黃茅?？绾Ｍǖ拦こ谈邫诟鄞髽驑蛩桨冈O(shè)計

杜 磊，梁立農(nóng)，孫向東，萬志勇，徐德志

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

1 工程概況

黃茅?？绾Ｍǖ榔瘘c位于珠海市平沙前西社區(qū)與鶴港高速公路順接，終點于臺山斗山鎮(zhèn)，與西部沿海高速公路相交，對接新臺高速公路，路線全長31.11km。項目對改變粵西沿海地區(qū)與灣區(qū)核心區(qū)域通道單一的現(xiàn)狀，實現(xiàn)大灣區(qū)經(jīng)濟發(fā)展向粵西和沿海地區(qū)輻射,具有重大意義?？绾６纹矫娌贾萌鐖D1所示。

圖1 黃茅?？绾Ｍǖ揽绾６纹矫娌贾?/p>

項目跨越崖門出海航道東東航道處設(shè)置高欄港大橋。根據(jù)通航條件專題研究成果及航道批復(fù)，東東航道主跨要求不小于700m。這一跨徑結(jié)合自然條件，斜拉橋是最合適的橋型。結(jié)合航道區(qū)域布置及項目跨海段跨徑總體設(shè)計，高欄港大橋跨徑布置為110m+248m+700m+248m+110m=1 416m，邊中跨比為0.51。總體布置如圖2所示。

圖2 高欄港大橋立面布置

2 主要技術(shù)指標(biāo)

(1)公路等級：高速公路。

(2)設(shè)計速度：100km/h。

(3)行車道數(shù)：雙向六車道。

(4)設(shè)計使用壽命：100年。

(5)主橋?qū)挾龋喝珜?0m。

(6)設(shè)計荷載：公路-I級。

(7)設(shè)計通航凈空：東東航道(538m×64m)。

(8)通航水位：最高通航水位+3.320m，最低通航水位：-0.788m。

(9)橋址設(shè)計基本風(fēng)速：US10=46m/s。

(10)區(qū)域地震動峰值加速度為0.10g，地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：通航孔橋E1基準(zhǔn)-100年超越概率10%，E2基準(zhǔn)-100年超越概率4%。

(11)船舶撞擊力：見表1。

表1 高欄港大橋船撞力

3 橋塔設(shè)計方案構(gòu)思及比選

3.1 橋塔設(shè)計方案構(gòu)思

黃茅海跨海通道是推動粵港澳大灣區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、加強灣區(qū)內(nèi)交通聯(lián)系的重大工程之一，建設(shè)目標(biāo)是打造百年平安、綠色、品質(zhì)工程。因此，橋梁的受力性能及景觀要求較高。

橋塔是斜拉橋最為重要的受力構(gòu)件之一，其造型也是彰顯橋梁景觀特色的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此，高欄港大橋的橋塔設(shè)計尤為關(guān)鍵。常規(guī)的橋塔主要有鉆石型、H型、門型、A型、倒Y[1-2]，本項目設(shè)計過程中，創(chuàng)新性地提出了獨柱式纖腰橋塔和A型旋動橋塔兩種方案，如圖3所示。本文對兩種方案及其比選進行介紹[3]。

圖3 高欄港大橋橋塔方案三維模型

3.2 方案一(獨塔型方案設(shè)計)

方案一為獨柱式纖腰橋塔+分體式鋼箱梁方案。塔底截面為圓形截面，直徑18m，在塔底到高程+69.703m(橋面附近)過渡到圓端形截面，尺寸為13m×10m(順橋向×橫橋向)，壁厚2m。高程+69.703m到+169.203m范圍內(nèi)過渡到直徑8.5m的圓形，壁厚由2m過渡到1.5m。高程+169.203m到塔頂范圍內(nèi)過渡到塔頂?shù)闹睆?1m的圓形，壁厚為1.5m。在塔座以上162.09m處截面最小，形成“纖腰”的視覺效果。

圖4 獨柱式纖腰橋塔方案構(gòu)造

獨柱塔豎向呈纖腰，外觀簡潔挺拔，個性鮮明，視野通透，圓形截面橋塔寓意著“圓滿融通”，汲取東方傳統(tǒng)文化“圓融精神”，呼應(yīng)粵港澳大灣區(qū)互聯(lián)互通、共建共享的戰(zhàn)略，凸顯地域特征。結(jié)合橋梁美學(xué)，主塔造型以“圓”為基礎(chǔ)，展現(xiàn)扶搖直上的聚力融合之勢，塑造了簡潔大氣的橋梁景觀。

對于造型新穎的獨柱式纖腰橋塔，材料的選擇較為關(guān)鍵?？晒┻x擇的材料類型有三種：鋼、鋼筋混凝土、鋼混組合。針對三種材料形式進行比較分析，見表2。推薦采用經(jīng)濟性稍好的圓端形混凝土橋塔。

圖5 高欄港大橋獨柱式纖腰橋塔方案效果

表2 橋塔材質(zhì)方案比較

3.3 方案二(A型塔方案設(shè)計)

方案二為A型旋動橋塔+整體式鋼箱梁。主塔采用造型獨特的A型旋動索塔，塔柱為扭轉(zhuǎn)的菱形截面，截面尺寸由塔頂?shù)?0m×8m變化至塔底的14m×12m。變化采用直線形漸變，同時對獨柱截面進行90°扭轉(zhuǎn)，在塔頂以下25m左右范圍融合。

A型塔柱為棱形斷面，風(fēng)阻系數(shù)低，從塔底到塔頂均勻直線型扭轉(zhuǎn)90°，兩塔柱傾斜在塔頂融合成整體。塔柱側(cè)面上的每一條豎直線和橫截面上的每一條邊，在扭轉(zhuǎn)前后均保持直線，而且塔柱的截面變化與內(nèi)力的分布是相互協(xié)調(diào)的。

圖6 A型旋動橋塔方案構(gòu)造

圖7 A型旋動橋塔截面變化

對于A型旋動橋塔，結(jié)合結(jié)構(gòu)構(gòu)造、受力等因素，推薦采用鋼殼混凝土塔[3]。塔柱壁厚1.5m，索塔節(jié)段由內(nèi)外鋼壁板、豎向及水平加勁肋、豎向及水平角鋼、焊釘、鋼筋及混凝土組成。加勁肋開孔后依次穿過豎向及水平鋼筋，形成鋼筋混凝土榫，實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)與混凝土協(xié)同工作。

除受力合理外，A型旋動橋塔也獨具景觀特色。依次排列的A型旋動橋塔較好地順應(yīng)了黃茅海山海相望的自然生態(tài)格局。橋塔整體造型新穎，線條簡潔、剛勁挺拔，充滿力量感，寓意黃茅海跨海通道凝城聚力，向海而生，助力粵港澳大灣區(qū)的發(fā)展永攀高峰。

圖8 A型旋動橋塔節(jié)段構(gòu)造三維模型

圖9 高欄港大橋A型旋動橋塔方案效果

3.4 塔型方案比選

高欄港大橋推薦采用方案一：獨柱式纖腰橋塔+分體式鋼箱梁方案。兩個塔型方案的比選見表3，表中對于豎向撓度，上撓為正，下?lián)蠟樨?fù)；對于縱向變形，負(fù)表示指向跨中，正表示遠離跨中。

表3 高欄港大橋橋塔方案比較

4 推薦方案獨柱塔設(shè)計的關(guān)鍵點

高欄港大橋需克服強臺風(fēng)、高烈度地震、強海水腐蝕、高船撞力等不利的建設(shè)條件，橋塔設(shè)計難度較高。針對以上因素，采取了不同的應(yīng)對措施[4-5]。

4.1 結(jié)構(gòu)縱向結(jié)構(gòu)體系設(shè)計

高欄港大橋縱向結(jié)構(gòu)體系的控制目標(biāo)為：

(1)保證結(jié)構(gòu)在靜力及極限動力荷載作用下的安全度。

(2)改善結(jié)構(gòu)在極限風(fēng)、地震等偶然荷載作用下的內(nèi)力和位移反應(yīng)，減小伸縮縫、支座等裝置的位移量和動力磨損。

在常用的全漂浮體系及塔梁固結(jié)體系的基礎(chǔ)上，從約束裝置在結(jié)構(gòu)使用階段發(fā)生作用的機理出發(fā)，進一步提出永久彈性約束方案和動力阻尼加剛性限位方案共4個方案進行比選。

對于永久彈性約束的剛度值，設(shè)計過程中按1e4kN/m～10e4kN/m分13檔計算，綜合結(jié)構(gòu)受力、彈性索自身承載力富余度等因素考慮，確定彈性索剛度為3e4kN/m[3]。對于動力阻尼加剛性限位方案，每個橋塔處設(shè)4個阻尼器，經(jīng)比選，單個阻尼器的速度指數(shù)α=0.3，阻尼常數(shù)C=3 500kN/(m/s)0.3，剛性限位的限位間隙取45cm，彈簧剛度取400MN/m[6]。

不同結(jié)構(gòu)體系的計算結(jié)果見表4和表5，索塔縱向受力較為不利的工況為百年風(fēng)組合和地震組合。表4所列結(jié)果均為標(biāo)準(zhǔn)組合，考慮承載能力極限狀態(tài)的相關(guān)系數(shù)后，百年風(fēng)組合效應(yīng)均大于E2地震效應(yīng)，為結(jié)構(gòu)縱向受力的控制工況。

表4 不同結(jié)構(gòu)體系在靜力百年風(fēng)荷載+溫度作用下效應(yīng)比較

表5 不同結(jié)構(gòu)體系在E2地震(縱向+豎向)作用下效應(yīng)比較

從比較結(jié)果來看，安裝永久彈性約束裝置或是阻尼加剛性限位裝置可使梁端水平位移、塔頂水平位移及塔底彎矩均較小，相對較優(yōu)。其中，動力阻尼器加剛性限位方式一方面改善了結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，同時能較快地衰減主梁震動，耗能效果要優(yōu)于水平彈性約束。加上剛性限位后結(jié)構(gòu)在縱向極限風(fēng)荷載等作用下的靜力響應(yīng)也大大減小，梁端位移從漂浮體系的1.793m，降低至0.539m，降幅達70%；塔底彎矩從3 011 462 kN·m降低至1 435 251 kN·m，降幅達52%。經(jīng)綜合比較，采用動力阻尼器加剛性限位的結(jié)構(gòu)體系[7-8]。

4.2 結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計

(1)本項目重度鹽霧區(qū)范圍為標(biāo)高+16m以下，此范圍塔身采用硅烷浸漬及環(huán)氧鋼筋。

(2)塔身涂裝體系。索塔涂裝防護體系設(shè)計方案見表6。

表6 索塔涂裝防護體系

4.3 防船撞設(shè)計

4.3.1 防撞護舷設(shè)計

主橋所有承臺設(shè)置固定式復(fù)合材料防撞護舷，性能滿足《公路橋梁防船撞裝置技術(shù)指南》(T/CHTS 20005-2018)相關(guān)要求。橋塔船撞力消能后可降至消能前的81.5%左右。

4.3.2 塔身底部構(gòu)造設(shè)計

在塔底3m范圍內(nèi)設(shè)置實心段，實心段頂部向上11m范圍內(nèi)設(shè)置厚度1m的十字隔板，以抵抗?jié)撛诘木植孔矒袅?。細部?gòu)造如圖10所示。

圖10 塔柱底部構(gòu)造設(shè)計(單位：cm)

5 結(jié)語

針對黃茅?？绾Ｍǖ拦こ谈邫诟鄞髽虻奶攸c，創(chuàng)新性地提出了獨柱式纖腰橋塔和A型旋動橋塔兩種方案，經(jīng)深入比選，高欄港大橋推薦方案采用獨柱式纖腰橋塔+分體式鋼箱梁方案。

針對強臺風(fēng)、高烈度地震、強海水腐蝕、高船撞力等不利的建設(shè)條件,設(shè)計過程中采取了一系列應(yīng)對措施，如動力阻尼器加剛性限位的縱向結(jié)構(gòu)體系；塔身重度鹽霧區(qū)采用環(huán)氧鋼筋以及對塔身設(shè)置合理的涂裝防護體系；承臺設(shè)置防撞護舷、塔身潛在撞擊范圍內(nèi)設(shè)置實心段及防撞隔板等，較好地解決了橋塔設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)問題，可供其他類似工程參考。