水土嘉陵江大橋主橋設(shè)計(jì)

盧光明，馬振棟，黃 剛

（林同棪國(guó)際工程咨詢(xún)（中國(guó)）有限公司，重慶市 401121）

1 工程概況

水土嘉陵江大橋位于重慶兩江新區(qū)，跨越嘉陵江，距離嘉陵江與長(zhǎng)江匯合口約40 km。橋梁全長(zhǎng)972 m，包括主橋及南引橋。主橋?yàn)楦叩退p索面斜拉橋，全長(zhǎng)776 m,跨徑布置為260 m+388 m+128 m，橋?qū)?2.5 m。主橋總體布置圖見(jiàn)圖1所示。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

水土嘉陵江大橋主橋采用如下技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）道路等級(jí)：城市主干道，雙向6 車(chē)道；

（2）設(shè)計(jì)車(chē)速：60 km/h；

（3）荷載等級(jí)：城-A 級(jí)，人群荷載2.4 kN/m2；

（4）橋面寬度：32.5 m=0.75 m(拉索區(qū))+3 m(人行道)+11.5 m(機(jī)動(dòng)車(chē)道)+2 m(中分帶)+11.5 m(機(jī)動(dòng)車(chē)道)+3 m(人行道)+0.75 m(拉索區(qū))；

（5）橋面縱坡：雙向縱坡0.7%；

（6）設(shè)計(jì)水位：300 a 一遇204.54 m；

（7）通航標(biāo)準(zhǔn)：內(nèi)河Ⅲ-（3）級(jí)航道，按Ⅲ-（2）級(jí)控制；

（8）通航水位：最高通航水位199.83 m，最低通航水位172.2 m；

（9）抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：地震基本烈度為6 度，抗震措施為7 度，抗震設(shè)計(jì)方法為A 類(lèi)；

（10）設(shè)計(jì)風(fēng)速：離地面10 m 高，重現(xiàn)期100 a，10 min 平均最大風(fēng)速27.5 m/s；

（11）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100 a。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水土嘉陵江大橋主橋?yàn)楦叩退p索面斜拉橋，跨徑布置為260 m+388 m+128 m，橋?qū)?2.5 m。主梁采用鋼混疊合梁；橋塔為雙柱型，分高低雙塔，均采用八邊型結(jié)構(gòu)形式；交接墩采用八邊形空心墩；基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注群樁基礎(chǔ)。橋塔處主梁與橋塔固結(jié)，交接墩及橋臺(tái)處設(shè)置減隔震支座，并設(shè)置防落梁擋塊。

3.1 主梁

斜拉橋主梁截面可采用鋼梁、混凝土梁及鋼混疊合梁，各種截面形式適用范圍不同。不同材料主梁優(yōu)缺點(diǎn)比較詳見(jiàn)表1 所列。

該橋?yàn)楦叩退崩瓨?，主跨跨徑?88 m，但由于矮塔僅能對(duì)主跨128 m 范圍起到支撐作用，因此，單個(gè)高塔需滿(mǎn)足260 m 主跨范圍的受力需求；從受力特性上來(lái)講，更接近于主跨520 m 的對(duì)稱(chēng)雙塔斜拉橋結(jié)構(gòu)。鑒于上述分析，該橋主跨屬于鋼混疊合梁橋的經(jīng)濟(jì)跨徑范圍內(nèi)。通過(guò)比較各種主梁的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合考慮施工、運(yùn)輸?shù)纫蛩兀髁和扑]采用鋼混疊合梁。

主梁采用鋼混疊合梁，中心梁高3.49 m，端部梁高3 m，梁寬32.5 m。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)度為12 m，橋塔根部節(jié)段長(zhǎng)度為10.45 m（高塔）和11.05 m（低塔），端部節(jié)段長(zhǎng)度為14.8 m，合龍段長(zhǎng)度為6 m。主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖見(jiàn)圖2所示。

疊合梁鋼主梁采用工字型截面，梁高3 m，腹板厚40 mm。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段頂板厚60 mm，寬780 mm，底板厚80 mm，寬1 180 mm；端部及跨中節(jié)段頂板厚40 mm，寬780 mm，底板厚60 mm，寬1 180 mm。橫梁采用工字型截面，間距4m，頂板、底板厚30 mm，寬600 mm，腹板厚16 mm。

混凝土橋面板分為25 cm 和40 cm 兩種厚度。預(yù)制橋面板采用C60 混凝土，現(xiàn)澆橋面板采用C60微膨脹細(xì)石混凝土。下部鋼主梁拼裝完成后吊裝預(yù)制混凝土板，通過(guò)現(xiàn)澆橋面板與剪力釘形成鋼混疊合梁。剪力釘采用圓柱頭焊釘，規(guī)格為φ22×160。橋面板布置縱向預(yù)應(yīng)力鋼束，鋼束規(guī)格采用9φs15.2 規(guī)格。

主梁與橋塔采用固結(jié)構(gòu)造，通過(guò)對(duì)拉預(yù)應(yīng)力鋼束形成整體，共同受力。

表1 不同材料主梁優(yōu)缺點(diǎn)比較表

圖2 主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：mm）

3.2 橋塔

水土大橋橋塔采用雙柱型，分高低兩塔，兩個(gè)塔截面均采用八邊型結(jié)構(gòu)形式。橋塔構(gòu)造圖見(jiàn)圖3所示。

高塔塔高201 m，其中橋面以上128 m，橋面以下73 m；高塔塔底每肢橫向?qū)?2 m，縱向?qū)?.5 m，塔頂橫向?qū)? m，縱向?qū)? m。橋塔截面采用單箱單室，上塔柱拉索區(qū)壁厚為1.2～0.8 m，下塔柱壁厚為1.2～1.0 m。為了減小流水沖擊，下塔柱設(shè)置橫向分流構(gòu)造。

圖3 橋塔構(gòu)造圖（單位：cm）

低塔塔高154 m，其中橋面以上76 m，橋面以下78 m；低塔塔底每肢橫向?qū)?0.5 m，縱向?qū)? m，塔頂橫向?qū)? m，縱向?qū)? m。橋塔截面采用單箱單室，上塔柱拉索區(qū)壁厚均為0.8 m，下塔柱壁厚為1.2～1.0 m。為了減小流水沖擊，下塔柱設(shè)置橫向分流構(gòu)造。

承臺(tái)均采用矩形承臺(tái)，厚度為7 m 及6 m。高塔單肢基礎(chǔ)為20 根直徑2.5 m 的鉆孔灌注樁，低塔單肢基礎(chǔ)為12 根直徑2.5 m 的鉆孔灌注樁，按端承樁設(shè)計(jì)。

3.3 交接墩

交接墩采用八邊形空心墩，墩高64.0 m；橋墩截面尺寸為7 m× 4 .5 m，壁厚0.8m。承臺(tái)采用矩形承臺(tái)，厚度為4 m。基礎(chǔ)為4 根直徑2 m 的鉆孔灌注樁，按端承樁設(shè)計(jì)。

3.4 斜拉索

斜拉索采用1 670 MPa 平行鋼絲，雙索面平行布置。斜拉索在主梁索距分別為12 m 及12.6 m，在橋塔上的索距為3 m。高塔每根塔柱設(shè)21 對(duì)斜拉索，低塔每根塔柱設(shè)10 對(duì)斜拉索，全橋共124根斜拉索。

全橋最大索力7 792.6 kN，最小索力3 450 kN，應(yīng)力安全系數(shù)大于2.5。斜拉索的應(yīng)力幅最大為169.7 MPa，小于規(guī)范要求的200 MPa。

斜拉索采用雙防腐體系（包括鍍鋅和雙層高密度聚乙烯外保護(hù)層），以保證其在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)免遭腐蝕。

3.5 索梁錨固

索梁錨固結(jié)構(gòu)對(duì)比了銷(xiāo)耳錨固形式和錨箱形式。經(jīng)過(guò)綜合比選，錨箱形式連接方案內(nèi)空間狹窄，構(gòu)件較多，監(jiān)護(hù)、檢查較麻煩，維修工作難度較大。銷(xiāo)耳錨固形式受力明確，構(gòu)造簡(jiǎn)單，養(yǎng)護(hù)方便，推薦采用銷(xiāo)耳錨固形式。

耳板結(jié)構(gòu)與主梁腹板在腹板中心處對(duì)接，耳板板厚為80～60 mm。為保證銷(xiāo)孔孔壁的局部承壓和抗剪承載力，在耳板銷(xiāo)孔的兩側(cè)各焊一塊加強(qiáng)板，板厚40 mm。耳板及加強(qiáng)板均采用Q420qE-Z25。

3.6 索塔錨固

索塔錨固結(jié)構(gòu)對(duì)比了鋼錨箱結(jié)構(gòu)形式和鋼錨梁結(jié)構(gòu)形式。經(jīng)過(guò)綜合比選，鋼錨箱形式構(gòu)造簡(jiǎn)單、受力較為明確，力學(xué)性能有保證、施工質(zhì)量易控制。鋼錨梁受力明確、傳力清晰、力學(xué)性能有保證、施工質(zhì)量易控制，但結(jié)構(gòu)所占空間較大，在單端張拉和換索工況情況下混凝土塔壁出現(xiàn)應(yīng)力集中，最終推薦采用鋼錨箱結(jié)構(gòu)。

鋼錨箱為箱體結(jié)構(gòu)，箱寬1 800 mm，箱長(zhǎng)4 600 mm，節(jié)段高度分別4.8～3.0 m。鋼錨箱的主要結(jié)構(gòu)由錨墊板、承壓板、加勁板、錨箱側(cè)拉板、端部側(cè)壓板及剪力釘?shù)冉M成。其中側(cè)拉板承擔(dān)斜拉索水平拉力，板厚50 mm；端部側(cè)壓板，板厚40 mm，與側(cè)拉板一起構(gòu)成箱體框架；錨箱承壓板厚40 mm，錨墊板厚50 mm。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

主橋的計(jì)算分析采用有限元分析程序Midas Civil 建立空間有限元模型進(jìn)行整體靜力和動(dòng)力分析。建模分析過(guò)程中，對(duì)于工字型縱梁、橫梁、橋臺(tái)及疊合梁的混凝土部分采用三維梁?jiǎn)卧M，斜拉索采用桁架單元模擬。通過(guò)設(shè)置剛性桿件模擬橋塔與斜拉索之間的連接。主梁及各個(gè)構(gòu)件截面特性按照結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸進(jìn)行取值。主橋各部位邊界條件，根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際情況進(jìn)行模擬。

根據(jù)結(jié)構(gòu)體系形成過(guò)程及施工方案,按施工步驟進(jìn)行建模,考慮自重、2 期恒載、溫度、汽車(chē)荷載及人群荷載等在內(nèi)的多種計(jì)算荷載，并考慮混凝土收縮徐變、斜拉索張拉引起的結(jié)構(gòu)彈性壓縮等因素，按規(guī)范要求進(jìn)行荷載組合。

通過(guò)對(duì)施工階段、成橋階段及運(yùn)營(yíng)階段的綜合分析，橋梁各結(jié)構(gòu)截面應(yīng)力和強(qiáng)度均能滿(mǎn)足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)受力合理。

4.1 主梁計(jì)算分析

4.1.1 鋼結(jié)構(gòu)主梁

工字型主梁下緣最大壓應(yīng)力為219 MPa，最大的拉應(yīng)力為113 MPa；上緣最大壓應(yīng)力為195 MPa，最大的拉應(yīng)力為6.6 MPa。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，Q370 的容許應(yīng)力為240 MPa，且有外力組合時(shí)的提高系數(shù)為1.25，所以容許應(yīng)力為300 MPa，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4.1.2 混凝土橋面板

混凝土橋面板分為25 cm 和40 cm 兩種厚度,采用C60 混凝土。橋面板的控制斷面分別為塔梁固接處及合攏段。經(jīng)計(jì)算，橋面板滿(mǎn)足承載能力極限狀態(tài)要求，在長(zhǎng)期組合下未出現(xiàn)拉應(yīng)力，在短期組合下最大拉應(yīng)力為1.8 MPa，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4.1.3 主梁撓度

根據(jù)《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D65-01-2007）第4.4.1 條，鋼組合梁在車(chē)道荷載（不計(jì)沖擊力）作用下的最大豎向撓度應(yīng)不大于L/400。經(jīng)計(jì)算，主梁撓跨比分別為1/722 和1/902，滿(mǎn)足規(guī)范要求。詳見(jiàn)表2 所列。

表2 車(chē)道荷載作用下主梁豎向撓度表

4.2 橋塔計(jì)算分析

水土大橋橋塔采用雙柱型八邊型結(jié)構(gòu)，橋面以上無(wú)塔間橫梁聯(lián)系，受力復(fù)雜。對(duì)橋塔主要進(jìn)行施工階段及運(yùn)營(yíng)階段的受力分析。

4.2.1 施工階段

主要對(duì)最大雙懸臂階段以及成橋階段的橋塔進(jìn)行分析。兩個(gè)施工階段橋塔截面均為全斷面受壓，截面壓應(yīng)力控制在7.1～9.4 之間。

4.2.2 運(yùn)營(yíng)階段

根據(jù)總體計(jì)算結(jié)果，橋塔的控制斷面為塔柱底部及塔梁固結(jié)處。按照各種荷載組合，橋塔的承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算滿(mǎn)足規(guī)范要求，正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算裂縫寬度均控制在0.1 mm 以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4.3 動(dòng)力特性分析

動(dòng)力特性分析采用空間結(jié)構(gòu)的有限單元方法，利用空間梁?jiǎn)卧M主梁、橋塔及橋墩等，考慮橋塔的P-Δ效應(yīng)；利用桁架單元模擬斜拉索，考慮到拉索垂度效應(yīng)對(duì)其彈性模量值采用Ernst公式進(jìn)行了修正；動(dòng)力特性計(jì)算模型及彈性反應(yīng)譜分析模型，均不考慮支座的摩擦作用，非線(xiàn)性時(shí)程分析中考慮了支座的摩擦滑動(dòng)效應(yīng)。水土大橋的動(dòng)力特性詳見(jiàn)表3 所列。

表3 水土大橋動(dòng)力特性表

5 施工關(guān)鍵技術(shù)

該工程河段處于三峽水庫(kù)變動(dòng)回水區(qū)，枯水季為水庫(kù)特性，汛期為天然河道，具有水庫(kù)和天然河道的雙重特性。考慮下部結(jié)構(gòu)在枯水期施工，樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，橋塔承臺(tái)采用雙壁鋼圍堰法施工。

主塔塔柱利用體內(nèi)勁性骨架，輔以自升式塔吊，采用爬模法施工。節(jié)段鋼梁在工廠(chǎng)加工，船運(yùn)至施工平臺(tái)，利用橋面吊機(jī)吊裝拼裝，完成拼裝后掛設(shè)斜拉索。放置預(yù)制混凝土板，通過(guò)現(xiàn)澆濕接縫完成節(jié)段施工。張拉斜拉索。

6 結(jié)語(yǔ)

水土嘉陵江大橋根據(jù)實(shí)際地形特點(diǎn)，采用高低塔斜拉橋，具有優(yōu)美的外形，與周?chē)h(huán)境、地理位置和規(guī)劃理念相協(xié)調(diào)，使橋梁與濱江城市環(huán)境景觀(guān)相得益彰，融為一體，將為重慶兩江新區(qū)增添一道靚麗的風(fēng)景線(xiàn)。

[1] 林元培.斜拉橋［M］.北京:人民交通出版社，2004.

[2] 聶建國(guó).鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁［M］.北京:人民交通出版社，2011.

[3] JTG/T D65-01-2007,公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則［S］.

[4] JTG D60-2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.

[5] JTG D61-2005，公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

[6] JTGD62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

[7] JTG D63-2007，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

[8] GB50917-2013，鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.