杭瑞高速公路洞庭湖大橋主橋設計及關鍵技術研究

曾滿良 王甜 孫秀貴 張晉瑞

（湖南省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，長沙 410200）

大跨度鋼桁加勁梁懸索橋可分為板桁分離和板桁結合2種形式。板桁分離型加勁梁為常用的懸索橋加勁梁，但其橋面系自重及橫向風荷載相對較大，橫向剛度差，造價也往往偏高。板桁結合型加勁梁采用正交異性鋼橋面板與鋼桁梁相結合的設計，而國內外工程實踐表明，正交異性鋼橋面板在運營中易出現鋼橋面疲勞開裂和鋪裝層開裂、車轍、擁包、推擠等病害，在全壽命周期內不得不頻繁維修，維護成本極大，維修導致的交通中斷也造成了巨大的社會成本浪費?；诖?，本文以杭瑞高速公路洞庭湖大橋為背景，提出大跨度懸索橋新型的加勁梁形式—STC輕型組合橋面板桁結合型加勁梁方案。

1 工程概況

杭瑞高速公路洞庭湖大橋位于洞庭湖出口段七里山，東起岳陽，西接君山，是杭瑞高速公路臨湘—岳陽段的控制性工程。主橋為（1 480.0+453.6）m 的雙塔鋼桁梁懸索橋，岳陽側副孔橋為3×60 m的連續(xù)剛構橋，君山側副孔橋為（34.58+4×60.50）m 的連續(xù)箱梁橋，副孔橋上部結構均采用等截面懸澆箱梁。大橋荷載等級為公路I 級，設計速度為100 km/h。主橋加勁梁采用板桁結合型加勁梁，加勁梁全長1 933.6 m，橋面采用STC輕型組合結構。鋼材主要采用Q345qD，君山橋塔左右各5 個節(jié)間主桁弦桿采用Q420qE，上下弦桿內側節(jié)點板還須滿足厚度方向Z35 性能要求，加勁梁用鋼量約3.6萬t。

主纜跨度為（460+1 480+491）m，垂跨比為1/10，2 根纜索平行布置，橫向中心距35.4 m。主纜的通長索股采用175×127φ5.35 mm、抗拉強度1 860 MPa 的平行鋼絲。全橋吊索117對，吊索標準間距為16.8 m，主跨跨中吊索間距為17.6 m。吊索采用鋼絲繩吊索，與索夾騎跨式連接，與鋼桁梁銷鉸式連接。

橋塔采用門形框架式鋼筋混凝土橋塔，兩岸塔高均為203 m。錨碇由下部基礎和上部錨體組成。錨碇下部基礎為支護開挖、深埋擴大基礎；基坑支護結構采用地下連續(xù)墻，其平面外形呈葫蘆形。錨碇上部錨體由上下錨塊、前錨室及散索鞍支墩構成。杭瑞高速公路洞庭湖大橋立面布置見圖1。

2 主梁設計

2.1 鋼桁梁橫斷面形式

鋼桁梁橫斷面上設有2 片主桁，主桁上下弦桿橫向間距等寬，主桁橫向中心距35.4 m。公路橋面設在鋼桁梁上層，橋面設置雙向2%的橫坡、雙向六車道，每側另設3.25 m 寬的應急車道。橫桁采用帶豎桿的華倫式桁架結構，節(jié)間距8.85 m，橫桁斜腹桿水平夾角45.5°。根據風洞試驗結果可知，上弦桿增設風嘴后鋼桁梁的抗風性能顯著提高。為減輕結構自重，風嘴采用輕質復合材料。鋼桁梁橫斷面布置見圖2。

圖1 杭瑞高速公路洞庭湖大橋立面布置（單位：m）

圖2 鋼桁梁橫斷面布置（單位：m）

2.2 主桁桿件

本橋主桁采用帶豎桿的華倫式桁架體系（圖3），桁高9 m，節(jié)間長度為8.4 m，斜腹桿傾角約為47°。主桁上下弦桿均采用箱形截面，內高分別為760，652 mm，內寬均為652 mm。標準梁段上弦桿采用20 mm 厚鋼板，節(jié)點處鋼板加厚至28 mm；下弦桿采用28 mm 厚鋼板，節(jié)點處加厚至32 mm。豎腹桿為H 形截面，斜腹桿采用箱形截面。主桁上弦桿頂板與鋼橋面板采用對接焊焊接，與橋面橫梁（橫肋）采用栓接，形成板桁結合型受力結構。主桁節(jié)段內上下弦桿節(jié)點板與腹桿翼緣板采用熔透焊接，與腹桿腹板采用角焊縫焊接。主桁節(jié)段間采用高強螺栓連接。為方便螺栓施擰，上下弦桿底板設手孔，斜腹桿在靠近拼接位置漸變?yōu)镠形截面［1］。

圖3 主桁節(jié)段立面構造（單位：mm）

2.3 主桁節(jié)點構造

本橋主桁節(jié)點采用全焊接整體節(jié)點構造。整體節(jié)點焊縫密集，焊縫方向交錯復雜，節(jié)點應力集中部位主要在整體節(jié)點板圓弧端部，可用圓弧端應力集中系數表示。該系數和弦桿高度h與節(jié)點板圓弧半徑r的比值相關，h/r越大應力集中越嚴重。因此，該值要求不大于5，本橋設計h/r控制在1.5～2.0。通過加厚節(jié)點板可以消減節(jié)點板的應力集中，研究表明［2］節(jié)點板的厚度不應小于弦桿豎板的1.1倍。因此本橋整體節(jié)點板均采用了加厚設計，加厚值為4～8 mm。為進一步減少節(jié)點的焊接殘余應力，制造中采用了圓弧端焊后打磨和超聲波錘擊工藝。

將主桁上弦節(jié)點板與吊索耳板設計成一塊整體板，制作時須在上弦桿頂板開槽孔以避讓吊索耳板，組裝到位后再將槽孔與上弦節(jié)點板用熔透角焊縫焊接成一體，這樣能顯著提高吊索耳板的疲勞壽命，同時可避免上弦頂板層狀撕裂的風險。

2.4 橫桁及下平聯

橫桁包含上橫梁、橫桁腹桿和下橫梁（參見圖2），在每個節(jié)點處設置1 榀。上橫梁兼作橋面橫梁，采用倒T 形截面，腹板厚20 mm、高732～1 071 mm，翼緣板厚28 mm、寬650～730 mm。上橫梁與上弦桿采用栓接。橫桁外側斜腹桿采用H 形截面，橫桁豎腹桿及內側斜腹桿采用箱形截面，橫桁腹桿均采用高強螺栓連接。為使桿件兩端栓接方便，箱形桿件在端頭漸變成H形截面。下橫梁采用變高度箱梁，箱內高度由652 mm漸變成472 mm，下橫梁兩端與下弦桿等高。

橋下平聯桿件均采用箱形截面，與下弦桿、下橫梁均采用高強螺栓連接。為方便螺栓施擰，桿件端部由箱形漸變成H 形截面。下平聯形式主要為K 形桁架，在君山橋塔、鋼梁兩端及主跨跨中位置采用X 形桁架。

2.5 輕型組合橋面結構

本橋橋面結構的特點為鋼橋面系與STC 層結合形成輕型組合橋面結構，共同參與橋面受力。

鋼橋面系采用板桁結合型正交異性板，鋼橋面板厚 12 mm，車道區(qū)域采用 U 肋加勁，U 肋厚 8 mm、高280 mm、寬300 mm、間距600 mm，其他位置采用板式肋加勁，板肋厚14 mm、高180 mm、間距350 mm。橋面設3 道縱梁，橋面相鄰橫梁之間等間距設置2 道橫肋，橋面縱梁、橫肋均采用倒T 形截面。橋面橫梁、橫肋及縱梁高度設計相同，三者的下翼緣板均采用對接焊相互連接為一體。

STC 層所用的材料為改性活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）。RPC 里密布鋼筋網，澆筑后在鋼橋面板上形成STC 結合層。STC 水膠比為0.16～0.22，彈性模量40.7 GPa，泊松比0.2；采用高溫蒸汽養(yǎng)護后收縮系數為0，徐變系數0.2［3］。不配筋的STC 設計值為：抗彎拉強度17.2 MPa，抗壓強度62.3 MPa，抗軸拉強度8 MPa；配筋的STC 現澆強度、接縫名義彎拉強度分別為26.0，16.9 MPa。

STC施工過程為：鋼梁全橋剛接后，在鋼橋面板上焊接φ13×35 mm 的焊釘［4］，焊釘間距為150 mm，焊釘間布設φ10@37.5 mm帶肋鋼筋網；橫向鋼筋布置在上層，在橋面上澆筑45 mm 厚STC，高溫蒸汽養(yǎng)護，完成輕型組合橋面施工。為確保STC 內不產生較大的次拉應力，STC分塊澆筑時運用等代荷載壓重施工，由壓重引起的成橋后STC次拉應力應低于0.5 MPa。

3 主橋關鍵技術研究

3.1 結構體系

杭瑞高速公路洞庭大橋主橋為全漂浮雙跨雙鉸體系懸索橋，岳陽橋塔和君山錨碇設豎向拉壓支座、橫向抗風支座和大噸位縱向電渦流阻尼器，君山橋塔僅設橫向抗風支座。

岳陽橋塔、君山錨碇拉壓支座的抗壓承載力分別為5，7 MN，其抗拉承載力均為抗壓承載力的10%，縱向位移均為±112 cm，橫向位移均為±2 cm；岳陽橋塔、君山橋塔、君山錨碇的橫向支座抗壓承載力分別為4，8，2.5 MN；縱向位移分別為±112，±100，±112 cm，豎向位移分別為±2，+40（-60），±2 cm。根據大跨度懸索橋梁端變位特征以及工程實踐可知，縱向阻尼器可以明顯減小梁端縱向累積位移。本橋設置的縱向阻尼器為大噸位電渦流阻尼器，其設計噸位為300 t，速度指數為 0.2，阻尼系數為 4 000 kN·s·m-1，縱 向 位 移為±112 cm，降低了約60%的梁端縱向累積位移。梁端伸縮縫采用大型特制的梳齒板伸縮縫，伸縮量為0～224 cm。

為減小非對稱荷載作用下加勁梁的撓度，提高加勁梁縱向位移的復原力，減小正常情況下活載引起的振動以及風荷載和地震荷載引起的加勁梁縱向位移［5-6］，主跨跨中設置5 對柔性中央扣，將主纜與加勁梁固結。本橋中央扣由連接主纜的中央扣索夾、連接加勁梁的斜拉索以及吊耳板組成，基本構造見圖4。

圖4 本橋中央扣構造

根據不設置中央扣、設置3對和5對中央扣這3種工況進行了計算分析，在最不利情況下梁端縱向位移峰值分別為3.31，2.26，2.17 m。由此可見，相對于不設置中央扣，設置3 對和5 對中央扣時梁端縱向位移峰值均可減小30%以上，說明設置中央扣能有效約束加勁梁的縱向位移，顯著提高懸索橋的縱向剛度。設置5 對中央扣時梁端縱向位移峰值最小，梁端伸縮縫的設計難度最低，并能有效提高伸縮縫的使用壽命。

3.2 桁高的選型

鋼桁梁桁高須滿足最少用鋼量、全橋整體剛度等要求［7］，還須滿足結構抗風性能要求?；诖?，本橋通過MIDAS/Civil建立9，10，11 m這3種桁高的鋼桁梁模型，其動力特性見表1?？芍鸿旄咴黾?，結構的豎向基頻增大、橫向基頻減小，但變化幅度均很小，說明桁高對加勁梁的整體剛度影響較小。原因是懸索橋跨徑越大，豎向剛度越不依賴于加勁梁截面幾何剛度，而主要與恒載重量提供的“重力剛度”有關，表現為恒載越大，主纜的拉力越大，重力剛度也越大［7］。桁高9 m 增至10 m 時，扭彎頻率比增幅為4.5%；桁高10 m增至11 m 時，扭彎頻率比增幅為3.0%，說明增加桁高后結構的抗風性能略有改善，但影響不大。因此，桁高由最少用鋼量指標控制，桁高9 m 時結構總體用鋼量較少。風洞試驗結果表明，桁高9 m 的鋼桁梁的抗風性能滿足要求，因此本橋采用9 m桁高。

表1 不同桁高對應的結構動力特性

3.3 輕型組合橋面應用

由于使用正交異性板經常遇到鋼結構疲勞開裂及鋪裝層易損壞的問題［8-10］，本橋橋面結構選型時經過詳細的調研，最終選用STC 輕型組合橋面結構。文獻［11-13］表明該橋面結構能顯著提高橋面的局部剛度，從而有效減少橋面病害問題。

基于STC 輕型組合橋面結構特點建立ANSYS 有限元節(jié)段模型，經計算分析可知，與常規(guī)的正交異性橋面結構相比，輕型組合橋面結構的U 肋與橋面板焊縫疲勞應力降幅為85%，橫隔板焊縫疲勞應力降幅為40%，鋼橋面板、U 肋母材的疲勞應力降幅均大于50%。理論上這些部位將不再出現疲勞問題，U 肋弧形切口應力降幅最小為20%，仍可能出現疲勞損壞。為驗證本橋橋面結構的性能，在疲勞設計應力幅下對橋面結構足尺模型進行了592 萬次循環(huán)加載試驗，發(fā)現U 肋弧形切口等部位均沒有損壞跡象，已超過試驗預期的500 萬次。因此，該橋面結構在全壽命周期內視為難開裂構件，可應用于本橋的橋面結構體系中。

3.4 組合橋面板桁結合體系

板桁結合型加勁梁的鋼橋面板與主桁上弦桿結合成一體，設計可考慮板桁結合共同作用［14］，鋼橋面板作為加勁桁梁上弦桿截面的一部分，同時起到橋面板、桁梁上弦、平縱聯的作用。板桁結合型加勁梁避免了板桁分離型加勁梁需設置橋面系支座及伸縮縫的弊端，減少了養(yǎng)護維修的工作量，減輕了結構自重，是近幾年發(fā)展起來的加勁梁結構形式［15］。由于鋼橋面系板桁結合型加勁梁存在疲勞的隱患，本文提出了輕型組合橋面系板桁結合型加勁梁設計方案。為定量分析采用板桁結合型加勁梁的經濟性，同等深度設計了在輕型組合橋面系下板桁結合型加勁梁和板桁分離型加勁梁2 個方案進行對比研究。當2 種方案桿件應力相當時，因分離型加勁梁重心低于板桁結合型加勁梁，致使分離型加勁梁上弦桿承受了更大的內力，其尺寸明顯增大，而下弦桿尺寸略微減小，其余桿件可保持不變。板桁結合型加勁梁比板桁分離型加勁梁用鋼量節(jié)省12.8%，同時由于恒載減少，主纜用鋼量節(jié)省5.9%，吊索用鋼量節(jié)省5.2%。因此板桁結合型加勁梁可節(jié)約建筑安裝工程費約1.1億元。

3.5 加勁梁制造和架設技術

本橋主桁片采用整體焊接技術，桿件的對接焊縫多，制造時采用桁片翻身工藝，避免了主桁仰位對接焊，提高了焊縫的焊接效率和質量。U 肋弧形切口采用倒圓角工藝，并對U 肋焊縫的起熄弧位置、焊接方向、焊后打磨均提出嚴格要求，這些措施可增強橋面焊縫的抗疲勞性能。

本橋通航及運輸條件優(yōu)越，為提高制造及吊裝的工效，鋼梁采用工廠整節(jié)段制造。全橋共有118 個制造梁段，標準梁段長16.8 m。標準梁段起吊質量310 t，最大起吊質量475 t，均采用跨纜索吊機吊裝。

本橋架設方案首次提出應用懸索橋鋼桁加勁梁多節(jié)段窗口剛接法架設技術。該架設方案工藝原理［16］是利用加勁梁吊裝階段和吊裝后階段必然出現無應力剛接窗口，并對剛接窗口內的梁段提前實現無應力鉸固轉換。采用該技術方案加勁梁架設與加勁梁鉸固轉換可同步進行，全橋僅設53 個臨時鉸，并在加勁梁合龍前完成所有加勁梁臨時鉸體系的轉換，有效提高了加勁梁架設效率。從吊裝到全橋剛接僅歷時4個月，節(jié)約工期約3個月。

4 結論

杭瑞高速公路洞庭湖大橋在結構選型、高性能材料應用、施工技術等方面取得了一系列創(chuàng)新技術成果：

1）在超千米級懸索橋中采用STC 輕型組合橋面結構，既合理利用了新材料的高強性能，又可避免正交異性板疲勞開裂的風險。

2）在懸索橋中提出并應用輕型組合橋面板桁結合型加勁梁，既降低了加勁梁用鋼量，又節(jié)省了結構造價。

3）在加勁梁架設中提出應用懸索橋鋼桁加勁梁多節(jié)段窗口剛接法架設技術，加快了加勁梁的架設進度。

杭瑞高速公路洞庭湖大橋于2013年10月25日全面開工建設，2018年2月1號已建成通車。