富翅門大橋設計分析

柳 杰，高恩全，楊成峰

（1.舟山市交通運輸局，浙江舟山 316021；2.浙江省交通規(guī)劃設計研究院，浙江杭州 310006）

1 項目背景及工程概況

舟山市富翅門大橋工程起點位于甬舟高速富翅互通，設定向匝道接甬舟高速，路線起點樁號K0+000，改造富翅互通后，削東側(cè)山體設富翅互通收費站，設特大橋跨越富翅門水道，終于岑港鎮(zhèn)漲次村南側(cè)，終點處設岑港互通與北向疏港公路和擬建329 國道舟山段改建工程相接，終點樁號K1+940，路線全長1.94 km。

本項目的實施，對充分發(fā)揮甬舟高速功能，實現(xiàn)甬舟高速與329 國道以及北向疏港公路的快速高效連接，促進舟山市中、北部地區(qū)尤其是北部沿海地區(qū)海洋經(jīng)濟的的快速發(fā)展意義重大。

2 工程設計標準

（1）公路等級：一級公路。

（2）設計荷載：公路—Ⅰ級。

（3）設計速度：80 km/h。

（4）梁寬度：主橋26 m，引橋2×11.75 m。

（5）設計洪水頻率：特大橋1/300，大中橋、小橋、涵洞及路基1/100。

（6）地震：地震動峰值加速度為 0 .1 g（10%，50 a），抗震烈度7 度。

（7）通航水位：最高通航水位+3.15 m，最低通航水位-1.96 m（國家85 高程系統(tǒng)）。

（8）通航凈空見表1。

（9）設計基本風速：設計風速按規(guī)范取值，V10=40.5 m/s。

其它技術(shù)指標：均按現(xiàn)行公路及橋梁設計規(guī)范、規(guī)程、標準、定額執(zhí)行。

表1 橋梁通航凈空尺度表

3 設計原則

（1）堅持橋梁建設與地方城市規(guī)劃發(fā)展相協(xié)調(diào)，滿足當?shù)卣?guī)劃發(fā)展的建設需求。

（2）在借鑒世界上大型橋梁工程的建橋?qū)嵗俺蓴〗?jīng)驗的基礎上，充分吸取建橋新理論、新材料、新工藝和先進經(jīng)驗，全面貫徹“安全、適用、經(jīng)濟、美觀”[1]的技術(shù)方針，并充分體現(xiàn)“以人為本”的科學發(fā)展觀。

在各種荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)絕對安全（可靠及安全性）；滿足近期和遠期的交通量（適用性）；節(jié)省工程投資（經(jīng)濟性）；耐久且美觀。

（3）在滿足橋梁使用功能和橋下通航要求的前提下，實現(xiàn)資源整合利用、功能多樣、完善的目的，以節(jié)約海域資源，不破壞或少破壞稀缺航道和碼頭為目標，最大限度地減少施工對海域的影響。

4 技術(shù)經(jīng)濟比較

（1）方案一，雙塔結(jié)合梁斜拉橋為單索面斜拉橋，跨徑布置為57 m+108 m+340 m+108 m+57 m=670 m，采用漂浮體系。邊中跨比為0.485，邊跨設置一個輔助墩，輔助墩距邊墩的距離與邊跨之比為0.345。主塔高為120 m，橋面以上塔高約為98 m。斜拉索采用中央索面布置，索面間距為2.0 m，梁上標準索間距為8.0 m。

鋼－混凝土結(jié)合主梁采用單箱三室箱形截面，標準節(jié)段主梁頂板寬26 m，底板寬14.76 m，中心線處梁高3.5 m，頂面設置2.0%雙向橫坡。主梁由鋼主梁和混凝土橋面板兩部分組成，見圖1。

圖1 方案一主梁一般斷面圖（單位：mm）

（2）方案二，雙塔混泥土梁斜拉橋為單索面斜拉橋，跨徑布置為58 m+107 m+340 m+107 m+58 m=670 m，采用漂浮體系。邊中跨比為0.485，邊跨設置一個輔助墩，輔助墩距邊墩的距離與邊跨之比為0.351。主塔高為120 m，橋面以上塔高約為98 m。斜拉索采用中央索面布置，索面間距為2.0 m，梁上標準索間距為7.0 m，邊跨尾索區(qū)段索間距為6.5 m。

主梁為單箱三室倒梯形截面，三向預應力混凝土結(jié)構(gòu)，中心梁高3.5 m。主梁由頂板、底板、斜腹板、豎腹板、懸臂板及橫隔板組成，標準斷面頂板厚27 cm，底板厚35 cm，豎腹板厚度34 cm，斜腹板厚度25 cm，懸臂板根部厚50 cm，端部厚20 cm，懸臂長350 cm，見圖2。

圖2 方案二主梁一般斷面圖（單位：cm）

（3）方案三，獨塔鋼箱梁斜拉橋方案跨徑布置為72 m+168 m+340 m=580 m，采用固定支承體系，主塔處設置固定支座+縱向約束裝置以及橫向抗風支座，輔助墩及過渡墩處均設置豎向支座。邊主跨比為0.706，橋面以上塔高為130 m，高跨比為0.382。斜拉索采用空間雙索面布置，標準索間距為16.0 m，邊跨靠近尾索區(qū)索間距為7.5 m。

鋼箱梁全寬29 m，頂面寬27 m，橋面設2%的雙向橫坡，兩側(cè)配有風嘴，橋梁中線處梁高3 m，為流線型閉合式箱形截面，見圖3。

圖3 方案三主梁一般斷面圖（單位：m）

擬定的三種橋型方案均滿足主航道的通航要求，具有結(jié)構(gòu)新穎，技術(shù)先進，施工工藝成熟，安全可靠的特點，均采用現(xiàn)代化的施工技術(shù)，是能適應橋位環(huán)境的橋型方案。在對雙塔結(jié)合梁斜拉橋、雙塔混凝土梁斜拉橋和獨塔鋼箱梁斜拉橋三種方案進行同等深度分析、研究的基礎上，綜合比較見表2。

經(jīng)綜合比較，方案一雙塔結(jié)合梁斜拉橋具有景觀效果好、施工風險低、施工工期短和結(jié)構(gòu)耐久性好等優(yōu)點，主橋推薦采用方案一：57 m+108 m+340 m+108 m+57 m 雙塔結(jié)合梁斜拉橋。

5 構(gòu)造設計

（1）主梁

鋼－混凝土結(jié)合主梁采用單箱三室箱形截面，標準節(jié)段主梁頂板寬26 m，底板寬14.76 m，中心線處梁高3.5 m，頂面設置2.0%雙向橫坡。主梁由鋼主梁和混凝土橋面板兩部分組成，見圖4。

鋼主梁中心線處梁高2.95 m，底板寬14.76 m，頂板全寬18.8 m，由斜腹板、縱隔板、底板組成開放式單箱三室結(jié)構(gòu)。斜腹板厚度為20 mm，縱隔板厚度為24 mm，底板厚為16 mm。

鋼主梁設置橫隔板，標準間距為4 m，厚為16 mm，橫隔板中間開孔并用H 型鋼連接形成支撐結(jié)構(gòu)。主梁鋼材均采用Q345qD。

混凝土橋面板兩側(cè)懸臂長度各為4 m，懸臂板端部厚度為20 cm，邊腹板頂80 cm 寬和中箱直腹板360 cm 寬的厚度為55cm，邊箱跨中頂板厚度為28 cm，長度380 cm，兩邊板厚變化段長度150 cm。在鋼主梁橫隔板處橋面板的厚度均增至55 cm，以方便鋼主梁和混凝土橋面板的連接。橋面板均采用C60 混凝土，相鄰節(jié)段間混凝土橋面板現(xiàn)澆接縫采用C60 微膨脹混凝土，見圖5。

橋面板通過剪力釘與鋼主梁、橫隔板頂板進行連接。剪力釘采用Ф22 mm 圓頭焊釘，高度200 mm。根據(jù)不同的受力需要，剪力釘布置采用150～300 mm的間距。

（2）主塔

主塔采用倒Y 鉆石形鋼筋 混凝土結(jié)構(gòu)。上塔

柱采用單箱雙室矩形截面，高度49.9 m，外輪廓尺寸為700 cm×700 cm，順橋向壁厚為120 cm，橫橋向壁厚為80 cm，內(nèi)壁壁厚為70 cm。中塔柱采用單箱單室矩形截面，高度50.1 m，外輪廓尺寸為700 cm×400 cm，順橋向壁厚為120 cm，橫橋向壁厚為80 cm。下塔柱采用單箱單室矩形截面，高度20 m，順橋向?qū)挾葹?00 cm，橫橋向?qū)挾?00～650 cm，縱橫向壁厚均為120 cm。主塔采用C50 海工混凝土。

表2 方案綜合比較表

圖4 雙塔結(jié)合梁斜拉橋橋型圖（單位：m）

圖5 混凝土橋面板構(gòu)造圖（單位：m）

（3）基礎

主塔承臺采用尖圓形，以利水流并減少基礎所受的波流力，同時有利于抵抗船舶撞擊。縱橋向?qū)?1.4 m，橫橋向43.8 m，厚度為6.5 m，承臺底設2 m 厚的封底混凝土；承臺下布置30 根直徑為2.5 m的鉆孔灌注樁，按嵌巖樁設計，以中風化含角礫凝灰?guī)r為樁端持力層。承臺采用C40 海工混凝土，樁基采用水下C35 海工混凝土。

6 力學性能分析

（1）靜力分析

主橋靜力計算采用結(jié)構(gòu)計算軟件MIDAS/Civil 2006（以下簡稱MIDAS）建立空間有限元模型。主梁、橋塔采用空間梁單元模擬；斜拉索采用空間桿單元模擬。有限元計算模型的總體坐標系以順橋向為X 軸，以橫橋向為Y 軸，以豎向為Z 軸。計算所采用的有限元模型見圖6。

圖6 結(jié)構(gòu)離散圖

整體計算采用的約束形式如下：輔助墩、邊墩處主梁豎向、側(cè)向約束；主塔處主梁豎向、側(cè)向約束；主塔墩底部固結(jié)。

在最不利組合作用下，鋼梁最大拉應力為72 MPa，最大壓應力為-161 MPa，滿足規(guī)范要求。混凝土橋面板在標準值最不利組合作用下，最大壓應力-6.8 MPa，在短期最不利組合作用下，最大拉應力1.5 MPa，滿足規(guī)范要求。

最不利組合下斜拉索最大索力5 217 kN，最大應力634 MPa，各斜拉索安全系數(shù)均大于2.5，滿足規(guī)范要求。汽車活載作用下斜拉索應力幅見圖7，應力幅最大值為105 MPa，各斜拉索應力幅均小于200 MPa，滿足規(guī)范要求。

圖7 最不利組合斜拉索索力圖（單位：kN）

（2）動力性能分析

動力特性計算結(jié)果見表3。

表3 成橋階段結(jié)構(gòu)自振模態(tài)表

與主梁相關(guān)的主要振型見圖8、圖9。

圖8 成橋狀態(tài)一階豎彎振型圖（頻率：0.392 4 Hz）

圖9 成橋狀態(tài)一階扭轉(zhuǎn)振型圖（頻率：0.645 5 Hz）

7 結(jié)語

本文以富翅門大橋為工程背景，先通過對雙塔結(jié)合梁斜拉橋、雙塔混凝土梁斜拉橋及獨塔鋼箱梁斜拉橋的對比分析、研究，確定雙塔結(jié)合梁斜拉橋為推薦方案。然后對雙塔結(jié)合梁斜拉橋的力學性能進行分析，從中可以得出以下幾點結(jié)論：

（1）針對大橋所在的周邊條件，提出了雙塔結(jié)合梁斜拉橋、雙塔混凝土梁斜拉橋及獨塔鋼箱梁斜拉橋三個橋梁方案。通過對這三種橋型在國內(nèi)外的成功案例分析及對這三種橋型技術(shù)經(jīng)濟綜合比較，最終確定雙塔結(jié)合梁斜拉橋為推薦方案。

（2）通過對雙塔結(jié)合梁斜拉橋的計算，表明主梁、主塔及斜拉索在施工和運營階段應力均滿足相關(guān)規(guī)范要求，受力狀況良好。

[1] 范立礎.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社,2002.

[2] 范立礎.預應力混凝土連續(xù)梁橋[M].北京:人民交通出版社,1999.

[3] JTG D60-2004,公路橋梁設計通用規(guī)范[S].

[4] JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范[S].