白洋長江公路大橋鋼桁加勁梁設計

徐欣，劉琪，彭元誠

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

1 工程概況

白洋長江公路大橋是宜昌至張家界高速公路跨越長江的控制性工程，該橋位于宜昌市境內(nèi)，北岸連接枝江市白洋鎮(zhèn)，南岸連接宜都市陸城鎮(zhèn)，橋位距上游宜昌長江公路大橋約26 km，距下游枝城長江大橋約15 km，按雙向六車道高速公路設計，設計速度100 km/h，整體式路基寬33.5 m。主橋為主跨1 000 m雙塔鋼桁加勁梁懸索橋，組合梁橋面系，白洋岸錨碇采用重力式嵌巖錨，宜都岸錨碇采用淺埋擴大基礎。大橋總體布置見圖1。

圖1 白洋長江公路大橋總體布置(單位：m)

2 鋼桁加勁梁結(jié)構(gòu)設計

2.1 結(jié)構(gòu)體系

結(jié)合橋址處地震烈度不高的特點，設計過程中未采用梁端設置縱向阻尼器的方案，此舉既降低了工程費用，又減少了后期維護工作量。為提高結(jié)構(gòu)剛度、改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)和變形性能，在跨中設置了3對柔性中央扣，同時在梁端設置橫向抗風支座，并以塔連桿替代了傳統(tǒng)的梁端豎向支座。

2.2 主桁

桁高是主桁設計首先需要確定的參數(shù)，通常討論梁高往往以梁的抗彎承載能力為切入點，對梁的高跨比指標做數(shù)學歸納，而針對懸索橋等柔性結(jié)構(gòu)，梁高相對于跨度的分布較離散，并沒有明確的規(guī)律性。在懸索橋體系中，絕大部分的豎向荷載由主纜承擔，梁的加勁作用主要體現(xiàn)在其抵抗扭轉(zhuǎn)的能力，而結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應，尤其是動扭轉(zhuǎn)效應，主要由風荷載產(chǎn)生，同時氣動穩(wěn)定性也是加勁梁設計的控制因素之一，從這個角度出發(fā)，結(jié)合文獻[3]給出的鋼桁加勁梁懸索橋主桁高跨比與橋面高度處設計基準風速的回歸關系，最終將桁高確定為7.5 m，經(jīng)風洞試驗驗證，結(jié)構(gòu)氣動穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

待桁高確定之后，節(jié)間長度、吊桿間距等參數(shù)相應確定，主桁采用帶豎桿的華倫桁架，將節(jié)間長度取為7.5 m，與桁高相同，此時主桁斜腹桿水平傾角45°，有利于主桁的受力和節(jié)點設計，吊桿間距取為2倍節(jié)間長度，即15 m。主桁采用焊接整體節(jié)點，由主桁上弦桿、主桁下弦桿、主桁豎腹桿和主桁斜腹桿組成，主桁上、下弦桿均采用箱形截面，內(nèi)高660 mm，內(nèi)寬660 mm，板厚20 mm，節(jié)點處局部加厚至28 mm；主桁豎、斜腹桿均采用工字形截面，且均各自采用統(tǒng)一類型，僅根據(jù)計算結(jié)果在端部節(jié)段局部加強；所有接頭均按等強連接設計，為減小整體節(jié)點尺寸，提高節(jié)點抗疲勞性能，豎腹桿與整體節(jié)點采用對接式連接，斜腹桿與整體節(jié)點采用插入式連接(圖2)。

2.3 橫向桁架

為滿足布設行車道、硬路肩、防撞護欄、檢修道、吊桿錨固區(qū)等的需要，橫向桁架寬度最終確定為36 m，橫向桁架采用帶豎桿的華倫桁架(豎桿間斷布置)，考慮到橫梁斜腹桿水平傾角最好為40°～55°，故將節(jié)間長度取為6 m。

圖2 鋼桁加勁梁主桁上弦節(jié)點(單位：cm)

橫向桁架設計思路與主桁一致，采用緊湊型焊接整體節(jié)點，所有接頭均按等強連接設計，由橫梁上弦桿、橫梁下弦桿、橫梁豎腹桿和橫梁斜腹桿組成，全橋主桁節(jié)間節(jié)點處均設有橫向桁架。橫梁上弦桿采用變高度箱形截面，底面保持水平以減少節(jié)點和腹桿的類型，端部與主桁上弦桿等高，以2%的橫坡變高至中部，內(nèi)高765.2～1 082.8 mm，內(nèi)寬400 mm，板厚20 mm；橫梁下弦桿采用箱形截面，內(nèi)高400 mm，內(nèi)寬400 mm，板厚20 mm；橫梁豎、斜腹桿均采用工字形截面，一片橫梁的腹桿共劃分為4種類型，各片橫梁保持統(tǒng)一。鋼桁加勁梁標準橫斷面見圖3。

圖3 鋼桁加勁梁標準橫斷面(單位：cm)

2.4 平聯(lián)

平聯(lián)是鋼桁加勁梁抵抗扭轉(zhuǎn)的重要構(gòu)件，上、下平聯(lián)將主桁和橫向桁架串聯(lián)形成的閉合體系具有良好的抵抗扭轉(zhuǎn)的能力。常用的平聯(lián)形式主要有X形撐和K形撐，X形撐對兩側(cè)主桁弦桿的縱向相對位移有一定的約束作用，同時還可以參與主桁受力，提高主桁豎向剛度，K形撐均無以上優(yōu)點，然而相較于主桁自身的豎向剛度，X形撐提供的豎向剛度有限，從簡化平聯(lián)受力狀態(tài)和節(jié)點構(gòu)造的角度出發(fā)，平聯(lián)設計選擇采用K形撐。

設計階段提出了兩種K形撐平聯(lián)方案(圖4)，方案1為兩節(jié)間為一道平聯(lián)，依節(jié)間布置；方案2為3節(jié)間為一道平聯(lián)，錯節(jié)間布置。經(jīng)比較，兩個方案主桁豎向剛度相差不大，方案2較方案1鋼桁加勁梁橫向剛度提高約11%，平聯(lián)用鋼量提高約20%，由于方案2平聯(lián)節(jié)點與橫向桁架節(jié)點重合，更有利于桁架體系的整體傳力，同時也簡化了橫梁弦桿的設計，最終選擇方案2作為該橋的平聯(lián)方案，平聯(lián)采用箱形截面，內(nèi)高400 mm，內(nèi)寬340 mm，板厚12 mm，在桿端漸變?yōu)楣ぷ中谓孛婧笈c節(jié)點通過高強螺栓連接。

圖4 平聯(lián)方案(單位：cm)

2.5 塔連桿

大跨懸索橋在汽車荷載和溫度的共同作用下易在梁端出現(xiàn)較大的負反力，一般的方案是在梁端底部布設拉壓支座，然而從目前中國多座大跨懸索橋的運營情況來看，橋梁支座均出現(xiàn)了不同程度的損壞，對結(jié)構(gòu)的安全運營造成了較大影響，大噸位拉壓支座的更換更是一直以來的技術(shù)難題。

為適應梁端正、負反力和復雜的縱向位移、角位移，采用塔連桿替代了傳統(tǒng)的梁端拉壓支座，塔連桿主要應用于大跨鋼桁加勁梁懸索橋，已在國外多座同類型橋梁中使用，如維拉扎諾海峽大橋(美)、關門大橋(日)、明石海峽大橋(日)等，但在中國國內(nèi)尚屬少見。塔連桿上端鉸接于預埋在塔內(nèi)的伸臂，下端鉸接于主桁上弦桿耳板，拉桿采用工字形截面，長10 m，板厚30 mm，兩端銷軸擋板設計為正六邊形挖空的圓形，配6顆M16高強螺栓，運營期內(nèi)定期將銷軸旋轉(zhuǎn)120°即可使得銷軸與拉桿的接觸面均勻摩擦，保證了塔連桿的耐久性。

2.6 橋面系

橋面系采用鋼-混凝土組合梁，全寬33.5 m，整幅設計，混凝土橋面板通過接縫處鋼縱梁上的剪力釘與鋼縱梁形成整體，接縫采用微膨脹混凝土以改善混凝土收縮對組合結(jié)構(gòu)的不利影響，混凝土橋面板剛度大，與橋面鋪裝結(jié)合良好，較好地規(guī)避了正交異性鋼橋面板易疲勞開裂、橋面鋪裝耐久性一般等問題。

鋼縱梁支撐于橫梁上弦桿頂面，橋?qū)挿秶鷥?nèi)共17道鋼縱梁，橫向間距2.062 5 m，鋼縱梁跨徑與主桁節(jié)間相同，標準跨徑7.5 m，鋼縱梁采用工字形截面，梁高660 mm，上翼板、腹板厚12 mm，下翼板厚14 mm；鋼縱梁間設鋼橫系梁，鋼橫系梁采用非等邊單角鋼，通過高強螺栓與鋼縱梁加勁隔板連接?；炷翗蛎姘宀捎肅50混凝土，分塊預制，單塊預制板寬1.763 m，按縱向長度劃分為5.3、5.6、7.1、7.275 m共4種類型，厚18 cm，在端部加腋處加厚至21 cm。橋面系縱向結(jié)構(gòu)連續(xù)，橋長范圍內(nèi)共7聯(lián)，端部聯(lián)長130.5 m，跨中聯(lián)長135 m，其余聯(lián)長150 m，聯(lián)間設80型伸縮縫。

3 鋼桁加勁梁制造、架設

該橋跨越長江黃金水道，具備使用大型浮運設備施工的條件，鋼桁加勁梁在工廠制造并拼裝成整體后船運至現(xiàn)場利用纜載吊機提升架設，以4個節(jié)間為1個標準節(jié)段，單個標準節(jié)段長29.98 m，節(jié)段長度范圍內(nèi)橋面系鋼縱梁與節(jié)段同步起吊，單個標準節(jié)段(含節(jié)段長度范圍內(nèi)橋面系鋼縱梁)重約450 t，纜載吊機采用550 t級液壓千斤頂提升式纜載吊機。兩岸主塔附近處河床標高較高，鋼桁加勁梁節(jié)段無法由駁船運輸至架設位置垂直起吊，需在兩岸搭設長約75 m的鋼支架，利用纜載吊機蕩移至鋼支架上臨時對位后再調(diào)整精確對位。鋼桁加勁梁架設順序為由跨中向兩岸對稱吊裝，合龍段位于水深條件滿足纜載吊機垂直起吊且距離兩岸最近處。

預制板采用運梁小車配合橋面吊機鋪設，首先由兩岸向跨中鋪設橫斷面中間4塊預制板形成橋面通道，然后再按由跨中向兩岸、由橫斷面中間向橫斷面兩側(cè)的順序依次鋪設預制板。為使鋼桁加勁梁的初始應力達到最小同時又兼顧架設速度，節(jié)段吊裝完成后平均每兩個標準節(jié)段之間設一處臨時鉸，以適應施工過程中節(jié)段間的相對轉(zhuǎn)角，待二期施工完成后再永久連接全部鋼桁加勁梁。

4 結(jié)語

白洋長江公路大橋主橋已于2016年10月開工建設，目前已經(jīng)完成錨碇和主塔的施工，鋼桁加勁梁正在工廠內(nèi)同步制造，大橋預計于2020年10月建成通車。該文對該橋鋼桁加勁梁的結(jié)構(gòu)設計要點和制造、架設方案做了介紹，可為今后類似工程的建設提供借鑒和參考。