泓口大橋自錨式懸索橋加勁梁設(shè)計(jì)

郭永建

（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 武漢 430050）

溧陽市開發(fā)區(qū)泓口大橋，上跨蕪申線III級(jí)航道，為航道改線截?cái)嗍〉繱241而增加的橋梁。采用先建橋梁后開挖航道的順序進(jìn)行。泓口大橋主橋設(shè)計(jì)為雙塔自錨式懸索橋，跨徑布置為：10m＋42m＋102m＋42m＋10m＝206m。主跨主纜理論垂度為17m，理論垂跨比為1∶6；邊跨主纜理論垂度為2.838m，理論跨度為42m，理論垂跨比為1∶14.799。主橋立面布置見圖1。

圖1 泓口橋主橋立面布置（單位：cm）

主橋橋面寬38.0m，橫向布置為：3.5m（人行道）＋3.0m（纜索區(qū)）＋0.5m（護(hù)欄）＋11.75 m（車道）＋0.5m（雙黃線）＋11.75m（車道）＋0.5m（護(hù)欄）＋3.0m（纜索區(qū)）＋3.5m（人行道）；橋面設(shè)±2%的橫坡。主橋斷面布置見圖2。

圖2 泓口橋主橋斷面布置（單位：cm）

1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級(jí)：一級(jí)公路。

（2）設(shè)計(jì)車速：雙向6車道，60km／h。

（3）設(shè)計(jì)荷載等級(jí)：公路－I級(jí)。

（4）人群荷載：3.5kN／m2。

（5）通航凈空：III級(jí)航道，通航凈空60m×7 m；規(guī)劃駁岸口寬度為70.0m。

（6）地震基本烈度：VII度，地震動(dòng)峰值加速度：0.1g。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 纜索系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本橋主跨矢跨比為1／6，矢高17m；成橋線形采用分段懸鏈線，空纜線形為懸鏈線。主纜采用預(yù)制平行鋼絲索股，全橋共2根主纜，每根主纜含37束索股，每束索股由91絲直徑4.8mm鍍鋅高強(qiáng)鋼絲構(gòu)成。

吊索采用鍍鋅平行高強(qiáng)鋼絲索，每根吊索由91絲直徑7.0mm鍍鋅高強(qiáng)鋼絲組成。中跨21對(duì)吊索、邊跨8對(duì)吊索。索夾采用上、下兩半對(duì)合形式，由高強(qiáng)螺栓連接。主索鞍與散索鞍均為全鑄鋼構(gòu)件，主索鞍下設(shè)座板以適應(yīng)施工期間主索鞍相對(duì)塔頂中心線的頂推，散索鞍下設(shè)盆式滑動(dòng)支座以適應(yīng)主纜的微量滑動(dòng)［1］。

2.2 橋塔及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

主塔為鋼筋混凝土柱式結(jié)構(gòu)，由上、下塔柱及塔頂裝飾罩2部分組成，塔高（從承臺(tái)頂面算起）為31.402m，橋面以上塔高為20.482m。塔柱為實(shí)心截面，截面尺寸2.5m×3.5m（順橋向×橫橋向）?？紤]主塔處支座及受力需要，下塔柱橫橋向靠路線中心內(nèi)側(cè)設(shè)置加寬牛腿，加寬牛腿順橋向?qū)?.0m，橫橋向?qū)?.5m，牛腿頂上布置支座墊石。橋塔采用群樁基礎(chǔ)，啞鈴型承臺(tái)，單個(gè)塔柱承臺(tái)下布置9根直徑為1.5m的鉆孔灌注樁。

2.3 加勁梁設(shè)計(jì)

2.3.1 加勁梁功能

加勁梁是懸索橋提供結(jié)構(gòu)剛度、保證車輛行駛的構(gòu)件，主要功能是提供橋面支撐和防止橋面發(fā)生過大的撓曲變形和扭曲變形；同時(shí)也是承受風(fēng)荷載和其他橫向水平力的主要構(gòu)件。

自錨式懸索橋憑借其優(yōu)化的造型，靈活的跨徑布置，良好的經(jīng)濟(jì)效益，于近年來逐漸受到橋梁工程師的青睞?；炷磷藻^式懸索橋因加勁梁承受主纜傳遞的強(qiáng)大壓力，節(jié)省了大量預(yù)應(yīng)力構(gòu)造及器具，同時(shí)結(jié)構(gòu)剛度增大，在中小跨徑的城市景觀橋梁的選型與設(shè)計(jì)中具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

2.3.2 加勁梁構(gòu)造

加勁梁為混凝土箱梁，采用C55混凝土［2］，雙向預(yù)應(yīng)力體系；邊箱梁截面，主梁全長207.4m（考慮加勁梁的彈性壓縮與收縮效應(yīng)，主梁預(yù)伸長1.4m），主梁頂寬38m，橫向設(shè)雙向2%橫坡。加勁梁分為錨跨區(qū)加勁梁和標(biāo)準(zhǔn)段加勁梁2大部分。錨跨段加勁梁邊箱采用實(shí)體截面，梁高4.2m，與梁端橫梁在構(gòu)造上形成整體，橫梁頂設(shè)牛腿槽口用于放置引橋支座。加勁梁斷面構(gòu)造見圖3～圖5。

圖3 吊索處加勁梁構(gòu)造圖（單位：cm）

圖4 標(biāo)準(zhǔn)段加勁梁構(gòu)造圖（單位：cm）

圖5 錨跨段加勁梁構(gòu)造圖（單位：cm）

等高度標(biāo)準(zhǔn)段加勁梁長177.0m，加勁梁?jiǎn)蝹€(gè)節(jié)段長4.5m。主梁標(biāo)準(zhǔn)段中心線處梁高2.5 m，邊箱梁頂板厚25cm，底板厚25cm，外腹板厚45cm，內(nèi)腹板厚60cm。吊索橫向間距28m，縱向間距4.5m，在吊索處設(shè)置橫梁，吊索錨固在邊箱梁底板錨槽內(nèi)。

2.3.3 加勁橫梁構(gòu)造

根據(jù)邊箱梁結(jié)構(gòu)傳力需要加勁橫梁分主塔加勁橫梁、吊索加勁橫梁、輔助墩加勁橫梁、前錨室加勁橫梁。

主塔加勁橫梁關(guān)于橋塔中心線對(duì)稱，順橋向距橋塔中心線2.35m，寬1.0m，主塔穿過主梁處，設(shè)有3.7m×2.7m孔洞；吊索加勁橫梁布置在吊索處，寬0.3m；輔助墩加勁橫梁寬2.0m。

在主纜散索鞍后箱梁實(shí)體段設(shè)置前錨室，為彌補(bǔ)前錨室腔體對(duì)主梁截面的削弱，在該區(qū)邊箱梁之間設(shè)置寬0.3m的錨室區(qū)加勁橫梁。

2.3.4 加勁梁預(yù)應(yīng)力布置

加勁梁為縱、橫雙向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，縱向預(yù)應(yīng)力采用Φs15.2－12高強(qiáng)度低松弛鋼絞線。主塔支點(diǎn)截面上緣配置24束Φs15.2－12鋼絞線，下緣配置16束Φs15.2－12鋼絞線；主跨跨中截面上緣配置16束Φs15.2－12鋼絞線，下緣配置24束 Φs15.2－12鋼絞線；所有預(yù)應(yīng)力束均布置在箱梁腹板上、下翼緣有限寬度范圍內(nèi)。

加勁橫梁預(yù)應(yīng)力采用 Φs15.2－17，Φs15.2－19高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，布置在橫梁內(nèi)，所有預(yù)應(yīng)力孔道均用金屬波紋管制孔。

3 設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)

3.1 加勁梁橋面線形及應(yīng)力控制

加勁梁施工過程中應(yīng)注意控制以下內(nèi)容：主梁的脫模狀態(tài)、橋面線形、主梁應(yīng)力［3］。對(duì)橋面線形、主纜線形的控制終究是為了保證主梁應(yīng)力的合理。由于混凝土容許應(yīng)力變化范圍非常有限，對(duì)混凝土加勁梁進(jìn)行主梁應(yīng)力的控制是非常必要的。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，如果橋面線形、主纜線形與設(shè)計(jì)線形吻合，索鞍頂推次數(shù)和頂推量合理，主梁應(yīng)力就應(yīng)該是合理的。

采用MIDAS Civil軟件進(jìn)行空間計(jì)算分析。其中塔柱與加勁梁采用梁?jiǎn)卧M，吊桿與主纜采用索單元模擬。由計(jì)算結(jié)果可見，加勁梁在成橋及運(yùn)營階段均處于全截面受壓狀態(tài)，截面上緣最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在主跨跨中，截面下緣最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在對(duì)應(yīng)輔助墩位置處，最大壓應(yīng)力均小于規(guī)范限值（17.7MPa）。

3.2 加勁梁錨跨設(shè)計(jì)

地錨式懸索橋的理論研究已經(jīng)相對(duì)完善且有眾多的研究文獻(xiàn)資料?！豆窇宜鳂蛟O(shè)計(jì)規(guī)范》（報(bào)批稿）第八章專門敘述錨碇的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法，但有關(guān)自錨式懸索橋的資料卻不多見［4］。

自錨式懸索橋主纜錨固在加勁梁端部，加勁梁承受主纜傳遞的巨大軸向力和較大的上拔力，因此在邊箱梁端部3.2m范圍內(nèi)設(shè)置壓重加勁橫梁，梁端主纜錨固處設(shè)有寬3.0m的錨槽。在錨跨段設(shè)置有前錨室、鍍鋅鋼錨管及后錨室，主纜錨頭直接穿出鋼錨管錨固在梁端壓重橫梁上，主纜錨固構(gòu)造見圖6。

圖6 主纜錨固構(gòu)造圖（單位：cm）

3.3 加勁梁錨跨計(jì)算分析

自錨式懸索橋錨跨的設(shè)計(jì)是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。這種錨固方式很難精確計(jì)算出錨固區(qū)域的受力情況，只能根據(jù)錨跨實(shí)際的受力模式，應(yīng)用空間有限元對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，并根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整錨跨尺寸，使結(jié)構(gòu)受力更加合理。

針對(duì)錨跨應(yīng)力的復(fù)雜狀態(tài)，為進(jìn)一步明確承受較大錨固應(yīng)力的后錨區(qū)應(yīng)力分布及內(nèi)置鋼管孔洞附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象，對(duì)錨跨采用實(shí)體模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析［5］，并根據(jù)不同強(qiáng)度理論對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核。模型采用實(shí)體單元模擬錨塊混凝土主體，內(nèi)置鋼管采用殼體單元，彼此通過共用節(jié)點(diǎn)連接。

3.4 加勁梁收縮徐變效應(yīng)

大跨徑混凝土自錨式懸索橋需要同時(shí)考慮主纜非線性分析和混凝土加勁梁、橋塔收縮、徐變效應(yīng)的影響。由于混凝土自錨式懸索橋加勁梁承受巨大的軸向力，加勁梁、主塔的收縮，錨固點(diǎn)的偏移必然會(huì)引起主纜線形發(fā)生變化，從而引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重分布，這對(duì)結(jié)構(gòu)成橋運(yùn)營階段的受力和線形都是十分不利的。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)已建成的某混凝土自錨式懸索橋，20年后的收縮徐變效應(yīng)導(dǎo)致主梁跨中撓度增大了26%，彎矩增大了25.4%，影響十分顯著［6］。

本橋在設(shè)計(jì)階段采用以下措施來減小加勁梁的收縮徐變效應(yīng)：①主纜錨固點(diǎn)向邊跨側(cè)預(yù)偏移；通過計(jì)算分析，混凝土主梁的收縮、徐變效應(yīng)會(huì)使主纜錨點(diǎn)向跨中側(cè)移動(dòng)3.5cm左右，為了抵消主梁收縮、徐變效應(yīng)的不利作用，在保證纜索系統(tǒng)無應(yīng)力長度不變的情況下，本橋?qū)⒅骼|錨點(diǎn)向邊跨側(cè)預(yù)偏3.5cm，從而使橋塔往邊跨側(cè)預(yù)偏。主纜錨點(diǎn)預(yù)偏的效應(yīng)與收縮、徐變的效應(yīng)相反，可以保證收縮、徐變完成后主梁的內(nèi)力與線形達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)；抵消了收縮、徐變?cè)跇蛩撞康膹澗?；②成?年后進(jìn)行2次調(diào)索，該方法即調(diào)整邊跨吊索的索力至張拉目標(biāo)索力，整個(gè)過程中索鞍位置相對(duì)主塔保持固定。張拉邊跨吊索后，主纜在塔頂處由于收縮徐變引起的不平衡水平力減小，主塔頂部和主纜理論頂點(diǎn)向邊跨移動(dòng)，因收縮徐變?cè)斐傻闹魉蛑骺鐑A斜得到了部分恢復(fù)，塔底彎矩減小；主纜理論頂點(diǎn)向邊跨移動(dòng)，中跨主纜上移，加勁梁的線形和內(nèi)力均得到改善。當(dāng)然，成橋運(yùn)營階段可以通過多次調(diào)整吊索索力以減小收縮徐變效應(yīng)產(chǎn)生的不利影響。

4 結(jié)語

（1）加勁梁是自錨式懸索橋橋梁結(jié)構(gòu)的重要部分，它決定結(jié)構(gòu)的整體工作性能，也影響橋梁的經(jīng)濟(jì)效益和美觀要求，應(yīng)給予足夠的重視。本文從具體的工程實(shí)例出發(fā)，介紹了泓口橋混凝土自錨式懸索橋加勁梁的橋跨布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料指標(biāo)和構(gòu)造細(xì)節(jié)等內(nèi)容。

（2）錨跨的設(shè)計(jì)是本工程的關(guān)鍵點(diǎn)之一。在錨跨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，根據(jù)錨跨實(shí)際的受力模式，應(yīng)用空間有限元對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，并根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整錨跨尺寸。合理的錨跨設(shè)計(jì)使得主纜內(nèi)力能夠均勻地傳遞到全橋，整個(gè)自錨體系傳力也更加明確合理。

（3）主纜錨固點(diǎn)向邊跨側(cè)預(yù)偏移，能有效減小和消除混凝土自錨式懸索橋收縮、徐變對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。

（4）成橋運(yùn)營1年后進(jìn)行二次調(diào)索，主塔向邊跨側(cè)發(fā)生偏移，塔底彎矩減小；主纜理論頂點(diǎn)向邊跨移動(dòng)，中跨主纜上移，加勁梁的線形和內(nèi)力均得到改善。二次調(diào)索能全面改善自錨式懸索橋的受力狀態(tài)。

［1］ 丁志威，梁司彪，曾令煌.泓口大橋自錨式懸索橋主橋設(shè)計(jì)［J］.橋梁建設(shè)，2013（1）：65－69.

［2］ 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］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］ 劉海忠，何春林.某主跨220m混凝土自錨式懸索橋設(shè)計(jì)［J］.交通科技，2013（5）：28－30.

［4］ JTG xxx－2002公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2002.

［5］ 周泳濤，鮑衛(wèi)剛，賈界峰，等.天津富民橋錨碇構(gòu)造設(shè)計(jì)［J］.橋梁建設(shè)，2006（5）：36－39.

［6］ 戎華欽，石 磊，檀永剛.混凝土自錨式懸索橋收縮徐變效應(yīng)分析及改善措施研究［J］.公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2011（2）：36－41.