大跨度公鐵合建三塔懸索橋方案設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)研究

劉清江

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 武漢 430063）

公鐵合建橋不僅能夠共用橋位，充分合理地利用土地、河流和空間，與分別建橋相比，還減少了基礎(chǔ)工程，而橋梁在跨越大江大河時，深水基礎(chǔ)造價幾乎要占全橋造價的40%，加之公路、鐵路橋梁構(gòu)造的優(yōu)勢互補(bǔ)性將使公鐵合建橋的材料用量遠(yuǎn)小于相應(yīng)的2座獨(dú)立橋梁之和。綜合以上因素，建造公鐵合建橋可節(jié)省材料和施工費(fèi)用，具有很好的經(jīng)濟(jì)性［1－2］。

甌江北口大橋位于溫州市甌江出?？?，目前為工程預(yù)可行性研究階段，主要對公鐵合建方案進(jìn)行研究，擬定主橋采用三塔鋼桁梁懸索橋，布置雙層橋面，主梁跨度布置形式為52 m＋800 m＋800 m＋52 m。橋型布置圖見圖1。

圖1 52 m＋2×800 m＋52 m三塔懸索橋總體布置圖（尺寸單位：mm）

三塔懸索橋是在兩塔懸索橋主跨的中部多設(shè)一個主塔以減輕主纜和兩端錨碇受力的全新結(jié)構(gòu)形式，雖然都是以懸索為承重結(jié)構(gòu)的橋梁，但因為多了一個中塔和一個主跨，結(jié)構(gòu)行為特征與普通兩塔懸索橋顯著不同［3］。中主塔在縱向只是一個通過鞍座支承主纜的豎向支點(diǎn)，主纜越過邊塔頂后經(jīng)過一個主跨，再從中塔頂通過，主纜對中塔的約束作用遠(yuǎn)小于常規(guī)的兩塔懸索橋主纜對邊塔的約束。

1 公鐵合建橋梁橋面布置形式

合理的公鐵合建橋面布置形式能有效減少結(jié)構(gòu)重量、節(jié)約空間，同時改善橋梁的整體受力。該橋方案設(shè)計主要分析了以下3種橋面布置形式：①雙層橋面，鐵路在上層中間：主桁寬度43.6 m，梁高10.6 m；②雙層橋面，鐵路在下層中間：主桁寬度45.7 m，梁高11.3 m；③雙層橋面，鐵路在下層兩邊：主桁寬度46.8 m，梁高10.2 m。計算結(jié)果表明，3種橋面布置形式均能滿足結(jié)構(gòu)受力要求，鐵路在下層中間時用鋼量最大，恒載總重也最大。鐵路在上層中間時橋面總寬最小，為43.6 m，鐵路在下層兩邊時橋面總寬最大（見表1），為46.8 m。綜合考慮方案經(jīng)濟(jì)性、與引橋的銜接性，以及截面形式對全橋受力的影響，擬采用雙層橋面，鐵路在下層中間的橋面布置形式，見圖2。

表1 不同橋面布置形式重量表 k N·m

圖2 雙層橋面，鐵路在下層中間（單位：mm）

2 主塔設(shè)計

（1）中主塔。對于三塔懸索橋而言，中塔具有與傳統(tǒng)的兩塔懸索橋較大的區(qū)別，中塔在任何工況下，均要求保證主纜在中主鞍座間不發(fā)生相對滑移，否則會造成整個體系的破壞［4］。然而中塔兩側(cè)均是主纜的柔性約束，在活載非對稱作用下，若中塔剛度較小，中塔頂兩側(cè)主纜不平衡水平力較小，主纜的抗滑移安全系數(shù)易于實(shí)現(xiàn)，但加載跨主纜垂度大，主梁的撓跨比較大，行車安全不易保證；如中塔剛度大，主梁的撓跨比易于滿足要求，但中塔頂主纜不平衡水平力大，可能因鞍槽與主纜股束間的摩擦力不足而造成滑移。根據(jù)全橋總體分析，中塔在順橋向的結(jié)構(gòu)剛度，應(yīng)是既有恰當(dāng)?shù)目蓳锨裕钟凶銐虻目箯潉偠?。因此，與傳統(tǒng)的橋塔不同，三塔懸索橋的中塔一般采用鋼塔，亦可考慮鋼混組合塔。

（2）邊主塔。邊主塔采用門式混凝土塔，塔柱高145 m。塔柱間設(shè)2道橫系梁，塔柱采用帶有倒角的箱形斷面，縱向?qū)?～13 m，下塔柱橫向底寬9 m，壁厚1.4 m，上塔柱橫向頂寬6.0 m，壁厚1.2 m。塔柱采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，邊主塔采用C50混凝土。

3 主塔基礎(chǔ)設(shè)計

（1）中塔基礎(chǔ)。中塔墩位處地質(zhì)較差，水深較深，中塔活載作用下的彎矩較大，最合適的中塔基礎(chǔ)形式為沉井基礎(chǔ)，沉井總高度70.0 m，共設(shè)置15個隔倉。沉井基礎(chǔ)計算結(jié)果表明，基礎(chǔ)最大偏心距為3.695 m，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為4.723，抗滑穩(wěn)定系數(shù)為29.052，均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

（2）樂清側(cè)邊塔基礎(chǔ)?？紤]樂清側(cè)北邊塔基礎(chǔ)為船廠的廢樁區(qū)，沉井基礎(chǔ)下沉困難，故采用群樁基礎(chǔ)。橋塔基礎(chǔ)采用42根直徑280 c m鉆孔灌注柱樁基礎(chǔ)，樁長66 m。按照最不利工況計算，樁長為66 m，要求樁基最小嵌巖深度為9 m。

（3）靈昆側(cè)邊塔基礎(chǔ)。靈昆側(cè)南邊塔基礎(chǔ)所處位置地質(zhì)較差，采用沉井基礎(chǔ)是相對經(jīng)濟(jì)的方案，沉井總高度70.0 m，共設(shè)置10個隔倉。

4 錨碇基礎(chǔ)設(shè)計

（1）靈昆側(cè)錨碇基礎(chǔ)。靈昆島側(cè)錨碇采用沉井基礎(chǔ)，沉井標(biāo)準(zhǔn)斷面（除底節(jié)外）縱向長度72.8 m，橫向?qū)挾?6.8 m，底標(biāo)高－61.5 m，進(jìn)入卵石層1.5 m，埋深61 m。底節(jié)縱向長度73.2 m，橫向?qū)挾?7.2 m，高度10 m，為鋼筋混凝土外包鋼殼結(jié)構(gòu)。

（2）樂清側(cè)錨碇基礎(chǔ)。主橋樂清側(cè)錨碇位于龍蛇山山坡上，基于錨錠區(qū)的地質(zhì)條件，樂清側(cè)錨碇分別采用重力錨、隧道錨和及復(fù)合式錨（錨桿＋隧道錨）3種方案比選，復(fù)合式隧道錨基坑開挖深

圖3 中塔剛度對塔頂位移的影響

圖3 、圖4結(jié)果表明，隨著中塔縱向剛度的增加，中塔塔頂縱向位移大幅減小，特別是當(dāng)中塔剛度增加1倍時，中塔頂位移減少1倍左右，而隨著中塔剛度的逐漸增大，下降的趨勢變緩。邊塔縱向位移隨中塔剛度的增加呈增大趨勢，當(dāng)剛度由原剛度增加到8倍時，位移增幅約為15.4%。中塔頂縱向水平力變化范圍較大，增加約55%，在倍數(shù)λ較小區(qū)域增幅較快，隨著λ增加到一定值，增速變緩；而邊塔的水平力變化范圍較小，增加度變淺，且開挖方量小，只有3.5萬m3，錨塞體長度變?yōu)?5 m，錨索長度為20 m，施工難度相對較小。綜合考慮技術(shù)可靠性、施工難度、工程造價等，樂清側(cè)錨碇采用復(fù)合式隧道錨形式。

5 三塔懸索橋關(guān)鍵技術(shù)研究

5.1 中塔剛度對三塔懸索橋位移和內(nèi)力的影響

中塔初始抗彎剛度為K1，為了突出中塔剛度對結(jié)構(gòu)受力的影響，保證其他參數(shù)不變，中塔縱向剛度以倍數(shù)λ計，采用大型有限元軟件對全橋進(jìn)行靜力分析，在活載作用下，邊塔、中塔縱向位移及水平力結(jié)果見圖3、圖4。15%左右。

圖4 中塔剛度對塔頂水平力的影響

結(jié)果表明，隨著中塔縱向剛度的增加，全橋豎向剛度逐漸增大，而隨著中塔剛度越來越大，主梁剛度增速變緩。由此可知，增加中塔剛度可有效改善全橋豎向剛度。

5.2 矢跨比對懸索橋受力的影響

保持孔跨不變，通過修改主纜矢高，研究矢跨比對結(jié)構(gòu)靜力的影響，結(jié)果見表2。

表2 撓跨比及主纜抗滑移安全系數(shù)的變化

由表2可見，隨著矢跨比的減小，主纜內(nèi)力增大，最不利活載作用下，中塔頂兩側(cè)主纜內(nèi)力更加均勻，主纜纜力差減小，盡管包角減小，主纜抗滑移安全系數(shù)仍然增大，但主梁豎向下?lián)弦蚕鄳?yīng)增大。因此，在中塔剛度不變的情況下，減小矢跨比，可以增大中塔主纜的抗滑移安全系數(shù)。同理可以認(rèn)為，在矢高不變的情況下，增大主跨跨徑，可以取得增大中塔頂主纜抗滑移安全系數(shù)的目的，而且由于跨徑增大，同時有助于控制住主梁的撓跨比。

5.3 中塔高度對懸索橋受力的影響

普通兩塔懸索橋，兩塔高度一般是等高的，三塔懸索橋設(shè)計時中塔可以比邊塔高或者低，從全橋景觀性來考慮中塔高程略大于邊塔高程可增強(qiáng)橋梁的線形美觀。但是中、邊塔高度不同會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)線形的變化，對全橋的結(jié)構(gòu)受力也會產(chǎn)生影響。隨著中塔高度的增大，中塔主纜抗滑移安全系數(shù)增大，但主梁豎向撓度也相應(yīng)增大，中塔縱向位移增加，結(jié)構(gòu)整體剛度降低。因此，進(jìn)行中塔相對高度設(shè)計時，中塔不能比邊塔高太多。

中塔高度對塔頂位移及水平力的影響見圖5、圖6。

圖5 中塔高度對塔頂位移的影響

圖6 中塔高度對塔頂水平力的影響

由圖5、圖6可見，隨著中塔高度的逐漸增高將出現(xiàn)以下趨勢：

（1）中塔縱向位移都呈增大趨勢，增加約38%，中塔頂水平力逐漸減小，減小約25%，這就可以使得中塔彎矩和塔根彎矩大幅減小，對中塔和橋塔基礎(chǔ)受力有利。

（2）邊塔縱向位移變化很小，邊塔頂水平力也逐漸減小，減小約8%，影響不大。

由此可見，當(dāng)為控制中塔底內(nèi)力，在位移值允許的情況下可適當(dāng)增加中塔高度。

6 結(jié)論

（1）應(yīng)綜合考慮橋梁邊界條件進(jìn)行公鐵合建橋梁橋面布置形式的選擇。

（2）三塔懸索橋的中塔在順橋向的結(jié)構(gòu)剛度，應(yīng)具有恰當(dāng)?shù)目蓳锨?，又有足夠的抗彎剛度，一般可采用鋼塔，亦可考慮鋼混組合塔。

（3）應(yīng)根據(jù)場地條件合理確定懸索橋基礎(chǔ)及錨碇形式。

（4）三塔懸索橋的邊塔頂受到邊纜的有效約束，邊塔自身剛度對結(jié)構(gòu)整體剛度影響較小；而中塔受到主纜的縱向約束不足，中塔剛度對結(jié)構(gòu)的整體剛度影響顯著。

（5）主纜矢跨比對結(jié)構(gòu)剛度有影響，減小矢跨比可以有效增加結(jié)構(gòu)整體剛度，但又會使主纜的抗滑安全系數(shù)變小。

（6）中塔加高，可以有效降低中塔底彎矩，但會使塔頂位移增大。

大跨度公鐵合建橋梁投資較大，應(yīng)對結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要參數(shù)進(jìn)行充分比選。中塔設(shè)計是三塔懸索橋的關(guān)鍵問題，在三塔懸索橋設(shè)計過程中，要將中塔剛度和高度控制在合理范圍內(nèi)。

［1］ 孟凡超.懸索橋［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［2］ 嚴(yán)國敏，周世忠.現(xiàn)代懸索橋［M］.北京：人民交通出版社，2002.

［3］ 楊 進(jìn).泰州長江公路大橋主橋三塔懸索橋方案設(shè)計的技術(shù)理念［J］.橋梁建設(shè)，2007（3）：37-39.

［4］ 萬田保，王忠斌，韓大章，等.泰州長江公路大橋三塔懸索橋中塔結(jié)構(gòu)形式的選?。跩］.世界橋梁，2008（1）：1-4.