福州鼓山大橋主橋獨(dú)塔自錨式懸索橋設(shè)計(jì)

石建華

1 工程概述

工程背景:福州市三面環(huán)山，閩江在市內(nèi)分叉穿過，北稱閩江、南稱烏龍江，于下游馬尾會(huì)合后折向東北穿越瑯岐島后匯入東海，閩江入?？谙喔襞_(tái)灣馬祖島僅20余千米，是祖國大陸面向臺(tái)灣海峽的重要門戶，市內(nèi)既有10余閩江橋形式涵蓋了梁式、剛構(gòu)、拱與斜拉橋，尚缺懸索橋，在此背景下，本著豐富福州橋型、增添城市景觀標(biāo)志性建筑的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想，設(shè)計(jì)提出的獨(dú)塔自錨式懸索橋方案被業(yè)主選中而得以實(shí)施。

2 主橋結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

2.1 孔跨布置

主橋設(shè)半徑7 500 m豎曲線，頂點(diǎn)位于主塔處以與主纜線遙相呼應(yīng)，兩端接2.05%縱坡?？卓绮贾脼?50 m+150 m+235 m+35 m=470 m;其中235 m主跨范圍覆蓋了既有與調(diào)整后通航尺度及該處船只進(jìn)出碼頭航線范圍;邊跨設(shè)計(jì)為150 m懸吊跨。1)突出懸索橋外形特征;2)控制懸吊跨邊主跨比例接近黃金分割比例;南端跨度50 m，在滿足平衡主纜上拔力的需要下兼顧與引橋50 m連續(xù)跨的總體協(xié)調(diào)性;北端跨度35 m，過渡墩置于北江濱路綠化帶，為上下橋人行梯道及主、引橋之工程與視覺過渡分界點(diǎn)。

2.2 結(jié)構(gòu)體系

各墩頂與主梁底間均設(shè)有豎向盆式支座;主塔與主梁間設(shè)豎向拉壓支座、橫橋向抗風(fēng)支座及順橋向阻尼器;主纜在南側(cè)1號(hào)墩處、北側(cè)3號(hào)墩處梁頂分別設(shè)置散索套與散索鞍，并在其下方設(shè)置耐久性強(qiáng)的球形鋼支座，形成對(duì)主纜的約束。

2.3 結(jié)構(gòu)布置

主塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為門式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主塔全高136.2 m。主梁按單幅布置，在懸吊跨采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)，其余部分采用PC箱梁結(jié)構(gòu)，梁高3.5 m。主纜矢跨比主跨為1/10，主纜兩端錨固于兩側(cè)PC箱內(nèi);吊索間距順橋向 7 m、橫橋向34 m;吊索面將機(jī)動(dòng)車道與非機(jī)動(dòng)車道分隔以減小寬梁之橫橋向跨度，主梁受力合理;纜索面略傾斜。

3 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 主塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

主塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為分離式高樁承臺(tái)鉆孔柱樁基礎(chǔ)，樁基持力層選擇在微風(fēng)化花崗巖層。上、下游側(cè)樁基按對(duì)稱行列式各布置9根φ 2.2 m鉆孔樁，樁間距6 m、長 81 m～92.6 m;方形承臺(tái)邊長16.4 m，厚5 m。承臺(tái)施工采用鋼吊箱圍堰法施工。

3.2 基礎(chǔ)防船撞結(jié)構(gòu)措施

基礎(chǔ)防船撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念是“保橋又護(hù)船”。結(jié)合河道水位落差較小的特點(diǎn)，在承臺(tái)的上、下游端設(shè)置固定式鋼結(jié)構(gòu)柔性防撞裝置，在承臺(tái)側(cè)面設(shè)置橡膠護(hù)弦，并在塔墩上下游承臺(tái)間靠航道側(cè)設(shè)置分體式防撞墩以防止船舶誤入上下承臺(tái)之間。

4 主塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 主塔構(gòu)造

主塔下塔柱高28.2 m、中塔柱高92.66 m、上塔柱高15.34 m。塔柱橫橋向?qū)挒?.8 m～6 m、順橋向?qū)挒?.85 m～7.5 m。下橫梁高5 m、長36 m、寬7 m，上橫梁高4.5 m～7.3 m、長37.6 m、寬5.8 m。塔柱截面均采用單箱單室截面，中、下塔柱截面壁厚為0.8 m，上塔柱壁厚為0.3 m。上、下橫梁截面均采用單箱單室截面，壁厚分別為 0.6 m，0.8 m。上橫梁頂、底板伸出腹板0.1 m，形成0.6 m寬飾帶，突出拱形線條。

4.2 配筋設(shè)計(jì)

塔柱均按普通鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，豎向主筋直徑32 mm、基本間距15 cm，橫向鋼筋直徑20 mm、基本間距15 cm。上、下橫梁均按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，均布置有強(qiáng)度為1 860 MPa的19-φ 15.2 預(yù)應(yīng)力束 。

5 主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 鋼箱梁設(shè)計(jì)

1)鋼箱梁構(gòu)造。鋼箱梁橫斷面見圖1。鋼箱梁梁高在橋中線處為3.5 m，頂面全寬42 m，底面寬33 m，兩側(cè)人行道挑臂寬各4.5 m、根部高 1 m，橋面設(shè)2%橫坡。鋼箱梁全長371.5 m，順橋向共劃分為53個(gè)節(jié)段，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長7.0 m、重123 t;節(jié)段間現(xiàn)場連接形式除兩道內(nèi)腹板采用栓接外，余下均為焊接。鋼箱梁頂、底板均采用正交異性板:面板厚14 mm，U肋間距600 mm、板厚8 mm、高260 mm;底板厚12 mm，U肋間距800 mm、板厚6 mm、高220 mm;四道直腹板厚 16 mm，用板肋加勁。橫梁腹板厚16 mm、間距7 m，與吊索位置相對(duì)應(yīng)，兩道橫梁間設(shè)置厚 12 mm的開口隔板。外側(cè)挑臂腹板與箱內(nèi)橫腹板以3.5 m的間距對(duì)應(yīng)。2)吊索錨固構(gòu)造。吊索在梁上的錨固形式采用嵌入外挑臂腹板的管錨式構(gòu)造;錨管與腹板熔透焊;錨管下口與錨板間設(shè)加勁板。

5.2 PC箱梁設(shè)計(jì)

1)南側(cè)PC箱梁構(gòu)造。南側(cè)PC箱梁梁高3.5 m、總長60.4 m，在1號(hào)墩兩側(cè)各長8 m、寬4.8 m的錨室區(qū)梁高漸變至6.5 m。1號(hào)墩處梁體設(shè)4 m厚隔墻以增強(qiáng)纜索錨固構(gòu)造整體性、平衡主纜上拔力，結(jié)合段處設(shè)2 m厚隔墻以滿足結(jié)合段剪力傳遞需要。

標(biāo)準(zhǔn)段橫截面為單箱四室截面，箱梁頂板厚度0.3 m，底板厚0.25 m，腹板厚0.5 m。兩側(cè)挑臂板各長6.1 m、其下設(shè)間距4 m、厚0.4 m的變高加強(qiáng)肋，在滿足受力需要下以取得與鋼梁外挑臂展翅風(fēng)格的統(tǒng)一協(xié)調(diào)(見圖2)。

2)北側(cè)PC箱梁構(gòu)造。北側(cè)PC箱梁總長37.9 m，梁高除靠4號(hào)墩側(cè)21 m長范圍因主纜散索錨固需要漸變至5 m外，其余均為3.5 m。箱梁橫截面設(shè)計(jì)為單箱四室截面，頂板厚0.3 m、底板厚0.25 m、腹板厚0.5 m(見圖3)。

3)配筋設(shè)計(jì)。PC箱梁采用縱橫雙向預(yù)應(yīng)力體系:順橋向南、北側(cè)PC梁頂板束分別采用19，12-φj15.24鋼絞線、底板束分別采用12，7-φj15.24鋼絞線;橫向箱梁頂板預(yù)應(yīng)力鋼束采用3-φj15.24鋼絞線，基本間距0.4 m。

5.3 主梁施工

懸吊跨鋼梁采用拖拉法施工，拖拉過程中鋼梁前端設(shè)長55.3 m的鋼導(dǎo)梁，考慮施工期通航需要共布設(shè)四處臨時(shí)墩，水上鋼梁吊裝龍門架與拼裝平臺(tái)設(shè)于4號(hào)墩旁。

兩端跨PC梁采用支架法施工，在全部鋼梁安裝就位后分別澆筑兩端結(jié)合段混凝土，臨時(shí)墩在纜索系統(tǒng)施工完成后、橋面鋪裝前與主梁自動(dòng)脫開即可拆除(見圖4)。

6 纜索系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1)主纜。全橋兩根主纜呈傾斜狀布置，橫向間距在塔頂為42 m、梁面為34 m，每根主纜由37股強(qiáng)度為1 670 MPa的127-φ 5.1的鍍鋅平行鋼絲組成，豎向排列成尖頂正六邊形，纜外徑約390 mm，錨頭采用熱鑄錨。2)吊索、索夾。吊索截面同主纜索股，外包PE護(hù)套，吊索錨頭采用冷鑄錨，吊索上端與索夾連接采用鉸銷接頭。3)鞍座。主鞍座初始安裝位置需向邊跨側(cè)預(yù)偏505 mm，在纜索系統(tǒng)安裝過程中需分三次頂推就位。

7 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1)懸吊跨之邊/主跨比例從美學(xué)角度考慮設(shè)計(jì)為黃金分割比例;2)主梁橫斷面在抗風(fēng)不控制設(shè)計(jì)的條件下設(shè)計(jì)為帶肋板挑臂的直腹板箱形斷面，形成獨(dú)特的展翅風(fēng)格與韻律;3)纜索面布置有別于常規(guī)的門式塔懸索橋之豎直索面形式，結(jié)合垂直塔柱和寬梁特點(diǎn)而布置為傾斜索面，在合理主梁受力同時(shí)也賦予索面一些變化;4)塔梁間順橋采用阻尼約束體系以控制地震響應(yīng);5)基礎(chǔ)防撞結(jié)構(gòu)本著“保橋護(hù)船”的設(shè)計(jì)理念結(jié)合水位特點(diǎn)設(shè)計(jì)為固定式柔性防撞裝置。

8 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市橋梁對(duì)景觀方面的需求日益增強(qiáng)，而自錨式懸索橋以其優(yōu)美的主纜線形和橋塔建筑造型多樣性的特點(diǎn)，且相對(duì)地錨式懸索橋可節(jié)約土地資源，會(huì)成為城市橋型的選擇和發(fā)展的方向，鼓山大橋作為福州首座自錨式懸索橋，將為美化福州城市面貌、豐富福州橋梁文化內(nèi)涵發(fā)揮作用。

[1] 李 剛.特大跨度懸索橋概念設(shè)計(jì)[J].山西建筑，2008，34(4):314-315.