紹興濱海大橋自錨式懸索橋設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

余茂峰，沈小雷

(浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，杭州　310006)

紹興濱海大橋自錨式懸索橋設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

余茂峰，沈小雷

(浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，杭州310006)

摘要：紹興濱海大橋主橋橋型為3跨連續(xù)半漂浮鋼箱梁自錨式懸索橋。簡(jiǎn)要介紹該橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、構(gòu)造設(shè)計(jì)及關(guān)鍵構(gòu)造處理措施。

關(guān)鍵詞：自錨式懸索橋；鋼箱梁；設(shè)計(jì)

1工程概況[1]

濱海大橋是紹興濱海新城展望大道上的一座大型橋梁，全長(zhǎng)約2 km。主橋長(zhǎng)343.6 m，寬43.2 m，雙向8車道，兩側(cè)各設(shè)3 m人行道。該橋跨越曹娥江，橋位處水深達(dá)6～7 m。橋下通航凈空要求：?jiǎn)蜗蛲ê絻魧?08 m，雙向通航凈寬174 m，通航凈高按設(shè)計(jì)最高水位以上23 m控制。橋址位于寧紹平原北部，曹娥江與杭州灣交匯處，屬臺(tái)風(fēng)影響區(qū)。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速39 m/s，地震基本烈度為Ⅵ度。

2主橋總體設(shè)計(jì)[1-2]

濱海大橋主橋采用3跨連續(xù)半漂浮自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)，跨徑布置為77.8 m+188 m+77.8 m，總長(zhǎng)343.6 m。加勁梁采用鋼箱梁，梁高3.2 m。主纜采用預(yù)制平行鍍鋅鋼絲索股，橫向共布置2根，其通過(guò)散索套分散后錨固于鋼箱梁梁端，梁端設(shè)置壓重混凝土；主纜中跨矢跨比為1/5。吊索采用高強(qiáng)平行鍍鋅鋼絲，PE套防護(hù)，標(biāo)準(zhǔn)間距9.6 m；吊索上端與索夾采用銷接式連接，下端與鋼箱梁采用承壓式連接。橋塔采用H型索塔結(jié)構(gòu)，塔柱為鋼筋混凝土構(gòu)件，橫梁為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件，塔基采用承臺(tái)加樁基礎(chǔ)。主塔橫梁設(shè)2個(gè)豎向拉壓支座、2個(gè)側(cè)向抗風(fēng)支座及縱向阻尼器。邊跨主梁梁端設(shè)2個(gè)豎向拉壓支座。濱海大橋主橋結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

3結(jié)構(gòu)部位設(shè)計(jì)[1-2]

3.1索塔與基礎(chǔ)

索塔采用不設(shè)上橫梁的“H”型結(jié)構(gòu)，索塔總高65.05 m(不計(jì)塔頂索鞍高度)。索塔由上、下塔柱及橫梁組成，上塔柱高43 m，下塔柱高17.55 m，上下塔柱間為一橫梁，高4.5 m。上下塔柱及橫梁均采用C50混凝土。

上塔柱為等截面六邊形空腔結(jié)構(gòu)，壁厚0.6 m，橫橋向?qū)?.4 m，順橋向?qū)?.926 m。下塔柱為變截面六邊形空腔結(jié)構(gòu)，壁厚0.8 m，橫橋向?qū)挾扔?.4 m漸變至4.45 m，順橋向?qū)挾扔?.926 m漸變至5.141 m。下塔柱2.3 m范圍內(nèi)為實(shí)體段，上下塔柱均為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。為有效擴(kuò)散塔頂主索鞍傳遞的巨大壓力，塔頂設(shè)有3.5 m漸變段，塔冠設(shè)有2.5 m高實(shí)體段。

圖1　濱海大橋主橋立面布置示意

橫梁理論跨度為35.6 m，采用箱形斷面，寬3.926 m，高4.5 m，腹板厚0.6 m，頂、底板厚0.5 m。在橋梁中心線處及箱梁支座處設(shè)3道橫隔板，橫隔板厚0.6 m。橫梁頂板和橫隔板設(shè)有進(jìn)人孔。橫梁頂板配置4束15Φs15.2 mm鋼絞線，底板配置6束15Φs15.2 mm鋼絞線，腹板配置8束15Φs15.2 mm鋼絞線，所有鋼絞線1次張拉完成。

主塔基礎(chǔ)采用分離式鉆孔樁基礎(chǔ)。承臺(tái)厚4.0 m，每一承臺(tái)順橋向長(zhǎng)13 m，橫橋向?qū)?2 m。2承臺(tái)間用3道系梁聯(lián)成整體，系梁斷面尺寸為1.5 m(寬)×2.5 m(高)。系梁間設(shè)置3道橫撐，橫撐斷面尺寸為1 m(寬)×1.5 m(高)。塔座厚1.6 m，順橋向長(zhǎng)11.9 m，橫橋向?qū)?.0 m，四角設(shè)1.5 m×1.5 m倒角。每一承臺(tái)下設(shè)9根直徑為1.8 m鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)80 m。

由于未設(shè)置上橫梁，故成橋狀態(tài)下塔柱頂截面(位于橫梁交界位置)在下橫梁自重和鋼箱梁支點(diǎn)反力作用下，會(huì)產(chǎn)生微小轉(zhuǎn)角位移，理論上會(huì)導(dǎo)致塔頂產(chǎn)生約20 mm的內(nèi)側(cè)水平位移，而在橫梁預(yù)應(yīng)力作用下塔頂會(huì)產(chǎn)生約6 mm的外側(cè)水平位移，上述位移在上塔柱施工過(guò)程中應(yīng)予以糾正。

下塔柱、橫梁、承臺(tái)形成框架結(jié)構(gòu)，成橋狀態(tài)下塔柱橫橋向受力取決于橫梁自重、鋼箱梁成橋恒載支點(diǎn)反力和橫梁預(yù)應(yīng)力三者的組合效應(yīng)，故應(yīng)合理選擇橫梁截面及其預(yù)應(yīng)力配置，以使成橋狀態(tài)下下塔柱橫橋向受力處于較優(yōu)狀態(tài)。索塔構(gòu)造如圖2所示。

3.2索鞍

塔頂索鞍座體采用全鑄式肋傳力結(jié)構(gòu)，整體鑄造并吊裝，材質(zhì)為ZG230-450。座體承纜槽寬256 mm，傳力縱肋按單肋設(shè)計(jì)，肋板厚60 mm?？v肋單側(cè)設(shè)置了7道橫向加勁肋并按扇形布置，加勁肋板厚50 mm；并設(shè)置了1道水平加勁肋，其厚35 mm。

圖2　索塔構(gòu)造示意

索鞍座體高度1.535 m，主要考慮主纜與塔頂邊緣之間留有適量間隙(包括施工索鞍偏移狀態(tài))。鞍槽底部為2 275 mm半徑的圓弧槽，超過(guò)主纜與圓弧的切點(diǎn)后，接半徑1 000 mm圓弧段。在槽底和側(cè)壁的端部倒10 mm半徑的圓角以保護(hù)主纜鋼絲。

索鞍座板也采用全鑄結(jié)構(gòu)，座板長(zhǎng)3 300 mm，寬1 860 mm。座板采用肋板結(jié)構(gòu)，順橋向設(shè)置4道橫肋，橫橋向設(shè)置2道縱肋，板肋總高度為200 mm，底板厚50 mm。為便于塔頂混凝土的澆筑和振搗，在座板縱橫肋形成的每個(gè)隔室內(nèi)均開(kāi)設(shè)直徑100 mm的圓孔。塔柱施工時(shí)，塔頂段預(yù)留500 mm，先將座板按監(jiān)控單位提供的標(biāo)高進(jìn)行定位和固定，并對(duì)座板頂面進(jìn)行臨時(shí)防護(hù)，然后澆筑塔頂段混凝土并振搗密實(shí)。座板兩側(cè)通過(guò)10根M48錨栓與塔頂混凝土固結(jié)。

索鞍座體底面與座板頂面需進(jìn)行機(jī)加工，其摩擦系數(shù)不得大于0.1，以便于架設(shè)鋼箱梁時(shí)座體的頂推。為增加主纜與鞍槽間的摩阻力，鞍槽內(nèi)設(shè)置了豎向隔板，待索股全部就位并調(diào)股后，在索股頂部用鋅塊填平，并將鞍槽側(cè)壁用螺栓夾緊。

索鞍座體與座板之間在成橋后通過(guò)側(cè)面和端部角鋼進(jìn)行栓接固定。塔頂索鞍構(gòu)造如圖3所示。

圖3　塔頂索鞍構(gòu)造示意

3.3主纜[3]

濱海大橋采用雙索面結(jié)構(gòu)，單根主纜由19根91絲Φ5.1 mm鍍鋅高強(qiáng)鋼絲組成，鋼絲抗拉強(qiáng)度為1 670 MPa。主纜在索夾內(nèi)空隙率為18%，主纜直徑234 mm；在索夾外空隙率為20%，直徑為237 mm。主纜施工采用預(yù)制平行索股法(PPWS)，架設(shè)時(shí)19束索股按尖頂正六邊形排列，架設(shè)完成后擠成圓形。

索股錨頭采用套筒式熱鑄錨，錨杯上設(shè)有螺紋調(diào)節(jié)索股長(zhǎng)度。錨杯長(zhǎng)380 mm，外螺紋Tr190 mm×8 mm，螺母直徑260 mm。錨杯及螺母材質(zhì)均采用40 Cr。

主纜外表面采用多層長(zhǎng)效防腐系統(tǒng)。主纜經(jīng)壓實(shí)后，在索夾之間的范圍內(nèi)，先用密封膏嵌縫，再纏以Φ3.1 mm的鍍鋅軟質(zhì)鋼絲，最后再涂多層防護(hù)漆。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行了主纜索股破斷荷載的靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明[4]，按破斷荷載拉伸且持荷5 min情況下，試驗(yàn)索絲股無(wú)斷絲，卸載后鑄體及錨具無(wú)異常。主纜構(gòu)造如圖4所示。

圖4　主纜構(gòu)造示意

3.4吊索[3]

吊索采用Φ7 mm預(yù)制平行鋼絲束，外包雙層PE防護(hù)，兩端均采用冷鑄錨。吊索上端設(shè)置耳板與索夾通過(guò)銷軸連接；下端與鋼箱梁通過(guò)球形墊板和球形螺母承壓連接，且下端錨杯上設(shè)有螺紋調(diào)節(jié)吊索長(zhǎng)度。吊索標(biāo)準(zhǔn)間距9.6 m，邊跨短吊索采用91絲，其余均采用73絲。

吊索錨具及耳板材料采用40 Cr。耳板連接銷栓材料采用40 CrNiMoA，耳板厚87和97 mm，銷軸直徑為100和110 mm。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行了吊索破斷荷載的靜載試驗(yàn)、疲勞和防滲漏試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明[4]，按破斷荷載拉伸且持荷2 min情況下，試驗(yàn)索絲股無(wú)斷絲，卸載后鑄體及錨具無(wú)異常。200萬(wàn)次脈沖加載后，試驗(yàn)索護(hù)層無(wú)損傷，兩端錨頭無(wú)裂紋，無(wú)明顯變形，無(wú)異常。在試驗(yàn)索完成疲勞試驗(yàn)后，繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行水密性試驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果表明索體錨頭組件防滲漏符合要求。

3.5索夾

索夾采用銷接式，左右兩半聯(lián)接，壁厚均為35 mm。索夾分2類，一類為吊點(diǎn)處索夾，下端設(shè)有耳板與吊索聯(lián)接，耳板厚度60 mm，兩側(cè)在開(kāi)孔周邊另外加設(shè)10 mm加勁；另一類為緊固索夾。索夾內(nèi)壁半徑117 mm，索夾兩半采用鋸齒形接縫，接縫留有10 mm空隙，以適應(yīng)主纜空隙率與設(shè)計(jì)空隙率不一致引起的主纜直徑誤差。索夾材料采用ZG20SiMn，整體鑄造。

索夾螺桿光面直徑為40 mm，螺紋直徑為42 mm，單根螺桿張拉為55 t。分別在索夾安裝時(shí)、全橋體系轉(zhuǎn)換完成和成橋3個(gè)階段進(jìn)行張拉或補(bǔ)足拉力。

由于濱海大橋主纜索股直徑較小，故為驗(yàn)證索夾的實(shí)際抗滑移性能進(jìn)行了抗滑移性能試驗(yàn)。試驗(yàn)按照實(shí)橋主纜實(shí)際斷面構(gòu)成制作節(jié)段試驗(yàn)?zāi)Ｐ停詫?shí)橋索夾為特測(cè)對(duì)象，用千斤頂?shù)捻斖屏δM索夾的下滑力。根據(jù)多次測(cè)試[5]，得到試驗(yàn)索夾最大摩擦系數(shù)μ約為0.22，而JTG/T D65-05—2015《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定μ取值為0.15[6]，說(shuō)明索夾能滿足原設(shè)計(jì)抗滑移要求。索夾抗滑移試驗(yàn)總體布置如圖5所示。

圖5　索夾抗滑移試驗(yàn)總體布置示意

3.6散索方式

散索套在實(shí)橋中采用較少，大跨徑懸索橋采用散索套的有美國(guó)金門(mén)大橋、丹麥小貝爾特橋，我國(guó)西南地區(qū)小跨徑懸索橋也有散索套的應(yīng)用實(shí)例。散索套會(huì)使邊跨主纜的計(jì)算長(zhǎng)度加長(zhǎng)，邊跨主纜的任何位移或變形將直接反映到主纜索股的錨固結(jié)構(gòu)上。

濱海大橋散索套結(jié)構(gòu)與索夾基本相同，其壁厚35 mm，曲線段散索半徑為2 000 mm。材料采用ZG20SiMn，整體鑄造。

空纜狀態(tài)和成橋狀態(tài)下散索點(diǎn)的豎向位置偏差約30 cm。受錨箱空間的限制，架設(shè)主纜時(shí)，散索套需預(yù)先臨時(shí)固定于成橋狀態(tài)下的設(shè)計(jì)位置，并通過(guò)合理選擇體系轉(zhuǎn)換時(shí)吊索張拉順序來(lái)減小臨時(shí)固定構(gòu)造的受力。待體系轉(zhuǎn)換完成后，拆除臨時(shí)固定構(gòu)造。

3.7主纜錨固設(shè)計(jì)

主纜錨固設(shè)計(jì)是濱海大橋設(shè)計(jì)的一大特點(diǎn)。其設(shè)計(jì)原則包括：1) 減小錨面尺寸以簡(jiǎn)化鋼梁構(gòu)造；2) 集中力傳力直接可靠；3) 錨固集中力有效擴(kuò)散至鋼梁全截面，力的傳遞途徑清晰。

根據(jù)主纜橫向布置，在鋼箱梁外腹板外側(cè)設(shè)置п形錨箱，錨箱中心離鋼箱梁外腹板1.95 m。為確保錨箱受力能傳遞至整個(gè)鋼箱梁截面，在鋼箱梁箱室內(nèi)對(duì)應(yīng)于錨箱位置設(shè)置п形錨梁。錨箱主要由上下蓋板、內(nèi)外腹板、隔板、加勁板焊接而成。其中，腹板厚36和20 mm，順主纜方向長(zhǎng)3.0 m；蓋板厚40 mm。主纜軸向力經(jīng)由錨箱蓋板和內(nèi)外腹板傳至鋼箱梁外側(cè)腹板以及鋼箱箱室內(nèi)錨梁上，軸向力產(chǎn)生的彎矩由錨箱及錨梁上下蓋板承擔(dān)。由有限元模擬分析可知，該結(jié)構(gòu)在各板件交接區(qū)域存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，尤其對(duì)于受拉焊縫(如蓋板與鋼箱外腹板的焊縫)，為減小應(yīng)力集中區(qū)域，必要時(shí)應(yīng)增設(shè)加勁，使受力傳遞范圍更廣。另外，由于錨箱為懸挑結(jié)構(gòu)，錨箱整體變形較大，最大變形達(dá)到了15 mm。

另外，設(shè)計(jì)時(shí)需注意：1) 主纜索股在散索套位置分散為19根索股分別錨固于錨板上，錨箱內(nèi)索股呈發(fā)散狀，故錨箱的腹板應(yīng)順?biāo)鞴煞较虿贾?，且與索股之間應(yīng)預(yù)留足夠的空間，以適應(yīng)活載作用下索股的上下位移；2) 錨板面與中心索股成垂直狀態(tài)，與其它索股必存在夾角，故為保證錨杯的錨圈與錨板垂直傳力，需設(shè)置楔形墊塊；3) 錨板上錨孔不宜與錨板面垂直開(kāi)設(shè)，應(yīng)與各索股的空間角度一致，且錨孔直徑宜大于主纜錨杯外徑5 mm以上。錨箱構(gòu)造如圖6所示。

3.8主梁[7]

濱海大橋上部梁體全部采用鋼箱梁，長(zhǎng)343.6m；中跨位于5 000 m半徑的豎曲線上，兩側(cè)接 2.2%的縱坡。鋼箱總寬43.2 m，設(shè)2%的橋面橫坡，底部平底板寬22.8 m，兩側(cè)斜底板各寬4.45 m。橋梁中線處梁高3.2 m。鋼梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)度9.6 m，全橋共分38個(gè)鋼箱節(jié)段，其中標(biāo)準(zhǔn)段共28個(gè)，分為2種。

圖6　錨箱構(gòu)造示意

鋼箱梁頂面鋼板厚14 mm，頂板U肋間距600 mm板厚8 mm，橫梁間距3.2 m，組成正交異性結(jié)構(gòu)的鋼橋面板。箱梁底板厚12 mm，底板U肋間距800 mm板厚6 mm。箱梁采用單箱3室截面，2道外腹板厚16 mm，間距為31.7 m；2道內(nèi)腹板厚12 mm，間距15.7 m。吊索錨固在橫梁端挑臂上。鋼箱梁斷面布置如圖7所示。

圖7　鋼箱梁橫斷面布置示意

另外，設(shè)計(jì)時(shí)需注意[8]：1) 若鋼主梁采用步履式連續(xù)頂推方案施工，則應(yīng)根據(jù)臨時(shí)墩的布置間距、導(dǎo)梁尺寸等，核算鋼箱梁底板和腹板的局部承壓能力。若需增加臨時(shí)加勁，則宜按永久加勁進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。2) 受主梁縱面制作線型的影響，橫隔板不宜與頂?shù)装宕怪卑惭b，而應(yīng)按鉛垂方向安裝，以保證錨管始終為鉛垂。3) 錨管內(nèi)徑應(yīng)結(jié)合體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中吊索可能產(chǎn)生的最大偏角來(lái)確定，以防止施工過(guò)程中吊索或張拉端錨杯與錨管相沖突。

4結(jié)束語(yǔ)

自錨式懸索橋具有結(jié)構(gòu)獨(dú)特、輕盈美觀的景觀特色，目前在國(guó)內(nèi)已得到較多的應(yīng)用。本文介紹了紹興濱海大橋總體及各部位的設(shè)計(jì)，以及一些關(guān)鍵構(gòu)造的處理措施，可供同類工程參考。

參 考 文 獻(xiàn)

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Introduction of Design of Self-anchored Suspension Bridge in Shaoxing Binhai Bridge

YU Maofeng, SHEN Xiaolei

Abstract:Main bridge of Shaoxing Binhai Bridge is a 3-span continuous semi-floating steel box girder self-anchored suspension bridge. This paper introduces structural features and structural design and treatment measures for key structures of this bridge.

Keywords:self-anchored suspension bridge; steel box grider; design

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.03.017

收稿日期：2016-01-15

作者簡(jiǎn)介：余茂峰(1979-)，男，安徽省桐城市人，碩士，高工。

文章編號(hào)：1009-6477(2016)03-0073-05中圖分類號(hào)：U448.25

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A