門式獨(dú)塔自錨式懸索橋總體設(shè)計(jì)

文/鄧錦平 謝雪峰 華龍海 黃思勇

1 工程概況

赤水灣大橋位于河北省涉縣赤水灣景區(qū)，上跨清漳河，道路等級(jí)為城市次干道，設(shè)計(jì)速度40 km/h，汽車荷載為城-A級(jí)；設(shè)計(jì)洪水頻率為100 a一遇，橋位處地震動(dòng)峰值加速度為0.1g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.4 s。

2 橋型選擇

2.1 基本原則

1）在滿足橋上使用功能和橋下泄洪、防洪要求的前提下，力求橋梁造型新穎，選用技術(shù)上可靠、經(jīng)濟(jì)上合理和施工上可行的方案。

2）在考慮滿足結(jié)構(gòu)受力安全性的同時(shí)，還要充分重視景觀設(shè)計(jì)，力爭(zhēng)造型美觀，在總體上與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)、配合，將大橋建設(shè)成為標(biāo)志性建筑。

3）考慮百年一遇的洪水控制橋面最高標(biāo)高并且控制橋面縱坡在2%以下，以利于非機(jī)動(dòng)車上下橋。

2.2 方案選擇

清漳河河谷地貌的顯著特點(diǎn)是河漫灘寬度較大且橋位西側(cè)緊鄰219 縣道與將軍大道的平交口，受地形的限制，橋梁距河底不能高太多。綜合建設(shè)方需求及橋位特點(diǎn)，對(duì)獨(dú)塔自錨式懸索橋、下承式鋼桁架拱橋、獨(dú)塔斜拉橋3 個(gè)方案進(jìn)行了綜合比較，最終選擇獨(dú)塔自錨式懸索橋作為本橋的實(shí)施方案，橋塔采用莊重的中式門塔造型，整體顏色采用紅色，見圖1。

圖1 橋梁效果

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 橋型布置

主橋?yàn)楠?dú)塔雙索面自錨式懸索橋，跨徑布置為129 m+40 m+40 m+30 m，全長(zhǎng)239 m，邊跨設(shè)有一個(gè)輔助墩。橋梁上跨主河槽后與現(xiàn)狀劉張公路平交，主跨側(cè)不具備設(shè)置錨跨條件，因此主纜在主跨側(cè)直接錨固在鋼箱梁上。

為降低工程造價(jià)，主跨129 m 加勁梁采用分離式鋼箱梁斷面，40 m+40 m 邊跨及30 m 錨跨采用混凝土整體式箱梁斷面，鋼混凝土結(jié)合面設(shè)置在主跨內(nèi)距主塔中心線3.5 m處。見圖2。

圖2 橋型立面布置

3.2 主梁

主梁順橋向總體布置：125.4 m（鋼箱梁）+3.5 m（預(yù)應(yīng)力混凝土段）+40 m（預(yù)應(yīng)力混凝土梁邊跨）+40 m（預(yù)應(yīng)力混凝土梁邊跨）+30 m（預(yù)應(yīng)力混凝土梁錨跨）。

主跨加勁鋼梁頂面寬32 m，標(biāo)準(zhǔn)斷面為4個(gè)封閉式箱形截面，兩側(cè)外挑2.8 m懸臂，設(shè)1.5%的橋面橫坡，梁底水平，橋梁中線處梁高2.0 m。吊桿橫橋向間距為18 m，錨固于鋼箱梁之間的吊點(diǎn)橫梁上[1]。見圖3。

圖3 鋼梁橫斷面

邊跨為2×40 m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，道路設(shè)計(jì)中線處梁高1.97 m，采用單箱八室斷面，混凝土箱梁腹板與主跨鋼梁腹板一一對(duì)應(yīng)。箱梁頂板寬32 m，底板寬26.4 m，兩側(cè)懸臂各長(zhǎng)2.8 m，與主跨鋼梁外輪廓保持一致，橋面橫坡通過調(diào)整腹板高度實(shí)現(xiàn)。邊跨連續(xù)梁箱梁頂板厚22 cm，底板厚20 cm，跨中腹板厚50 cm，支點(diǎn)處腹板加厚至70 cm。每個(gè)吊桿處均設(shè)置吊點(diǎn)橫梁，寬0.8 m，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。

主纜錨固在主梁上，巨大的纜力通過錨固構(gòu)造傳遞到整個(gè)箱梁斷面，因此錨固構(gòu)造為本橋的關(guān)鍵構(gòu)造[2]。

主跨主纜錨固構(gòu)造采用格構(gòu)式全鋼結(jié)構(gòu)形式，為保證必要的錨固空間，錨固區(qū)鋼箱梁梁高增大為2.5 m。梁端14.8 m長(zhǎng)梁段采用整體式鋼箱斷面。主纜后錨板為100 mm的抗層狀撕裂鋼板，錨板斜置與主纜中線正交。在錨板后面設(shè)置十字交叉的格柵板，與鋼箱梁腹板及頂?shù)装搴附?。見圖4。

圖4 格構(gòu)式全鋼錨固構(gòu)造

邊跨主纜錨固在混凝土箱梁上，錨墊板與錨固端板之間沿主纜軸線距離為5 m。兩板之間設(shè)置φ245 mm×10 mm 索股預(yù)埋鋼導(dǎo)管，在橋梁左右側(cè)對(duì)稱布置。主纜入梁部位采用梁體開槽的做法，根據(jù)散索套與散索鞍基座結(jié)構(gòu)尺寸的不同以及入梁角度的不同分別設(shè)置不同的槽口尺寸。

根據(jù)局部分析計(jì)算模型，鋼箱梁錨固區(qū)總體應(yīng)力狀況均滿足規(guī)范要求，其中錨固區(qū)是應(yīng)力較大的區(qū)域。

為保證鋼箱梁與混凝土之間的可靠連接，平衡結(jié)合段處的彎矩、剪力，在鋼混結(jié)合處設(shè)置一塊60 mm厚的抗層狀撕裂鋼板。過渡段鋼箱梁采用“U”肋上加焊“∏”形加勁的方式，過渡段箱梁長(zhǎng)5.3 m，頂板厚20 mm，底板厚20 mm，腹板厚20 mm。

為保證混凝土梁及鋼梁之間的剪力傳遞，同時(shí)防止鋼板與混凝土之間的剝離，在鋼箱梁頂、底板上加焊PBL傳剪板，腹板延伸段設(shè)有PBL剪力鍵，邊腹板和承壓鋼板上布置了圓柱墩頭剪力釘[3]。見圖5。

根據(jù)實(shí)體分析模型，鋼混結(jié)合段的鋼箱梁部分的整體應(yīng)力水平一般在50 MPa以下，在PBL板與橫隔板以及腹板與橫隔板局部焊接接縫處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，出現(xiàn)149 MPa 的集中應(yīng)力?；炷炼纬ミ吔缍我?yàn)榧s束的影響導(dǎo)致應(yīng)力集中外，均處于6 MPa 以下。鋼混結(jié)合段的混凝土與鋼板連接的角點(diǎn)處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，出現(xiàn)6 MPa左右的拉應(yīng)力，鋼混結(jié)合段的其余部位的應(yīng)力水平均在3 MPa以下。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)在應(yīng)力集中部位增開振搗孔，確保該處混凝土的振搗密實(shí)。

圖5 鋼混結(jié)合段構(gòu)造

3.3 纜索系統(tǒng)

1）主纜。全橋共設(shè)2 根主纜，橫橋向的中心間距為18 m。主纜計(jì)算跨度為121 m+73 m，綜合考慮全橋的剛度并盡量減小主纜錨固對(duì)梁產(chǎn)生的上拔力，通過比選[4]，主跨主纜理論垂度為9.68 m，矢跨比為1/12.5，邊跨主纜理論垂度為3.049 m，矢跨比為1/23.94。主纜采用預(yù)制平行鋼絲索股，每股由127 根直徑為5.4 mm 鍍鋅高強(qiáng)鋼絲組成，鋼絲標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度≮1770 MPa，單根索股平均無應(yīng)力長(zhǎng)度約228 m，最長(zhǎng)索股質(zhì)量5.3 t。每根主纜由19 股索股組成，主纜空隙率在索夾內(nèi)取18%，索夾外取20%，索夾外主纜直徑為296.6 mm。

2）吊桿。因本橋主纜直徑較小，吊索不宜采用鋼絲繩，而采用了平行鋼絲，順橋向間距8 m。每一個(gè)吊點(diǎn)（一個(gè)索夾）設(shè)1根吊索。吊索上端與索夾采用銷接式連接，下端與主梁的連接采用了錨于吊桿橫梁上的套筒承壓式。

3）主索鞍。采用全鑄式結(jié)構(gòu)，鞍槽內(nèi)設(shè)豎向隔板，厚5 mm；鞍槽總寬320 mm。在索股全部就位后，頂部用鋅塊填平，再將鞍槽側(cè)壁用拉桿夾緊。座板頂面在鞍座兩側(cè)設(shè)有縱向?qū)蚶?，保證索鞍頂推不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

4）索夾及散索套。均采用上下對(duì)合的結(jié)構(gòu)形式，用高強(qiáng)螺桿連接緊固。

3.4 主塔設(shè)計(jì)

主塔為鋼筋混凝土門式結(jié)構(gòu)，由下、中、上塔柱及上、下橫梁5 部分組成，均采用C50 混凝土。塔高（從承臺(tái)頂面算起）為57.58 m、橋面以上塔高為45 m，主塔塔柱設(shè)計(jì)為等截面直塔柱，單側(cè)主塔橫橋向?qū)挒?1.2 m、順橋向?qū)挒?.0 m。主塔側(cè)面布置有直徑10 cm、間距3 m的通風(fēng)孔，通風(fēng)孔向外、向下傾斜。

自承臺(tái)頂至下橫梁頂為下塔柱，高10.13 m，單側(cè)主塔橫橋向等寬11.2 m、順橋等向?qū)?.0 m，采用單箱單室截面，壁厚為2 m，塔柱底設(shè)置2.0 m實(shí)體段。

下橫梁頂至上橫梁頂為中塔柱，中塔柱高37.95 m。自上橫梁頂往上14.25 m，單側(cè)塔柱由下塔柱的單箱單室截面變化為4個(gè)2 m×2 m的實(shí)心小柱，小柱最外側(cè)角點(diǎn)與下塔柱對(duì)齊。小塔柱上設(shè)置有2 m厚橫隔板，橫隔板之上，主塔截面又恢復(fù)至單箱單室的截面形式。其中，主纜下的內(nèi)側(cè)塔柱壁厚為2 m，塔柱外側(cè)壁厚0.8 m，順橋向塔柱壁厚0.7 m。小塔柱上方的橫隔板中設(shè)置有人孔，塔柱日常檢修可通過設(shè)置于塔壁的爬梯由此進(jìn)入主塔內(nèi)部。

上塔柱高9.5 m，為主塔景觀裝飾區(qū)，塔頂景觀裝飾采用鋼結(jié)構(gòu)。

3.5 下部結(jié)構(gòu)

橋位處河床質(zhì)屬第四季沉積物，河漫灘沖積物由礫石層和礫石砂層組成，夾有少量含砂黏土，地基承載力比較好。橋梁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁尖置于卵石層中，采用摩擦樁設(shè)計(jì)。橋臺(tái)采用鋼筋混凝土U型橋臺(tái)與清漳河主河槽擋墻順接。

3.6 抗震設(shè)計(jì)

根據(jù)CJJ 166—2011《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，懸索橋?qū)儆诩最悩蛄海笤贓1地震作用下基本無損傷；在E2地震作用下，只可發(fā)生混凝土裂縫開裂過大，截面部分鋼筋進(jìn)入屈服等輕微損傷，地震后不需修復(fù)或簡(jiǎn)單修復(fù)可繼續(xù)使用。

赤水灣大橋?yàn)榭v向漂浮體系，其縱向剛度較小，縱向地震反應(yīng)較大，需要設(shè)置粘滯阻尼器來減少結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，保護(hù)主要受力構(gòu)件[5]。

在塔梁交接處設(shè)置兩個(gè)阻尼力為3200 kN、行程±150 mm的粘滯阻尼器后，橋塔彎矩及剪力均明顯減小，塔頂和梁端位移也明顯減小。

4 施工組織

自錨式懸索橋采用先梁后纜的施工順序，主梁安裝時(shí)采用支架安裝，可利用橋位處的臨時(shí)道路作為支架的基礎(chǔ)[6]。主橋施工順序：主梁、主塔施工→纜索系統(tǒng)施工準(zhǔn)備工作→安裝塔頂施工門架及起重系統(tǒng)→安裝索鞍下座板→吊裝主索鞍→架設(shè)施工貓道→安裝牽引系統(tǒng)及導(dǎo)向滾輪→架設(shè)主纜索股→調(diào)整主纜線形及錨跨拉力→緊纜→安裝索夾、散索套→轉(zhuǎn)換改掛貓道→安裝并張拉吊桿→索夾螺栓緊固→橋面二期恒載施工→安裝張拉吊桿、橋面二期恒載施工期間分階段頂推主索鞍→索夾螺栓緊固→主索鞍鎖定→纜索系統(tǒng)防護(hù)→安裝主纜纜套及檢修道→安裝主索鞍鞍罩→密封鞍罩及錨跨錨室→進(jìn)行纜索系統(tǒng)的統(tǒng)一防護(hù)涂裝→安裝景觀照明及避雷設(shè)施等→拆除貓道。

5 結(jié)語

結(jié)合建設(shè)條件、地形、水文、地震等條件，赤水灣大橋設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)該橋的主梁、主塔、主纜及其錨固方式、抗震性能進(jìn)行了分析研究，為今后類似橋梁的設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。