φ15.24。
球面平鉸：創新設計 分塊拼接
球面平鉸構造
早期最大轉體重量基本上都在20000t以內，近年來轉體設計正向超大噸位發展，由此帶來球鉸尺寸巨大，加工質量難以保證和運輸困難等問題。本橋最大轉體重量46000t，建成後將成為轉體施工橋樑一個新的里程碑。為解決大噸位球鉸加工運輸困難，在現有設計加工經驗的基礎上，展開專門研究和實驗，設計了一種新的可分塊拼接的大噸位球面平鉸。球面平鉸如圖8、9、10所示，主要由上平鉸、下平鉸、滑塊、銷軸、剪力釘及支撐骨架等部件組成。5萬噸及4萬噸球鉸上、下轉盤直徑分別為6.48m和5.88m。上下轉盤的球面半徑分別為33m和28m。
圖8、9、10 大噸位球面平鉸構造
成型方式及材料選擇
經比選及實驗結果，球面平鉸採用軋製鋼板焊接成型，滑塊採用改性四氟滑片。該種新型平鉸結構相比傳統球鉸具有如下優點：（1）上下鉸球面半徑更大，可有效降低球鉸結構高度，增加轉體過程穩定性。（2）採用Q345C軋製鋼板可避免鑄鋼整體成型零部件內部質量難以保證、檢測困難、加工質量難以保證的問題。（3）實驗表明，改性四氟滑片相較於MGB滑塊，性能更加穩定，動摩擦係數與靜摩擦係數相差很少，可保證轉動過程牽引力的穩定。（4）上下平鉸可採用兩塊拼接方式，單塊最大寬度不超過3.5m，不屬於大型物件，運輸方便。
加工工藝
為保證加工製造及安裝精度，採取保證措施：
(1)平鉸毛坯及厚度不低於40mm的加強肋先採用熔透焊接，形成剛性強的整體後進行去除應力處理。
(2)採用拼接方式合併為一整體圓盤並用螺栓固定牢固，再整體數控加工，其平面度及球面度保證在0.5mm內。
(3)工廠預拼組裝時再按加工前螺栓位置將2半圓平鉸拼接固定一起，滑動平面或球面的平面度及球面度小於0.5 mm；現場施工對拼時可對接縫處進行打磨與拋光，使接縫平滑過渡。
總體計算分析
計算模型與荷載組合
採用MIDAS Civil 2015 建立全橋空間杆系模型，加勁梁、橋塔、橋墩採用梁單元模擬，斜拉索採用桁架單元模擬。拉索與主樑之間的連接採用設置梁單元偏心的方式保證連接部位的準確；而拉索與橋塔之間的連接則採用剛臂連接。建立的整體模型如圖11所示。
根據施工流程，考慮的施工工況主要包括：（1）支架現澆轉體段主樑及橋塔；（2）掛索最大懸臂狀態；（3）轉體；（4）跨中合龍；（5）邊跨合龍；（6）第一次調索；（7）施加二期恆載；（8）第二次調索；（9）成橋溫度、風、沉降及活載等。
考慮組合包括：
① 恆載+人群+活載+制動力+縱向風力+溫度+支座沉降
② 恆載+人群+活載+制動力+橫向風力+溫度+支座沉降
圖11 全橋靜力計算模型
計算結果
（1）最大活載撓度。主樑活載下最大豎向位移128mm，小於《公路斜拉橋設計細則》中L/500=480mm的限值，主樑豎向剛度滿足要求。
（2）支反力。12號邊墩最大支反力30973kN，子塔下最大支反力285724kN，15號邊墩最大支反力24640kN。
（3）主樑應力。主要工況下主樑上下緣應力如表2所示。恆載下，主樑全截面受壓，最大壓應力11.5MPa，最小壓應力2.4MPa。組合荷載作用下，主樑主要截面的最大壓應力16.6MPa，最小壓應力1.3MPa。主樑容許壓應力為17.75MPa，滿足規範要求。
（4）拉索成橋索力及疲勞應力。通過合理調整索力，母塔最終成橋索力如圖12所示，其中最大索力約990t。拉索最大應力約為678MPa，拉索最小安全系2.6，滿足規範要求。拉索最大疲勞應力75MPa，小於200MPa，疲勞應力也滿足要求。
圖12 母塔拉索索力圖
樂凱大街南延工程跨保定南站主跨240m，採用墩底轉體法施工。主塔轉體段長度263.6m，轉體質量達到46000t；子塔轉體段長度204m，轉體質量35000t，轉體設計指標國內領先。設計中主樑採用了大懸臂W形腹板箱形截面，去除傳統單箱多室截面錨固橫隔板，簡化了主樑構造並減輕上部結構自重，經濟指標較傳統設計更加優越。針對大噸位轉體，創新設計了一種分塊拼接大直徑球面平鉸，解決了大噸位轉鉸加工和運輸的難題。
作者 / 徐升橋 簡方梁 焦亞萌
作者單位 / 中鐵工程設計諮詢集團有限公司
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