范和港大橋主橋邊跨輔助墩設置探討

吳海平

(廣東省公路勘察規(guī)劃設計院股份有限公司，廣東廣州 510507)

1 工程概況

范和港大橋位于廣東省惠州市惠東縣，橫跨大亞灣東側的范和港海灣。橋梁全長2.741 km。主橋采用雙塔單索面預應力混凝土斜拉橋，跨徑組合為(152+300+152)m。主梁全寬26.9 m，采用近似三角形斷面。主塔塔高76 m，采用獨柱形塔。主墩采用圓端形截面。引橋采用43孔50 m跨預應力混凝土連續(xù)箱梁，移動模架法施工。

2 主要技術標準

1)設計荷載:公路—Ⅰ級;2)設計速度:100 km/h;3)公路等級:雙向四車道高速公路;4)設計洪水頻率:1/300;5)地震:地震動峰值加速度為0.10g(10%，50年);6)設計基本風速:43.6 m/s;7)通航凈空:單孔雙向通航，通航凈空不小于260 m×38 m;8)航道等級:5 000 t級海輪。

3 輔助墩設置一般原則

3.1 一般設置原則

斜拉橋的總體布置應綜合考慮橋位處地形、地勢、通航、水文、氣象、地質等建設條件及要求，根據(jù)結構受力情況，遵循技術先進、經(jīng)濟合理、景觀協(xié)調等原則進行總體優(yōu)化設計后確定。而輔助墩是總體布置的一個重要要素，其設置與否，應根據(jù)總體布置情況及全橋剛度、拉索疲勞應力幅、邊孔橋墩高度、邊孔通航要求、施工抗風安全以及經(jīng)濟和使用性能等具體情況而定。當邊孔橋墩高度不大，基礎施工難度及費用不高，特別是自身結構具有抗船撞能力時，從提高全橋結構剛度、減小拉索疲勞應力幅、改善施工抗風安全及優(yōu)化使用性能等方面考慮應盡量設置輔助墩。

3.2 設置輔助墩的優(yōu)缺點

設置輔助墩的優(yōu)點如下:

1)可顯著提高全橋總體剛度，有效改善結構的受力狀態(tài)，減少幾何非線性效應影響。大量設計實踐表明，加設輔助墩后，邊跨主梁彎矩、塔根彎矩、塔頂水平位移和主梁跨中撓度都大大減小，一般約為原來的40%～65%;

2)可大大減小拉索的應力變化幅度，一般約為原來的50%，使“尾索”(或稱背索)這個概念逐步淡化或消失;

3)輔助墩的設立使邊中跨布置變得更為自由，邊中跨比甚至可達到0.7左右，這使得邊跨橋墩的布置變得更為自由，同時對在立面上盡量舒展的美學要求得以實現(xiàn)，使得技術、經(jīng)濟、美觀得以協(xié)調統(tǒng)一;

4)不通過壓重即可消除邊墩的負反力;

5)可提前結束主梁懸臂施工中的最大雙懸臂階段，對大橋施工期抗風有利，增加施工期的安全。

當然設置輔助墩也存在以下缺點:

1)邊孔各橋跨跨度變小，臨近通航區(qū)橋墩數(shù)量變多，船撞風險變大。當自身結構不具備抗船撞能力時，輔助墩防撞設施費用較大;

2)當邊孔橋墩高度較大、輔助墩處河槽較深時，則輔助墩基礎施工費用較高。

3.3 不設輔助墩的特點

不設輔助墩時，為提高結構剛度、優(yōu)化結構使用性能、改善施工抗風能力及減小拉索疲勞應力幅，雙塔混凝土斜拉橋邊中跨比一般在0.45左右，但橋梁立面不夠舒展，景觀效果稍差。與0.5邊中跨比設輔助墩時相比，除缺項輔助墩費用外，其余費用不會減少，但兩邊引橋加長以及邊跨部分支架現(xiàn)澆費用變大，全橋總體費用則一般變化不大，但可減小邊孔船撞風險。

同時也存在著以下缺點:

1)邊中跨比接近0.5時，結構剛度相對設置輔助墩時大為減小，幾何非線性效應增大，使用性能變差，施工期抗風能力減弱;

2)邊跨尾索疲勞應力幅增大，容易出現(xiàn)疲勞問題;

3)活載往往在邊跨梁端附近產(chǎn)生很大的正彎矩，導致梁體轉動，伸縮縫易受損。

4 范和港大橋主橋總體設計

4.1 邊中跨比例一般原則

范和港大橋主橋為雙塔單索面斜拉橋。一般情況下雙塔三跨斜拉橋按恒載平衡的設計原則確定邊中跨比例。“在不考慮設置輔助墩時邊中跨比宜為0.30～0.5，其中鋼主梁宜為0.30～0.40，組合梁宜為0.40～0.50，混合梁宜為0.30～0.45，混凝土主梁宜為0.4～0.45”［6］。從國內外已建雙塔三跨混凝土斜拉橋(無輔助墩)實例來看，也有部分橋梁邊中跨比接近0.5甚至突破0.5，如日本北海道清森橋(240 m跨，邊中跨比0.538)，浙江溫州甌江二橋(主跨270 m，邊中跨比0.5)，湖南湘潭湘江三橋(主跨270 m，邊中跨比0.493)等(見圖1)。

在邊跨設置輔助墩，則可顯著提高橋梁整體剛度，邊中跨比選擇更為自由(見圖2)。

4.2 主橋總體設計

范和港大橋根據(jù)橋位處地形地貌、水文、氣象、地質、潮汐潮流、通航等建設條件及要求，在滿足通航要求的前提下，遵循技術先進、結構安全耐久、施工工藝成熟、造價經(jīng)濟合理、景觀協(xié)調等原則進行總體方案比較后確定了主橋橋式方案，即采用主跨300 m雙塔混凝土斜拉橋方案。

根據(jù)上述統(tǒng)計資料的一般規(guī)律，結合計算分析，并且綜合考慮結構耐久性和橋梁立面盡量舒展的美學要求等，選定主跨為300 m、邊中跨比例為0.507(即邊跨為152 m)的橋型布置方案。此邊中跨比可使邊、中跨一直對稱懸臂施工，邊跨無需較長支架現(xiàn)澆段。

根據(jù)上述統(tǒng)計分析及計算，250 m跨以下雙塔混凝土斜拉橋是否設置輔助墩對邊中跨比選擇不敏感，300 m跨則為臨界，邊中跨比大于0.5時有無輔助墩影響稍大。

故在本橋距主塔中心線99.5 m處設置了輔助墩，形成(52.5+99.5+300+99.5+52.5)m五跨連續(xù)方案，以提高全橋結構剛度，改善結構受力狀態(tài)，減小幾何非線性效應及尾索疲勞應力幅。而且由于橋址處風速很大，設置輔助墩還可提前結束主梁懸臂施工中的最大雙懸臂階段，提高了施工抗風能力，增加了施工期的安全。

5 有無輔助墩方案的結構安全性、耐久性對比

由于300 m跨為臨界，故邊跨是否設置輔助墩具備研究探討的必要性。本橋擬定了有、無輔助墩兩種方案進行對比分析，跨徑組合為(152+300+152)m，主要評價兩種方案的結構安全性、耐久性和經(jīng)濟合理性(見圖3，圖4)。

通過對范和港大橋有輔助墩方案及無輔助墩方案進行總體靜力計算、船撞、抗震、抗風等全面的計算分析，各部分分析結果如下。

5.1 對主梁應力的影響

無輔助墩方案正截面抗裂驗算主梁跨中下緣出現(xiàn)0.3MPa拉應力(有輔助墩方案為1.2 MPa壓應力)，考慮到幾何非線性影響后拉應力將達到0.8 MPa，不滿足大跨度橋梁關于全預應力設計的要求?？紤]節(jié)段施工誤差、索力誤差及收縮徐變誤差等，主梁實際應力與設計值還有一定差異。如果再考慮活載標準發(fā)展水平(增長為原設計活載的1.3倍)，將使主梁跨中下緣拉應力進一步加大，達到1.4 MPa拉應力。因此，無輔助墩方案運營階段主梁跨中下緣存在開裂風險，降低了結構耐久性。

5.2 對結構剛度的影響

無輔助墩方案會大幅降低主橋的整體剛度，塔頂水平位移、主梁跨中撓度、塔根及主梁跨中彎矩均明顯升高，具體對比數(shù)據(jù)見表 1，表 2。

表1 有無輔助墩方案活載內力對比表

表2 有無輔助墩方案活載撓度對比表

可以看出，無輔助墩方案主橋整體剛度下降，主梁跨中活載撓度大幅增加，與跨度之比增大為1/959，主梁跨中豎向剛度僅為有輔助墩方案的1/2;塔頂水平位移大幅增加，與塔高之比增大為1/522，塔頂水平剛度僅為有輔助墩方案的2/5。橋梁剛度降低，將增大結構風致振幅，降低抗風動力性能，加大拉索的疲勞應力幅，增加結構幾何非線性影響，對結構耐久性帶來影響。

5.3 對拉索應力狀態(tài)的影響

無輔助墩方案拉索活載應力幅變大，由有輔助墩方案的58 MPa增加至127 MPa，接近拉索疲勞容許應力幅值200/1.5=133.3MPa(安全系數(shù)1.5)，但富余空間已很小。如若進一步考慮拉索次應力、風振及活載增長趨勢等因素，則容易發(fā)生尾索疲勞問題。

5.4 對結構抗風穩(wěn)定性的影響

有無輔助墩會影響結構的扭轉基頻和豎彎頻率，進而影響結構的抗風穩(wěn)定性。經(jīng)有限元分析，結構振動模態(tài)見表3。

表3 結構振動模態(tài)比較表 Hz

成橋階段，結構一階扭轉振型為主跨主梁的扭轉，本橋為塔、墩、梁固結體系，邊跨的輔助墩對主跨主梁的扭轉制約作用很小，基本未改變結構的一階扭轉頻率，故成橋狀態(tài)的扭轉顫振穩(wěn)定性指數(shù)不會因輔助墩設置與否而有所改變;但取消輔助墩結構成橋一階豎彎振型會提前，顫振臨界風速會隨之變化。施工階段，有輔助墩方案結構顫振臨界風速由最大單懸臂狀態(tài)控制，而取消輔助墩后主梁雙懸臂施工階段變長，最大雙懸臂長度加大，結構一階扭轉頻率減小，顫振臨界風速轉由最大雙懸臂狀態(tài)控制，抗風穩(wěn)定性變差。

5.5 輔助墩自身防撞能力

輔助墩基礎采用6D220 cm鉆孔灌注樁，樁頂設置D250鋼護筒，考慮沖刷后輔助墩基礎能承受的結構撞擊力為7.5 MN，可滿足近期船撞力要求(7.4 MN);如若對基礎進行拋填防護后，輔助墩基礎能承受的結構撞擊力可達到13 MN，滿足遠期船撞力要求。

6 有無輔助墩的經(jīng)濟性對比

1)拉索用量。

無輔助墩方案結構整體剛度降低，需通過索力優(yōu)化來滿足結構安全要求，所需拉索材料由有輔助墩方案877.6 t增加至無輔助墩方案940.5 t，增加了7.2%，即62.9 t，增加造價125.8萬元。

2)鋼束用量。

無輔助墩方案結構整體剛度降低，除通過索力優(yōu)化來滿足整體結構安全外，還需通過鋼束調整來優(yōu)化局部應力，特別是邊跨頂、底板合龍束及中跨跨中合龍束所需數(shù)量增加。有輔助墩方案合龍束總量為145.94 t，取消輔助墩后合龍束增加至167.1 t，增加了21.2 t，增加了14.5%，增加造價12.93萬元。

3)主墩主塔配筋。

根據(jù)結構計算，主塔由成橋無車橫橋向百年大風工況控制設計，單側配筋率為0.59%，主墩由E2縱橋向地震作用控制設計，單側配筋率為0.27%。由于此兩種工況下有無輔助墩對主墩主塔影響不大，因此主塔主墩配筋基本相同。

4)邊跨支架。

取消輔助墩后施工工序發(fā)生一定變化，邊跨支架現(xiàn)澆段變長，共增加費用約300萬元。

5)輔助墩造價。

輔助墩墩身承臺基礎及輔助墩支座、防撞設施合計造價1 594萬元。

綜上，在不考慮后期管養(yǎng)費用的前提下，無輔助墩方案比有輔助墩方案造價少1 155萬元，并可避免船舶撞擊輔助墩的風險。

7 結語

范和港大橋主橋采用主跨300 m、邊中跨比例為0.507的雙塔混凝土斜拉橋方案是合理可行的。在不考慮后期管養(yǎng)費用及困難的前提下，無輔助墩經(jīng)濟性占優(yōu)，并可避免船舶撞擊輔助墩的風險。但從主梁應力、結構剛度、拉索疲勞問題、結構幾何非線性、結構抗風穩(wěn)定性等各方面對比分析來看，無輔助墩方案結構安全儲備不足，使用功能下降，后期管養(yǎng)困難，在輔助墩自身防撞能力滿足要求的前提下，推薦采用有輔助墩方案。

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