揭陽市區(qū)進賢門大橋主橋設(shè)計

周宇，魏朝柱，何海

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510507)

1 工程概況

廣東揭陽市區(qū)進賢門大橋是橫跨榕江北河連接揭陽市揭東區(qū)與空港經(jīng)濟區(qū)的景觀大橋，為提高城市形象，在橋梁方案設(shè)計階段，建設(shè)方增加了景觀設(shè)計環(huán)節(jié)，提出“印象進賢，水上蓮花”的設(shè)計主題，提取進賢樓、蓮花、五行山墻等在潮汕具有特色和代表性的元素融入到大橋的設(shè)計中。

道路等級為城市主干道，設(shè)計速度60 km/h，雙向八車道，主橋橋梁總寬為44.9 m，設(shè)計基本風速為39.4 m/s，設(shè)計基本地震動峰值加速度值為0.15g。

橋址處河寬約230 m，河道較順直，水流較為平緩，航槽內(nèi)最大水深約6.8 m。榕江北河為內(nèi)河Ⅲ級航道，單孔雙向通航可通行1 000 t海輪，通航孔凈寬182 m、凈高18 m。橋址區(qū)屬亞熱帶海洋性氣候，每年7、8、9月6級以上強風占總數(shù)的83%，歷史最大臺風風力11級，風速達28 m/s。

橋址區(qū)基巖覆蓋層主要為粉質(zhì)黏土、淤泥、砂類土、碎石土，厚度為25～75 m；基底由燕山期花崗巖及其風化層組成，巖體一般較為完整，局部較為破碎。

2 主橋設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

進賢門特大橋主橋全長386 m，為(38+50+210+50+38)m無推力中承式提籃拱橋。大橋結(jié)構(gòu)體系可進一步分為下列子結(jié)構(gòu)：主墩、輔助墩、過渡墩墩身及基礎(chǔ)；三角剛架及混凝土梁；鋼箱拱；系桿索、吊桿索；鋼箱梁；連橋；縱向阻尼限位設(shè)備及梁端伸縮縫。橋梁總體布置見圖1。

圖1 橋梁總體布置圖(單位：cm)

橋面整幅布置，全寬44.9 m。橋面橫向布置為：3.5 m人行道+3.2 m拉索區(qū)+15.25 m行車道+1 m中央分隔帶+15.25 m行車道+3.2 m拉索區(qū)+3.5 m人行道。結(jié)合“印象進賢，水上蓮花”的設(shè)計主題，三角剛架上立柱采用中間鏤空的形式設(shè)計成揭陽市花蓮花的花瓣造型，牌樓總體樣式采取潮汕風格的進賢門城樓形式，通過連橋?qū)⑴茦桥c主拱連接在一起。每個過渡墩、輔助墩、前橫梁各設(shè)4個球形支座；鋼主梁端部橫向各設(shè)2個抗風支座；三角剛架前橫梁與鋼主梁之間設(shè)置縱向阻尼器。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 鋼箱拱

主拱結(jié)構(gòu)為平行箱形拱，跨度210 m(含三角剛架前斜腿，鋼拱段跨度162.6 m)，矢高約52.5 m(含三角剛架前斜腿)，主拱矢跨比為1/4.0，拱軸線采用m=1.25的懸鏈線，豎直面布置，拱肋間距34.1 m。

鋼箱拱采用等高度箱形截面，尺寸為寬2.8 m×高3.8 m，頂、底板厚44～32 mm，腹板厚36～28 mm。鋼箱拱沿著橋軸立面分為19個節(jié)段，單節(jié)段最大重量77 t。鋼箱拱節(jié)段設(shè)3～7道橫隔板，普通隔板厚度為20 mm，吊點隔板厚度為30 mm；頂、底板設(shè)3道縱向加勁肋(高度300 mm，厚度30～26 mm，間距700 mm)；腹板設(shè)6道縱向加勁肋(高度300 mm，厚度30～26 mm，間距540 mm)；吊桿錨墊板通過承壓板錨固在內(nèi)徑175、154 mm的錨管上。節(jié)段間鋼箱拱頂板、底板、腹板采用熔透焊接連接，縱向加勁肋采用高強度螺栓連接。鋼箱拱橫斷面圖見圖2。

圖2 鋼箱拱橫斷面圖(單位：mm)

鋼混結(jié)合段分為鋼結(jié)構(gòu)剛度過渡段及鋼包混凝土段，兩段以60 mm厚承壓鋼板為分界，鋼包混凝土段設(shè)置PBL剪力鍵及預(yù)應(yīng)力鋼束。

兩片拱肋通過5道鋼箱橫撐連為一體，鋼箱橫撐采用等腰梯形斷面，上底寬2 231～2 487 mm、下底寬2 108～2 362 mm、高2 670～2 724 mm。橫撐與鋼拱肋間設(shè)整體節(jié)點，整體節(jié)點與橫撐的連接采用全斷面熔透焊接連接。

2.2.2 三角剛架及混凝土梁

三角剛架及混凝土梁由主墩、前后斜腿、邊跨混凝土梁、前橫梁、墩頂橫梁、后斜腿橫梁及系桿索錨固件等結(jié)構(gòu)組成。

主墩斷面為矩形，順橋向8.5 m，橫橋向3.8 m。前斜腿中心線位于拱軸線的起始段，后斜腿中心線采用拋物線，均為矩形截面(其中空心斷面壁厚1 m)，采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。前斜腿截面高度由下端5.8 m漸變至上端鋼混結(jié)合面3.8 m，橋面以下部分寬度3.8 m，橋面以上部分2.8 m；后斜腿截面高度由下端5.8 m漸變至上端與主梁邊箱相接處3.8 m，下緣接入主梁，上緣與主梁以1 m圓弧相接。三角剛架構(gòu)造圖見圖3。

圖3 三角剛架構(gòu)造圖(單位：cm)

邊跨混凝土梁為單箱六室箱梁，為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，在施工過程中分段澆筑。中箱頂板厚32 cm，底板厚30 cm；中腹板厚度由50 cm漸變至80 cm；邊箱頂、底板厚50 cm，腹板厚度由50 cm漸變至65 cm，在橫隔板上設(shè)置高80 cm的拱門形人孔；主梁中心線處梁高348 cm，邊箱梁高318 cm?；炷亮簷M斷面圖見圖4。

圖4 混凝土梁橫斷面圖(單位：cm)

邊跨混凝土梁在前斜腿相交處設(shè)置前橫梁，前橫梁為單箱單室截面，寬4.5 m,梁高在混凝土梁梁底加高25 cm，壁厚75 cm，中部設(shè)置牛腿，頂部設(shè)置伸縮縫預(yù)留槽；在后斜腿相交處設(shè)置后斜腿橫梁，后斜腿橫梁采用單箱單室截面，寬5 m,梁高在混凝土梁梁底加高50 cm，腹板厚1.5 m，底板厚1 m,頂板厚0.52 m；在輔助墩、過渡墩墩頂處設(shè)置墩頂橫梁，采用矩形實心截面，梁高與邊跨混凝土梁相同，其中輔助墩墩頂橫梁寬2.8 m，過渡墩墩頂橫梁寬1.8 m。

系桿在邊跨混凝土梁邊箱內(nèi)采用錨固塊錨固，錨固塊與輔助墩墩頂橫梁做成一體，一處錨固塊錨固6根系桿。

2.2.3 鋼箱梁

中跨主梁采用單箱三室扁平流線形全焊鋼箱梁，主跨主梁全長173.9 m，兩端支撐于三角剛架前橫梁牛腿上。鋼梁橋面總寬44.9 m，行車道設(shè)2%橫坡，人行道平坡，底部保持水平，標準節(jié)段長10.2 m，最大吊重234 t。行車道區(qū)域、拉索區(qū)域、人行道區(qū)域頂板厚分別為16、18、12 mm；底板、斜底板、斜腹板厚10 mm；直腹板厚16 mm。行車道區(qū)域頂板采用縱向U形加勁肋(上口寬300 mm，底寬170 mm，高280 mm，板厚8 mm，間距600 mm)；行車道區(qū)域底板采用縱向U形加勁肋(下口寬500 mm，上底寬255 mm，高260 mm，板厚6 mm，間距1 000 mm)；拉索區(qū)域頂板采用板式縱向加勁肋(高180 mm，板厚16 mm，間距400 mm)；人行道區(qū)域頂板采用板式縱向加勁肋(高140 mm，板厚12 mm，間距400 mm)；斜底板、斜腹板采用板式縱向加勁肋(高120 mm，板厚10 mm，間距450 mm)。鋼箱梁橫斷面圖見圖5。

圖5 鋼箱梁橫斷面圖(單位：cm)

鋼箱梁橫隔板間距為3.4 m，普通橫隔板豎向由上、下兩塊板組成，上板與鋼箱梁頂板一起組裝，上、下板通過加勁肋焊接連接。普通橫隔板上板厚16 mm，下板厚12 mm；拉索區(qū)域橫隔板板厚16 mm，吊點處橫隔板加厚至40 mm。除吊點處橫隔板采用雙面加勁外，其余橫隔板均采用單面加勁。吊索連接耳板與吊點處橫隔板是同一塊板，耳板處頂板預(yù)留槽口，該處頂板加勁肋焊接于橫隔板上。

2.2.4 下部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)

(1)主墩下部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)

主墩單個承臺尺寸為16.5 m(順橋向)×56.278 m(橫橋向)，厚5.0 m。為提高整體性，用系梁將兩承臺連接起來，系梁采用實心混凝土，系梁寬8 m，與承臺等厚為5.0 m。主墩基礎(chǔ)采用3×3×2=18根φ2.5 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，按嵌巖樁設(shè)計。拱座為一個棱形柱，底面為9.8 m(橫橋向)×13 m(順橋向)，頂面為7.8 m(橫橋向)×11 m(順橋向)，厚度為2 m。主墩承臺布置圖見圖6。

圖6 主墩承臺布置圖(單位：cm)

(2)輔助墩及過渡墩下部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)

輔助墩采用左右幅分離的花瓶墩。墩身橫橋向?qū)挾葹?.0～6.2 m，順橋向厚度均為2.5 m，墩頂設(shè)喇叭擴頭。單個承臺平面尺寸為8.2 m×8.2 m，高3 m。單個承臺底樁基采用4根φ2.0 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，按嵌巖樁設(shè)計。

過渡墩采用等截面雙柱墩，橫橋向兩墩中心間距20 m，單個墩身橫橋向?qū)挾葹?.0 m，順橋向厚度為2.2 m，墩頂設(shè)預(yù)應(yīng)力蓋梁。單個承臺平面尺寸為8.2 m×8.2 m，高3 m。單個承臺底樁基采用4根φ2.0 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，按嵌巖樁設(shè)計。

2.2.5 橋面鋪裝

混凝土梁橋面鋪裝采用10 cm瀝青混凝土鋪裝；鋼箱梁采用4.5 cm超高韌性混凝土(STC)+3.5 cm SMA-13組合橋面鋪裝；人行道鋪設(shè)3 cm花崗巖磚，基底采用2 cm環(huán)氧砂漿調(diào)平層。

2.2.6 吊桿索

順橋向吊桿索中心距為10.2 m，橫橋向設(shè)錨點，采用雙側(cè)雙吊形式，兩吊桿索橫向間距為67 cm。吊桿索采用鋼絞線整束擠壓式拉索體系，為HDPE護套索體，上端為鋼絞線整束擠壓錨頭并錨在拱箱拱內(nèi)隔板上，下端橋面錨點為穿銷鉸。

2.2.7 系桿索

系桿索由高強度低松弛環(huán)氧噴涂平行鋼絲制成，外包HDPE保護層，均設(shè)置在主梁箱內(nèi)，單側(cè)箱內(nèi)系桿索根數(shù)為6根。

3 結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)計算分為靜力和動力兩部分。結(jié)構(gòu)整體計算按空間桿系理論采用三維程序Midas進行計算分析,其中混凝土梁采用折面梁格模型模擬；采用板殼單元對鋼箱梁進行仿真分析；采用實體、板殼、梁單元進行全橋仿真復(fù)核分析。

3.1 鋼箱拱應(yīng)力分析

鋼箱拱分析結(jié)果見表1。由表1可知：在基本組合作用下，鋼箱拱應(yīng)力最不利工況是設(shè)計基本風荷載作用工況：拱腳上緣、下緣最大應(yīng)力為81.1、86.7 MPa,最小應(yīng)力為-208.7、-217.0 MPa；四分點上緣、下緣最大應(yīng)力為10.3、45.1 MPa，最小應(yīng)力為-147.0、-123.8 MPa；拱頂上緣、下緣最大應(yīng)力為-42.0、30.5 MPa，最小應(yīng)力為-126.7、-92.6 MPa。最大、最小應(yīng)力滿足規(guī)范±270 MPa的限值要求。

表1 鋼箱拱分析結(jié)果

3.2 三角剛架拱腳處應(yīng)力分析

三角剛架拱腳處應(yīng)力計算結(jié)果見表2。由表2可知：在頻遇組合作用下，后斜腿(拱腳處)上、下緣最大應(yīng)力為-3.1、-2.7 MPa，前斜腿(拱腳處)上、下緣最大應(yīng)力為-1.2、-2.1 MPa，均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范1.995 MPa的限值要求。兩側(cè)前、后斜腿之間不需通過頂推來消除因收縮徐變導(dǎo)致的向內(nèi)位移量，故混凝土梁采用單箱六室整體斷面是合理的。

表2 三角剛架拱腳處應(yīng)力

3.3 鋼箱梁局部受力分析

鋼箱梁局部受力分析結(jié)果見表3。

由表3可知：鋼箱梁最大主壓、主拉應(yīng)力為-118、180 MPa，滿足規(guī)范±270 MPa的限值要求；鋼箱梁最大剪應(yīng)力為72.6 MPa，滿足規(guī)范160 MPa的限值要求。最大主拉應(yīng)力軌跡線穿過系桿孔位置(內(nèi)上)，需加大該系桿孔加勁肋的厚度。

表3 鋼箱梁局部受力分析結(jié)果

3.4 吊桿索、系桿索應(yīng)力分析

運營狀態(tài)下吊桿索應(yīng)力結(jié)果見圖7。

圖7 吊桿索應(yīng)力

由圖7可知：最大應(yīng)力為541.4 MPa；運營狀態(tài)下系桿索應(yīng)力為576.7 MPa。吊桿索、系桿索抗拉強度標準值均為1 860 MPa，因此吊桿索設(shè)計安全系數(shù)為3.4，系桿索設(shè)計安全系數(shù)為3.2，滿足規(guī)范2.5的安全系數(shù)限值。

4 結(jié)論

(1)在橋梁方案設(shè)計階段引進“印象進賢，水上蓮花”的文化主題，將當?shù)鼐哂刑厣痛硇缘脑厝谌氲酱髽虻脑O(shè)計中，使歷史文化、橋梁功能和景觀有效結(jié)合，從而突顯文化內(nèi)涵之美。

(2)拱肋為混合結(jié)構(gòu)，橋面以下采用混凝土拱以利于防船撞和防腐，橋面以上采用鋼箱拱以利于減輕自重及便于吊裝，在橋面處設(shè)鋼混結(jié)合段；主梁采用混合梁，在邊跨和次邊跨采用混凝土箱梁，便于支架施工，增加了邊跨壓重，有利于減少混凝土拱肋的拉應(yīng)力；中跨主梁采用扁平閉口鋼箱梁，便于施工和減輕自重并提高耐久性。

(3)次邊跨主梁在前橫梁處設(shè)置隱藏式牛腿，在牛腿上放置中跨鋼箱梁，有利于減少拱肋及主梁高度，使結(jié)構(gòu)更輕盈優(yōu)美。通過牛腿實現(xiàn)三角剛架與柔性梁之間的銜接，避免拱梁交叉處剛度突變造成的不利影響。

(4)采用實體、板殼、梁單元進行全橋仿真分析，其計算結(jié)果與空間桿系模型基本吻合，各項指標均滿足規(guī)范要求。