武漢大道金橋主橋的設(shè)計(jì)

熊 濤，裴必達(dá)，龍俊賢

（1.中鐵二院武漢勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，武漢 430071；2.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082）

武漢大道金橋主橋的設(shè)計(jì)

熊 濤1，裴必達(dá)2，龍俊賢1

（1.中鐵二院武漢勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，武漢 430071；2.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082）

為探索跨鐵路站場(chǎng)大型變寬斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其關(guān)健技術(shù)，對(duì)武漢大道金橋的設(shè)計(jì)和計(jì)算分析過(guò)程進(jìn)行了總結(jié)。金橋?yàn)楠?dú)塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，跨徑組合為（138＋81＋41）m，橋面寬39～49.9m，塔、墩、梁固結(jié)體系；主梁采用雙邊箱梁截面，橋塔為混凝土結(jié)構(gòu)、高79.0m，斜拉索采用扇形空間索面布置。結(jié)構(gòu)分析采用有限元軟件MIDAS進(jìn)行總體受力分析，并采用ANSYS對(duì)橋塔錨索區(qū)頂部三個(gè)節(jié)段進(jìn)行局部受力性能分析和優(yōu)化，通過(guò)試驗(yàn)及計(jì)算對(duì)該橋的抗震及抗風(fēng)性能開(kāi)展了專題研究。結(jié)果表明該橋的強(qiáng)度、剛度等各項(xiàng)檢算值均滿足規(guī)范要求。

橋梁工程； 跨線橋； 主干道； 變寬； 斜拉橋

作為紀(jì)念辛亥革命100周年的重點(diǎn)配套工程，武漢大道是漢口地區(qū)南北方向重要的城市快速通道，是聯(lián)系武漢市一環(huán)線、二環(huán)線、三環(huán)線的放射線和快速出城通道。黃浦大街－金橋大道工程是武漢大道工程的重要組成部分，由黃浦大街和金橋大道組成，起于黃浦路立交落地點(diǎn)，止于三金潭立交，全長(zhǎng)約6.0km。金橋是整個(gè)大道改造工程中的一個(gè)控制點(diǎn)。該工程在京廣線K1189＋135處上跨京廣鐵路，交叉處現(xiàn)有金橋大道是以8m＋10m＋10m＋8m框架橋形式下穿京廣鐵路，中間兩孔為機(jī)動(dòng)車道，兩側(cè)兩孔為非機(jī)動(dòng)車道和人行道。京廣鐵路下穿地下通道沿高架橋縱向長(zhǎng)為110m。該工程需跨鐵路站場(chǎng)，站場(chǎng)內(nèi)鐵路包括京廣鐵路、合武高鐵、漢孝城際等13股道電氣化鐵路。橋位處地形、地貌非常復(fù)雜，附近既有建筑多；同時(shí)橋位還緊鄰武漢城內(nèi)最大立交——竹葉山立交，為與竹葉山立交銜接，橋面寬度需做成變寬橋面且橋面設(shè)計(jì)高程受到了制約。由于橋下鐵路、公路交通不能中斷，橋梁設(shè)計(jì)受限制條件多，設(shè)計(jì)、施工均非常復(fù)雜。

1 橋梁方案比選

1.1 選型原則

基于橋梁設(shè)計(jì)的安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀、耐久等基本原則，結(jié)合橋位的實(shí)際情況及關(guān)鍵控制因素對(duì)橋型做出合理的選擇。該工程的關(guān)鍵控制因素主要有3個(gè)：其一是需要一跨跨過(guò)一百多米寬的鐵路站場(chǎng)，這就需要選擇跨越能力較大的橋型；其二是要與竹葉山立交銜接，同時(shí)還要兼顧鐵路電氣化設(shè)備的高程，因此橋梁的高程要嚴(yán)格控制且需采用變寬橋面；其三是橋下的交通不能中斷，所選擇的施工方法不能影響橋下交通。

1.2 初選方案

根據(jù)以上原則及主要控制因素，該工程在方案設(shè)計(jì)提出了3種方案：斜拉橋方案、鋼管拱橋方案及連續(xù)梁橋方案。

方案1：斜拉橋方案，橋型為135＋56＋39m獨(dú)塔雙索面混凝土斜拉橋，如圖1所示。

獨(dú)塔斜拉橋是一種較常見(jiàn)的孔跨布置方式，適用于一跨跨越中小河流和城市通道。梁體尺寸小，受橋下凈空和橋面標(biāo)高的限制少。主梁內(nèi)力均勻，抗裂性能好，適應(yīng)不同的地質(zhì)、地形條件，便于懸臂法施工。此處采用135m的主跨一跨跨過(guò)鐵路站場(chǎng)，在邊跨設(shè)置輔助墩以提高體系剛度、減小主跨撓度。能滿足以上3個(gè)嚴(yán)格的條件。

方案2：鋼管拱橋方案，橋型布置為單孔135m鋼管混凝土系桿拱橋，如圖2所示。

這種變寬橋面的拱橋，一側(cè)拱圈與線路斜交，似展翅欲飛的蝴蝶，其優(yōu)美的曲線增強(qiáng)橋梁的視覺(jué)沖擊力。同時(shí)鋼管混凝土拱橋具有自重輕、強(qiáng)度大、抗變形能力強(qiáng)、跨度適應(yīng)能力強(qiáng)、承載能力大、地基適應(yīng)性好等突出優(yōu)點(diǎn)。其施工快捷，工期短，投資見(jiàn)效快。但難以滿足場(chǎng)地施工條件。

方案3：連續(xù)梁橋方案，橋型為50m＋100m＋60m預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)梁橋，如圖3所示。

采用兩跨跨過(guò)鐵路站場(chǎng)，巧妙地利用了站場(chǎng)間的一塊空地，使得主跨與邊跨的懸臂段得以對(duì)稱布置，方便懸臂施工。該橋型屬于常規(guī)橋型，具有耐久性好、適應(yīng)性強(qiáng)、整體性好、行車平順、視覺(jué)通透性好以及美觀等許多優(yōu)點(diǎn)。與同等規(guī)模的其它橋型相比，具有施工方便、工期短、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。但需要在鐵路中間設(shè)置橋墩，影響將來(lái)的發(fā)展。

1.3 方案對(duì)比

以上三個(gè)方案均能滿足橋下既有鐵路和規(guī)劃鐵路凈寬及凈高的要求，均能達(dá)到設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)。綜合考慮景觀效果、施工工期、實(shí)施難易程度、經(jīng)濟(jì)性和施工期間對(duì)鐵路的影響程度等，比較見(jiàn)表1。

通過(guò)表1比較可見(jiàn)，方案1造型獨(dú)特，施工難度不大，技術(shù)成熟，景觀效果好，綜合以上考慮，該次設(shè)計(jì)推薦方案1。

表1 主橋方案對(duì)比表

2 主橋的設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)布置

金橋主橋?yàn)楠?dú)塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，全長(zhǎng)260m，跨度布置為138＋81＋41＝260m，主跨138m。塔、墩、梁固結(jié)體系，免去了主墩設(shè)置大噸位支座的麻煩。

橋面寬度由39m漸變至49.9m，按雙向6車道設(shè)計(jì)，主梁采用雙邊箱梁截面（見(jiàn)圖5），梁高3.8m，標(biāo)準(zhǔn)橋面寬度組成：2.5（索錨區(qū)）＋0.5（防撞護(hù)欄）＋15.75（行車道）＋1.5（中間分隔帶）＋15.75（行車道）＋0.5（防撞護(hù)欄）＋2.5（索錨區(qū)）＝39.0m。

橋塔順橋向?yàn)楠?dú)柱式，橫橋向?yàn)锳字型。

斜拉索采用扇形雙索面，全橋共20對(duì)斜拉索，共80根。在邊墩、輔助墩處豎向均設(shè)活動(dòng)盆式橡膠支座，橫向邊墩處設(shè)橫向擋塊。

施工方法：138m主跨主梁采用后支點(diǎn)掛籃懸澆施工，81m和41m跨則采用滿堂支架施工。

2.2 主梁的設(shè)計(jì)

主梁采用C55混凝土，一般節(jié)段索距6.0m，壓重段索距3.70m。

主梁采用雙邊箱梁截面，雙向1.5%橫坡，主梁在路冠處梁高3.80m。全橋分為等寬段主梁和變寬段主梁。等寬段箱頂全寬39.00m，箱梁底寬39.60m，邊箱寬6.50m，兩個(gè)邊箱之間的頂板設(shè)置了高1.80m、厚0.3m的小縱梁。

等寬段主梁標(biāo)準(zhǔn)截面尺寸如下：頂板厚0.26m，底板厚0.36m，邊箱內(nèi)腹板厚0.45m、邊腹板厚1.20m，每個(gè)節(jié)段設(shè)置兩道橫梁，橫梁采用馬蹄形，馬蹄厚0.48m，肋寬0.3m。斜拉索錨固塊設(shè)置在邊箱箱內(nèi)。

壓重區(qū)段主梁采用單箱六室封閉截面，節(jié)段長(zhǎng)3.70m，設(shè)置一道橫梁，橫梁厚度0.68m，底板厚0.50m，頂板厚0.26m，中間豎腹板厚0.60m，邊腹板1.20m，肋板與底板閉合，肋板厚度0.30m。

變寬段主梁頂板寬度由39.000m線性變寬至49.899m，主梁右幅截面不變，左幅截面寬度線性變化，兩個(gè)邊箱寬度不變，橫向尺寸通過(guò)調(diào)整橫梁的跨度加以實(shí)現(xiàn)。

在等寬段和變寬段每6m長(zhǎng)的一個(gè)節(jié)段內(nèi)設(shè)置兩道橫梁，橫梁間距為3m，而在變寬段其小縱梁間的間距隨著左幅寬度的變化而線性變化。

塔梁固結(jié)段，邊箱豎腹板加厚至1.00m，邊腹板加厚至2.20m，頂板加勁肋板由1.80m高漸變至相應(yīng)位置梁全高，并加厚至1.00m肋板設(shè)置穿過(guò)索塔橫梁。

2.3 橋塔的設(shè)計(jì)

橋塔橫橋向最初設(shè)計(jì)采用A型塔，塔柱承臺(tái)間有橫向連接系梁，系梁施工需部分封鎖金橋大道交通。設(shè)計(jì)考慮到該橋施工時(shí)，金橋大道附近的中一路將開(kāi)通，車流經(jīng)中一路分流，該橋施工時(shí)可以封鎖交通，故設(shè)計(jì)采用下端封閉的A型塔。但是該橋主塔施工時(shí)，中一路未能如期開(kāi)通，若封鎖金橋大道部分交通，將嚴(yán)重影響居民出行。為避免影響金橋大道交通，設(shè)計(jì)對(duì)主塔方案進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)改變“A”字塔原來(lái)“叉開(kāi)站立”為“直腿站立”，加強(qiáng)塔柱和中橫梁的方案，取消了對(duì)工期和地面交通影響較大的斜拉橋 “A”字型底部的橫系梁來(lái)達(dá)到不影響金橋大道交通的目的。

主塔采用C55混凝土。主塔順橋向?yàn)橹浇Y(jié)構(gòu)、橫橋向?yàn)椤癆”型，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。塔高承臺(tái)以上為101.7m，橋面以上為79.012m，高跨比為0.57。塔上索距分別為1.8m、1.7m和2.3m。

主塔由塔座、下、中、上塔柱及下、中、上橫梁等部分組成，塔座高2m，頂面尺寸為9.0m×12.0m，底面尺寸為13.0m×16.0m。下塔柱高18.3m，橫橋向?qū)?.5～6m、順橋向?qū)?.5～8m，采用單箱單室截面，壁厚為1.3m×1.5m，在根部及與下橫梁交界部范圍內(nèi)壁厚逐漸加厚。

中塔柱高48.2m，橫橋向等寬3.5m、順橋向等寬6.5m，采用單箱單室截面，壁厚為1.0m×1.5m，在頂、底部與中、下橫梁交界部一定范圍內(nèi)壁厚逐漸加厚。

上塔柱高35m，橫橋向等寬3.5m、順橋向等寬6.5m，采用單箱室截面，側(cè)墻基本壁厚均為1.0m、錨固墻均為1.4m，在頂、底部與上、中橫梁交界部一定范圍內(nèi)壁厚逐漸加厚。上塔柱內(nèi)設(shè)有斜拉索錨塊。塔頂部為1.5m厚的上橫梁。

下橫梁即主梁T0節(jié)段，其頂同主梁一樣設(shè)1.5%的斜坡，由于橋梁主跨主梁的加寬，主塔橫向中心線與主梁中心線不重合，主梁中心線處高6.8m，橫橋向均長(zhǎng)42.6m，順橋向?qū)?m，采用上、下箱型截面，頂板厚度為0.9m，中隔板厚度0.8m、底板厚度為0.6m，腹板厚度為1.5m。中橫梁高4.0m，橫橋向均長(zhǎng)21.66m，順橋向?qū)?m，采用單箱單室截面，頂、底板厚度為0.8m，腹板厚度為0.8m。上橫梁高1.5m，橫橋向均長(zhǎng)10.84m，順橋向同塔柱等寬，采用矩形截面。

斜拉索在主塔上采用非交錯(cuò)錨固，其具體構(gòu)造是在塔柱中埋設(shè)鋼管，再將斜拉索穿入用錨頭錨固在鋼管上端的錨墊板上，見(jiàn)圖6（c））。上塔柱斜索錨固區(qū)設(shè)“井”字型預(yù)應(yīng)力，以抵抗拉索在箱壁內(nèi)產(chǎn)生的拉力。

2.4 斜拉索的設(shè)計(jì)

斜拉索采用扇形雙索面，全橋共20對(duì)斜拉索，共80根。斜拉索采用7mm鍍鋅涂層高強(qiáng)平行鋼絲斜拉索，外擠雙層PE，內(nèi)層為黑色，外層為彩色，鋼絲標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)＝1 670MPa。斜拉索規(guī)格共7種，即：1877、2117、2417、2657、2837、3017、3377。斜拉索在主梁處最小傾角約26.0°，最大傾角約59.8°。斜拉索錨具采用冷鑄墩頭錨，梁端及塔端錨具均采用張拉端錨具。斜拉索在預(yù)埋鋼導(dǎo)管內(nèi)設(shè)置阻尼器。為方便橋梁運(yùn)營(yíng)階段在電氣化鐵路上方斜拉索養(yǎng)護(hù)及換索方便，斜拉索錨固塊設(shè)置在邊箱內(nèi)。在成橋狀態(tài)下左幅最大索力為：8 535kN，右幅最大索力為：8 515kN。在運(yùn)營(yíng)階段左幅最大索力為：8 698kN，右幅最大索力為：8 696kN。

3 主橋的計(jì)算

該橋總體結(jié)構(gòu)分析采用MIDAS有限元程序建模，共495個(gè)節(jié)點(diǎn)，420個(gè)單元?？紤]的荷載有施工臨時(shí)荷載、恒載、汽車荷載、汽車制動(dòng)力、溫度荷載、基礎(chǔ)變位，荷載按照規(guī)范要求進(jìn)行組合，分析結(jié)果表明橋梁整體受力滿足相關(guān)規(guī)范要求。

局部受力分析采用ANSYS軟件建立橋塔錨索區(qū)頂部三個(gè)節(jié)段的細(xì)化模型，計(jì)算塔柱模型高6.8m。計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

該橋?yàn)槌鞘兄鞲傻郎峡玷F路站場(chǎng)的大橋，受諸多因素限制，如建設(shè)場(chǎng)地受限、施工與運(yùn)營(yíng)過(guò)程中必須保證鐵路運(yùn)輸安全正常進(jìn)行等。經(jīng)過(guò)深入的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、施工等多方面的對(duì)比，主橋最終采用獨(dú)塔斜拉橋，充分體現(xiàn)了安全、經(jīng)濟(jì)、美觀等方面的考慮，同時(shí)主跨采用前支點(diǎn)掛籃懸臂施工，很好地解決了不影響鐵路運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題；變寬橋面的設(shè)計(jì)也很好地解決了與竹葉山立交銜接的問(wèn)題。如今的金橋已然成為了武漢大道上一條亮麗的風(fēng)景線，將為大武漢的經(jīng)濟(jì)發(fā)展添磚加瓦，更是給千千萬(wàn)萬(wàn)的武漢人民的出行帶來(lái)了極大的方便。

［1］項(xiàng)海帆.橋梁概念設(shè)計(jì)［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［2］李亞?wèn)|.橋梁工程概論［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2001.

［3］邵旭東.橋梁工程［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［4］邵旭東.橋梁設(shè)計(jì)與計(jì)算［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［5］劉士林.斜拉橋［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［6］中鐵二院武漢勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司.武漢市黃浦大街－金橋大道快速通道工程施工圖設(shè)計(jì)［Z］.武漢，2010.

［7］張 眾，陳孔令，劉黎陽(yáng)，等.六庫(kù)怒江二橋設(shè)計(jì)［J］.橋梁建設(shè)，2013（S1）：59－65.

［8］吳宏業(yè)，于傳君.鴨綠江界河公路大橋主橋橋型方案比選［J］.橋梁建設(shè)，2013（S1）：83－88.

［9］王吉連，陳開(kāi)橋，毛偉琦.武漢大道跨鐵路斜拉橋主跨現(xiàn)澆段支架設(shè)計(jì)［J］.橋梁建設(shè)，2013（S1）：103－108.

［10］JTG D62—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］.中華人民共和國(guó)交通部，2004.

［11］JTG／T D65—01—2007，公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則［S］.中華人民共和國(guó)交通部，2007.

［12］CJJ11—2011，城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

Design of the Main Bridge of the Jinqiao Bridge in Wuhan Road

XIONG Tao1，PEI Bi－da2，LONG Jun－xian1
（1.Wuhan Survey，Design and Research Institute Co，Ltd，China Railway Eryuan Engineering Group Co，Ltd，Wuhan 430071，China；2.College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）

To probe into the structural features and key techniques of overpass and gradient width cable－stayed bridge，the design，calculation and analysis processes of the Jinqiao bridge in Wuhan road were summarized.The bridge is a prestressed concrete cable－stayed bridge with a single pylon and double cable plane.Its span arrangement is（138＋81＋41）m，deck width is 39～49.9mand structural system is the rigid fixity system of pylon，pier and girder.The pylon is the concrete structure that is 79.0mhigh，the stay cables are arranged in spatial cable plane of fan type.In the process of the design，the finite element software MIDAS was used to analyze the global force conditions of the bridge，the software ANSYS was used to calculate，analyze and optimize the local force behavior of anchor zone in pylon.The results indicate that the various checking calculation values of the strength and rigidity of the bridge can satisfy the relevant requirement in the codes.

bridge engineering； overpass bridge； main road； gradient width； cable－stayed bridge

10.3963／j.issn.1674－6066.2014.02.031

2014－03－06.

熊 濤（1983－），工程師.E－mail：34449011＠qq.com