烏海甘德爾黃河大橋主橋設計

衛(wèi)俊，張建強

（中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北武漢430056）

烏海甘德爾黃河大橋主橋設計

衛(wèi)俊，張建強

（中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北武漢430056）

烏海甘德爾黃河大橋主橋為跨徑布置（80+5×120+80）m的單索面預應力混凝土梁部分斜拉橋。主梁采用帶大挑臂的單箱雙室截面，橋?qū)?7m。主梁懸臂板每隔3.5m設置一道加勁板，箱室內(nèi)部與此對應設置一道橫隔梁。斜拉索采用環(huán)氧鋼絞線拉索體系，索塔錨固區(qū)采用分絲管式索鞍。主塔為菱形截面，塔身為縱向A字型。結合平面和空間靜力分析，對全橋的抗彎、抗剪、抗裂性能及應力進行檢算，結果滿足規(guī)范要求。項目處于地震高烈度帶，結構中采用縱向速度鎖定器+橫向耗能減震裝置作為組合減隔震方案，動力分析表明其抗震性能滿足規(guī)范要求。主墩采用翻模法施工，主梁節(jié)段采用懸澆法施工。

部分斜拉橋；寬箱梁；大挑臂；橋梁設計；結構分析；抗震措施；施工方法

1　工程概況

烏海甘德爾黃河大橋工程路線全長6 153.3m，由主橋、東西引橋和兩岸引道組成。主橋為跨徑布置（80+5×120+80）m的單索面預應力混凝土梁部分斜拉橋（見圖1）。橋?qū)?7.0m，主梁采用帶大挑臂的單箱雙室截面。斜拉索采用帶HDPE護套的環(huán)氧鋼絞線拉索體系，索塔錨固區(qū)采用新型的分絲管式索鞍。主塔采用菱形截面，塔身為縱向A字型。主塔墩身采用板式墩。工程兩岸原始地貌單元為黃河一級階地和河漫灘，地勢開闊，地形相對平坦。地層為全新世沖、洪積成因的砂類土、卵礫石土，夾黏土透鏡體［1］。

2　主要技術標準

（1）道路等級：公路一級兼城市橋梁功能；

（2）行車速度：60 km/h；

（3）汽車荷載等級：公路-I 級；

（4）橋梁寬度：由雙向6車道、非機動車道、人行道、欄桿、中央分隔帶組成，全寬37m。

（5）通航標準：IV 級航道；

（6）通航凈空：單孔單向75m×8m；

（7）立交凈空：≥5.0m；

（8）設計洪水頻率（特大橋）：1/300；

（9）地震基本烈度：Ⅷ度；

（10）最大縱坡：主線≤2.5%。

3　橋型方案比選

綜合該橋的防洪影響評價結果和河段凌汛的實際情況，并參照橋位附近河段已建和在建的黃河橋，甘德爾黃河大橋主橋跨度選擇為120m。在100～200m跨度內(nèi)的橋梁適應橋型較多，有連續(xù)梁、部分斜拉橋、拱橋等。在選擇橋梁方案時，一方面滿足通航、防洪及排凌的要求，另外一方面考慮黃河航運的發(fā)展規(guī)劃、海勃灣水庫及甘德爾景觀帶的建設，以及工程總體造價經(jīng)濟性的要求。主橋主要比較了兩個方案，即方案一（80+5×120+80）m預應力混凝土梁部分斜拉橋，方案二（80+5× 120+80）m預應力混凝土連續(xù)梁。

經(jīng)綜合比較（見表1），部分斜拉橋方案和連續(xù)梁方案均為成熟、經(jīng)濟的橋型方案，都具有變形小、結構剛度好、行車平順舒適、伸縮縫少等優(yōu)點。部分斜拉橋經(jīng)濟性略好，同時主塔造型與當?shù)丨h(huán)境融合，景觀效果好。主橋最終確定為部分斜拉橋方案。

表1　主橋方案綜合比較

4　結構設計

主橋跨徑布置為（80+5×120+80）m部分斜拉橋，全長760.0m，橋面寬37.0m，設2%的雙向橫坡。主梁采用混凝土箱梁，主塔采用鋼筋混凝土截面，塔梁固結，梁與墩柱之間設置支座。每個塔柱設5對斜拉索，每對斜拉索橫向并排布置兩根，斜拉索呈扇形布置。從景觀角度考慮采用單索面。索面布置在中央分隔帶上，給人以美觀開闊的視感。

4.1主梁設計

由于索面布置在中央分隔帶上，主梁截面須采用整幅斷面。對于37m寬的整幅斷面，如果采用常規(guī)的單箱多室截面，則經(jīng)濟指標偏高，施工也較為困難。所以針對該橋特點，采用帶大挑臂的單箱雙室截面。主梁脊骨節(jié)段采用單箱雙室截面，底寬18.0m。主梁兩側(cè)設置大懸臂寬度9.5m。主梁頂面設置雙向2.0%橫坡。主橋支點梁高6.0m，跨中梁高3.0m，梁底曲線采用圓曲線過渡。箱室頂板厚度為25cm，底板厚度為28～50cm，腹板厚度為60～80cm。主梁懸臂板每隔3.5m設置一道加勁肋，厚度為22cm，箱內(nèi)與之對應也每隔3.5m設置一道橫隔板，無索區(qū)橫梁厚度為22cm，有索區(qū)橫梁加厚至40cm。箱梁懸臂現(xiàn)澆節(jié)段分為15個，每個節(jié)段長3.5m。圖2為主梁斷面圖。

4.2斜拉索設計

拉索采用扇形布置，斜拉索在主梁上的標準索距為7.0m，在塔上的標準索距為1.5m。每個塔柱設5對斜拉索，每對索橫向并排布置2根?？紤]到國內(nèi)部分斜拉橋常用的鋼絞線拉索技術成熟，施工方便、防護體系可靠、運營期間拉索可更換等優(yōu)點，該橋采用HDPE護套的環(huán)氧鋼絞線拉索體系，索塔錨固區(qū)采用新型的分絲管式索鞍。全橋鋼絞線斜拉索規(guī)格只有一種：37-φs15.2。斜拉索在主梁上采用箱內(nèi)設置齒塊的錨固形式。圖3為斜拉索構造圖。

圖1　主橋總布置圖（單位：cm）

圖2　主梁斷面圖（單位：cm）

圖3　斜拉索構造圖

4.3主塔設計

主塔為鋼筋混凝土結構，采用C50混凝土。截面為菱形截面，塔型為縱向A字型。塔高自橋面以上32.0m，塔身橫橋向?qū)挾?.5m，縱向塔頂寬度2.5m，向下加寬至8.0m，中間部分鏤空處理。主橋采用6個菱形主塔，正橋長度達到760.0m，能構成足夠雄偉的形象，形成景觀合力，提升整體景觀的品質(zhì)，圖4為主塔結構圖。

圖4　主塔結構圖（單位：cm）

4.4主墩和基礎設計

主墩為板型墩，頂平面尺寸7.5m（順橋向）× 18.0m（橫橋向），沿墩身方向在16.0m范圍內(nèi)逐步變到3.3m（順橋向）×14m（橫橋向），側(cè)面設置破冰棱。承臺高4.0m，平面尺寸為13.2m（順橋向）×23.2m（橫橋向）?；A采用15根φ200的樁基礎，具體布置如圖5所示。

4.5約束體系

主橋縱向除3號墩位約束，其余為縱向滑動。橫向三排支座中，中間支座橫向約束，兩邊橫向滑動。橋址區(qū)位于華北地震帶8度烈度區(qū)，地震動峰值加速度大，50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.25 g。該橋設計過程中，對主橋縱向抗震體系進行了綜合比選。方案一未加減隔震裝置，該方案作為降低結構地震響應各種方案有效性的比較標準；方案二采用具有自復位能力的鐘擺式雙向滑動摩擦鋼支座（FPB）；方案三采用鉛芯橡膠隔震支座；方案四采用粘滯阻尼器；方案五采用速度鎖定器。分析比較后得出，方案二隔震裝置的減震效果雖好，但是考慮到地震作用下擺式支座有一定的豎向位移，各個橋墩的豎向位移很難保持一致，由此導致墩梁交接處的主梁頂板和底板產(chǎn)生較大的應力，其直接的后果是主梁頂?shù)装宓牧芽p產(chǎn)生。而且為了滿足E1地震作用下縱向約束主墩處于彈性狀態(tài)的要求，橋墩的截面縱向尺寸偏大，不太經(jīng)濟。方案三鉛芯橡膠支座，為了滿足豎向承載力的要求，支座的尺寸太大，制造困難，難以實施。方案四適合于大位移量的橋梁漂浮體系，且安裝在橋梁上后經(jīng)常處于工作狀態(tài)，硅油在頻繁工作時會發(fā)熱影響使用。方案五縱向地震作用分析中，在主墩和主梁之間設置縱向鎖定裝置后，鎖定裝置能在吸收一定的沖擊能量的同時將橋梁和橋墩鎖定成一個整體，所有主墩共同承受縱向的地震作用，從而達到減小縱向地震對于橋墩損害的目的。因此，主橋縱向抗震體系采用速度鎖定器（見圖6、圖7）。橫向地震分析中，在主梁和擋塊之間設置軟鋼減震裝置，通過軟鋼的塑性變形耗散一部分地震作用的能量，組成了除支座和抗震擋塊之外的另一道防線。

圖5　主墩及基礎結構圖（單位：cm）

圖6　速度鎖定裝置

圖7　速度鎖定支座

5　結構分析

5.1靜力計算

采用平面桿系有限元軟件SCDS對全橋進行結構靜力計算。靜力計算考慮的主要荷載有恒載、活載、溫度、不均勻沉降、風荷載等。計算中按照全預應力構件對結構抗彎承載力、抗剪承載力、正截面抗裂性、斜截面抗裂性、正應力及主壓應力進行了檢算［2］。計算分析表明：在運營階段，主梁上翼緣最大壓應力為13.5 MPa；下翼緣最大壓應力為13.3 MPa，主梁的最大主壓應力為14.5 MPa。正截面抗彎、斜截面抗剪及抗裂性均滿足規(guī)范要求。

平面計算時以初等梁理論為基礎忽略了結構中各層纖維應力分布的不均勻性，并假定各條腹板剪力平均分配，而主橋結構采用寬箱梁（37.0m）、大挑臂、中央索面的型式，其空間受力特性明顯。僅以平面計算結果指導結構設計偏于不安全［3］。采用ANSYS對全橋進行了空間靜力分析?？臻g分析結果表明：主梁的剪力滯系數(shù)最大值為1.31，剪力滯效應明顯；主梁腹板在恒載作用下，兩條邊腹板的剪應力數(shù)值及其變化趨勢基本一致，中腹板在拉索錨固處受力較邊腹板大（見圖8），彎曲剪應力放大系數(shù)最大為1.30；邊腹板在活載一側(cè)加載情況下扭轉(zhuǎn)剪應力最大值為0.33 MPa（見圖9）。主拉應力檢算時考慮了剪應力放大系數(shù)和扭轉(zhuǎn)剪應力的影響；主墩左、中、右橫向三排支座中恒+活反力比可達1∶1.93∶1，支座選型時考慮了這一因素。橫隔梁可分為拉索區(qū)主橫梁、副橫梁及無索區(qū)橫梁三種類型來計算。拉索區(qū)橫梁受力模式介于連續(xù)梁約束（3支座）與中央吊點大懸臂約束狀態(tài)之間（見圖10）。橫梁的預應力布置參照橫向受力分析結果來進行（見圖11）。

5.2動力計算

主橋采取縱向鎖定器+橫向耗能減震裝置作為組合減隔震方案?？v向地震作用分析中，主墩和主梁在鎖定裝置作用下鎖定成一個整體，所有主墩共同承受縱向的地震作用，達到減小縱向地震對于橋墩損害的目的。橫向地震分析中，通過軟鋼的塑性變形實現(xiàn)耗散一部分地震作用能量的目的。采取這種組合減隔震方案之后，主橋墩在E1地震作用下，橋墩及樁基均保持在彈性狀態(tài)，抗震性能滿足要求。E2地震作用下，采用能力保護構件設計，主橋、邊墩墩柱及樁基礎的抗震性能滿足要求。

圖8　恒載作用下腹板剪力數(shù)值（單位：kN）

圖9 活載偏載作用下腹板扭轉(zhuǎn)剪應力數(shù)值（單位：MPa）

圖10　拉索區(qū)主橫梁恒載+活載作用下橫向應力結果（單位：Pa）

圖11　拉索區(qū)主橫梁恒載+活載+預應力作用下橫向應力結果（單位：Pa）

6　施工方法

主橋1#～6#墩基礎位于主河槽中，按水中施工方案，采用“棧橋+鉆孔平臺”施工樁基礎，鉆孔采用旋轉(zhuǎn)鉆機鉆孔，泥漿分離器清孔除渣，集中拌制泥漿。墩位平臺上布置30 t龍門吊機用以基礎施工；主橋0#、7#墩位于灘地，鉆孔樁按陸地常規(guī)法施工，承臺施工采用鋼板樁圍堰作為防護；主橋墩身均采用翻模法澆筑施工，主橋每墩各布置1臺8 t塔吊輔助施工。

主橋上部斜拉橋主梁0#塊采用墩旁支架法現(xiàn)澆，施工時對0#塊采取臨時固結措施，其它節(jié)段采用掛籃懸臂澆筑，當主梁懸澆施工至7#節(jié)段時，完成主墩的塔柱施工，斜拉索的掛設、張拉與主梁懸澆同步進行；邊跨直線段采取支架法現(xiàn)澆，合攏段7結語

施工采用吊架法，合攏順序為先邊跨后中跨依次對稱進行。

烏海甘德爾黃河大橋主橋為多塔長聯(lián)的預應力混凝土部分斜拉橋。主橋采用中央索面帶大挑臂的單箱雙室結構，橋?qū)?7.0m。斜拉索采用環(huán)氧鋼絞線拉索體系，在索塔錨固區(qū)采用分絲管式索鞍實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。主塔為菱形截面，塔型為縱向A字型，塔梁固結，墩梁分離。主橋創(chuàng)新了長聯(lián)整幅寬橋的結構布置型式，結構新穎，實現(xiàn)了功能、經(jīng)濟、美觀的有機組合。結構中采用縱向鎖定器+橫向耗能減震裝置作為組合減隔震方案，很好地適應了8度烈度區(qū)的抗震要求。該橋已于2012年4月1日開工，預計2015年9月31日竣工。

［1］ 中鐵大橋勘測設計院有限公司. 烏海甘德爾黃河大橋施工圖設計文件［Z］.武漢：中鐵大橋勘測設計院有限公司，2012.

［2］ 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］.

［3］范立礎.預應力混凝土連續(xù)梁［M］. 北京：人民交通出版社，1985.

U448.27

B

1009-7716（2015）01-0054-05

2014-09-16

衛(wèi)俊（1977-），男，江西南昌人，高級工程師，從事橋梁設計工作。