欽州子材大橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)研究

萬(wàn) 鵬，馬 骉，袁建兵

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

1 工程概況

自錨式懸索橋簡(jiǎn)潔優(yōu)美的造型和獨(dú)特的受力體系使其保持了動(dòng)人的魅力。1990年建成的此花大橋和永宗大橋標(biāo)志著現(xiàn)代自錨式懸索橋進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，得益于對(duì)景觀(guān)與橋梁文化的追求，國(guó)內(nèi)自錨式懸索橋快速發(fā)展。從大連金石灘和桂林麗君橋到武漢江漢六橋和鄭州桃花峪黃河公路大橋[1]，跨徑從不足100 m向400 m以上突破，結(jié)構(gòu)形式也趨于多樣化。無(wú)論是單索面、雙索面和空間索面，還是混凝土主梁、鋼主梁和疊合梁，均有相當(dāng)規(guī)模的代表工程。

廣西欽州市子材大橋工程位于市中心城區(qū)，其總體設(shè)計(jì)在滿(mǎn)足交通功能與航運(yùn)水利的前提下，充分考慮景觀(guān)定位、投資控制、施工便捷、使用耐久和便于養(yǎng)護(hù)等因素后，采用跨徑組合為65 m+158 m+65 m的預(yù)應(yīng)力混凝土自錨式懸索橋，橋?qū)?5.5 m，主塔高38.25 m，工程造價(jià)近2億元。子材大橋于2011年11月通車(chē)，如飛跨欽江的一道彩虹，是目前廣西最大跨度的混凝土自錨式懸索橋。設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)經(jīng)過(guò)多方案比選后確定，以實(shí)現(xiàn)安全可靠、結(jié)構(gòu)新穎、造型獨(dú)特的設(shè)計(jì)意圖，見(jiàn)圖1。

2 主梁設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 矢跨比

自錨式懸索橋的加勁梁高跨比較大，豎向剛度往往不成為控制性因素，所以自錨式懸索橋通常采用較大的矢跨比（1/7～1/5），以減小主纜拉力，降低主纜用鋼量，方便主纜錨固，同時(shí)增加主塔高度以使橋梁比例協(xié)調(diào)。對(duì)國(guó)內(nèi)外雙塔自錨懸索橋常用的三種矢跨比進(jìn)行了分析比較，見(jiàn)表1。

從表1可以看出，隨著矢跨比的增加，主纜拉力減小，主梁跨中撓度減小，剛度增加。由于采用混凝土主梁，荷載集度較大，主纜矢跨比過(guò)大，主纜入鞍角度也大，邊吊索的下滑分力增大，索夾設(shè)計(jì)會(huì)比較困難。而采用較小的矢跨比，主梁在恒載狀態(tài)下的壓應(yīng)力儲(chǔ)備較大，對(duì)于提高主梁使用性能，減少預(yù)應(yīng)力材料也有幫助。但是受制于錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)尺寸，錨固位置的局部應(yīng)力較大。橋塔較矮時(shí)，整體景觀(guān)不佳，經(jīng)綜合比選，本橋主纜采用1/6的矢跨比。

2.2 主梁方案

根據(jù)自錨式懸索橋不同的建設(shè)條件、橋型方案以及造價(jià)與維護(hù)等因素，主梁主要有混凝土梁、鋼箱梁、疊合梁以及鋼桁梁等不同的結(jié)構(gòu)型式。鋼箱梁輕盈美觀(guān)，但制造和養(yǎng)護(hù)的要求與費(fèi)用較高。疊合梁較混凝土梁輕，鋼構(gòu)件尺寸較小，便于制造、運(yùn)輸和架設(shè)。性能介于混凝土主梁和鋼箱梁之間。但是其鋼結(jié)構(gòu)加工、橋面板預(yù)制澆筑等過(guò)程較為繁瑣，同時(shí)也沒(méi)有避免鋼結(jié)構(gòu)的維護(hù)問(wèn)題。對(duì)于鋼箱梁和疊合梁而言，較大的初始?jí)毫?，需要增加局部加勁?gòu)造，滿(mǎn)足穩(wěn)定需求，截面使用效率低于常規(guī)受彎構(gòu)件。在200 m主跨范圍內(nèi)，國(guó)內(nèi)雙塔自錨式懸索橋多采用混凝土主梁。雖然主梁自重大，纜吊系統(tǒng)和基礎(chǔ)工程規(guī)模將有所增加，但總體上造價(jià)較為經(jīng)濟(jì)，后期維修養(yǎng)護(hù)工作量也較少。子材大橋主跨158 m，橋位水面較窄，水深較淺，具備支架施工條件。綜合考慮性能、造價(jià)、施工和景觀(guān)等因素，主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土主梁方案，見(jiàn)圖2、圖3。

圖1 主橋總體布置圖（單位：mm）

表1 矢跨比f(wàn)/L比較表

圖2 主梁斷面（單位：mm）

圖3 主塔塔型圖（單位：mm）

常規(guī)混凝土自錨懸索橋主梁截面有箱形截面[2]和雙主梁截面[3]兩種形式。在跨徑布置和矢跨比相同的條件下，箱形截面的應(yīng)力水平要低于雙主梁截面，而前者混凝土材料用量?jī)H比后者大不到10%。但考慮雙主梁截面的預(yù)應(yīng)力材料數(shù)量要適當(dāng)增加。因此兩種類(lèi)型截面主梁的造價(jià)大致相當(dāng)。箱形截面整體與橋面局部受力優(yōu)于雙主梁截面。但是本橋考慮支架施工的便捷性與經(jīng)濟(jì)性，分段澆注降低混凝土方量要求等方面因素，最終采用雙箱梁方案。

子材大橋主梁共分3段澆筑，每段長(zhǎng)度約100 m左右，澆筑時(shí)先施工小橫梁，再施工兩側(cè)吊索部位箱梁，最后澆筑面板。混凝土澆筑采用二次澆筑，第一次澆筑到腹板上承托處，第二次澆筑完成全斷面，見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 主梁分塊澆筑圖

圖5 主塔與纜吊系統(tǒng)施工圖

3 主塔設(shè)計(jì)參數(shù)

主塔外形的方案比選是懸索橋設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。橋塔高聳的形象引人注目，起著象征、標(biāo)志的作用，是橋梁景觀(guān)中最重要的元素。主塔方案設(shè)計(jì)在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)受力要求的前提下，還要兼顧造價(jià)和施工等因素。常用的塔型主要有三種：門(mén)型主塔[2][4]、花瓶型[3]和鉆石型[5]。

結(jié)合本橋的地理位置以及周邊環(huán)境，以及結(jié)構(gòu)受力、施工、經(jīng)濟(jì)等因素，力求本橋索塔外形簡(jiǎn)潔而雅致、剛勁而柔美、現(xiàn)代而質(zhì)樸，體現(xiàn)欽州現(xiàn)代化建設(shè)的步伐，給人以耳目一新的感覺(jué)。本橋橋面上主塔高30.9 m，考慮到橫向荷載不是主要控制荷載，因此采用無(wú)上橫梁的柱式形式，塔柱凈高與凈寬比例比較合適，符合常規(guī)的審美習(xí)慣，給人挺拔堅(jiān)實(shí)的美感，景觀(guān)效果最佳。

塔柱規(guī)則段部分高26.35 m，采用翻模施工工藝施工，混凝土使用輸送泵進(jìn)行泵送。節(jié)段施工長(zhǎng)度根據(jù)鋼筋長(zhǎng)度確定為4.5 m，每個(gè)塔柱共5個(gè)節(jié)段，剩下3.85 m作為初始澆筑段。上塔柱頂?shù)?.5 m圓曲線(xiàn)漸變段結(jié)合索鞍預(yù)埋件，張拉施工平臺(tái)等最后完成。

4 纜吊體系參數(shù)

本橋遠(yuǎn)期為雙向六車(chē)道，橋面寬度35.5 m，恒、活載重量大。主纜矢跨比l/6，吊索內(nèi)力和索夾的下滑力較大，所以吊索間距不宜太大，以控制索夾長(zhǎng)度和緊固螺栓數(shù)量，減小主纜的彎折應(yīng)力。與吊索間距對(duì)應(yīng)的橫隔板間距直接影響到橋面板的強(qiáng)度，間距太小會(huì)增加結(jié)構(gòu)自重，常規(guī)距離在5.0～6.0 m之間。經(jīng)綜合比較，本橋吊索間距和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)度采用6 m，在主纜錨固區(qū)和塔梁支承區(qū)布置部分特殊節(jié)段。

4.1 散索鞍

自錨式懸索橋的主纜相對(duì)地錨式懸索橋較細(xì)，對(duì)散索結(jié)構(gòu)的受力要求相對(duì)較低。通常選用散索套散開(kāi)主纜較合適。若采用散索鞍，需要為支承散索鞍提供支點(diǎn)，主梁局部構(gòu)造也較復(fù)雜。同時(shí)，從施工與制造角度看，散索套與索夾相似，體積較小，便于加工。重量較輕，吊裝方便，也便于現(xiàn)場(chǎng)施工。本橋采用散索套方案分散主纜，轉(zhuǎn)角約1.2°。

4.2 主纜錨固

主纜錨固構(gòu)造是自錨式懸索橋的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，甚至影響主梁斷面形式的選擇，從而決定總體設(shè)計(jì)布局。按照錨固位置的不同，自錨式懸索橋錨固構(gòu)造分為后錨式和前錨式兩種。已建自錨式懸索橋多采用后錨式。由于本橋采用混凝土箱形主梁，在主纜散索區(qū)梁高較小，不適于開(kāi)設(shè)較大的空洞，端部5.5 m的梁高對(duì)景觀(guān)效果也影響不大，因此本橋選擇后錨式。

主纜軸力作用于在錨固端面上，然后通過(guò)錨固體傳到主梁上，經(jīng)過(guò)過(guò)渡區(qū)段厚度較大的腹板和橫梁后，壓力均勻作用于主梁截面上。為了改善錨固體混凝土結(jié)構(gòu)受力性能，并能在前錨面的鋼管之間設(shè)置普通鋼筋，索股在后錨面處的豎向間距為60 cm，橫向間距為45 cm。在散索室上設(shè)置保護(hù)罩，下表面設(shè)置排氣孔。

4.3 纜吊體系安裝

（1）塔頂格柵及反力架分體吊裝前在索塔頂設(shè)預(yù)埋底板，為適應(yīng)施工中的縱向相對(duì)移動(dòng)，在鞍體下設(shè)不銹鋼板-聚四氟乙烯板滑動(dòng)副。索鞍在主塔頂安裝就位時(shí)應(yīng)向邊跨側(cè)預(yù)偏，施工時(shí)分次頂推，以釋放中跨側(cè)與邊跨側(cè)主纜不平衡水平力。索鞍底部與預(yù)埋格柵通過(guò)Φ68錨栓和預(yù)埋鋼筋固結(jié)。格柵邊跨側(cè)設(shè)置反力架，頂推索鞍就位后，割除反力架。

（2）緊纜完成后，塔側(cè)40 m范圍的索夾采用塔吊吊裝，其他位置索夾采用汽車(chē)吊機(jī)安裝。索夾螺桿張拉力650 kN，且分三次反復(fù)張拉，第一次初裝時(shí)進(jìn)行，第二次體系轉(zhuǎn)換完成時(shí)進(jìn)行補(bǔ)張，第三次在二期恒載完成后。

（3）吊索應(yīng)根據(jù)空纜線(xiàn)型確定長(zhǎng)度，在工廠(chǎng)預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行核對(duì)和復(fù)測(cè)后張拉安裝。張拉端在箱梁底部凹槽內(nèi)。吊索預(yù)埋鋼管端部進(jìn)行防腐處理，橋面以上2 m范圍內(nèi)外包不銹鋼護(hù)套。

5 結(jié)語(yǔ)

自錨式懸索橋的各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)相互影響，應(yīng)綜合考慮，并結(jié)合實(shí)際情況比選確定。子材大橋?qū)挾却?，恒載重，景觀(guān)要求高等特點(diǎn)，決定了其獨(dú)特的參數(shù)體系。在設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分考慮施工條件，如分段澆筑、切割吊裝等要素，確定相應(yīng)參數(shù)保證施工質(zhì)量，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖。子材大橋經(jīng)過(guò)一年多的運(yùn)營(yíng),橋梁性能良好，已經(jīng)成為欽州市內(nèi)的一座標(biāo)志建筑。

[1]金雷.武西高速桃花峪黃河大橋主橋施工方案[J].橋梁建設(shè),2011(1):75-78.

[2]張偉,唐賀強(qiáng),寧伯偉.吉林市霧凇大橋混凝土自錨式懸索橋設(shè)計(jì)[J].橋梁建設(shè),2011(3):72-75.

[3]郭文復(fù),李小剛.預(yù)應(yīng)力混凝土自錨式懸索橋（鏡湖大橋）設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介[J].公路,2007(6):22-25.

[4]張哲,邱文亮.一座跨度240 m混凝土自錨式吊橋方案設(shè)計(jì)[J].東北公路,2003(4):91-92.

[5]John A.Ochsendorf,David P.Billington.Self-Anchored Suspension Bridges[J].Journal of Bridge Engineering,1999(4):151-155.