汕頭市西堤大橋主橋總體設(shè)計方案研究

段銀龍, 劉 琴, 徐東進(jìn)

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

1 概 述

1.1 工程概況

西堤大橋主橋是汕頭市海濱路西延項目中的控制工程，該工程起點在西堤路口對接現(xiàn)狀海濱路，往西跨越礐石橋和梅溪河，沿堤布置，終點近期與建設(shè)中的牛田洋快速通道連接，遠(yuǎn)期繼續(xù)沿堤西延與潮汕環(huán)線相接。西堤大橋的地理位置如圖1所示。

圖1 西堤大橋地理位置示意

西堤大橋跨越梅溪河，是連接汕頭東西城區(qū)的重要通道，同時也作為汕頭市區(qū)快速外環(huán)和快捷內(nèi)環(huán)的聯(lián)絡(luò)線，全長約2.01 km。主橋采用變截面連續(xù)鋼箱梁，跨徑布置為(145+200+122)m，效果圖如圖2所示。由于過江通道資源緊缺，主橋采用左右分幅、上下雙層布置，單幅上層布置3車道，下層布置觀光人行道。

圖2 西堤大橋主橋效果圖

項目所在區(qū)域水系發(fā)達(dá)，屬南亞熱帶季節(jié)風(fēng)氣候，年降雨量1 300～1 800 mm，多集中在4～9月份。橋址區(qū)場地穩(wěn)定，無活動斷裂帶；覆蓋層深厚，主要由第四系人工填土、河流沖積相粉質(zhì)黏土、砂層、海陸交互相軟土、砂層、殘積粉質(zhì)黏土組成。地震設(shè)防烈度為8度，Ⅱ類場地，基本地震動峰值加速度為0.20g。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

(1)設(shè)計行車速度60 km/h；

(2)公路-I級設(shè)計荷載；

(3)設(shè)計洪水頻率P=1/300；

(4)Ⅲ級航道，單孔雙向通航(船撞力10.6 MN)；

(5)地震動峰值加速度0.2g；

(6)基本設(shè)計風(fēng)速41.2 m/s(重現(xiàn)期100年)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 橋型選擇

(1)主橋跨徑選擇。橋位處跨徑制約因素主要有通航、防洪以及自然保護(hù)區(qū)的要求。結(jié)合專題研究，通航凈空要求156 m(寬)×22 m(高)(斜交投影寬度為167.5 m)?？紤]到輪跡線與橋位有一定的夾角及承臺安裝防撞設(shè)施等，主橋跨徑不少于180 m，結(jié)合自然保護(hù)區(qū)的位置及落墩條件，跨徑選擇為200 m。過渡墩位于兩岸淺灘上，水中一孔跨越通航水域，阻水比滿足規(guī)范的相關(guān)要求。

(2)橋型構(gòu)思。針對200 m跨徑，可選擇的橋型有連續(xù)鋼箱梁方案、鋼桁梁方案、斜拉橋方案和懸索橋方案。西堤大橋與礐石大橋空間交叉，存在上跨和下穿的關(guān)系，結(jié)合通航凈空要求，需采用上跨礐石大橋方案。另因橋位處于景觀敏感地段，附近為西堤公園，線路走向為和沿江路平行，大橋的修建會破壞“天際線”，為保證江景一色，應(yīng)盡可能降低建筑物的高度，減小對江景的阻礙，并應(yīng)考慮到與周圍礐石大橋、西堤公園等景觀融合。綜合考慮景觀、文化寓意等因素，最終選擇為大跨連續(xù)鋼箱梁方案，梁高相對矮，線型流暢簡潔，對景觀有利且鋼橋結(jié)構(gòu)較輕有利于抗震。

2.2 主橋總體布置

主橋?qū)嵤┓桨笧?145+200+122)m連續(xù)鋼箱梁(橋型布置如圖3所示)，采用左右幅設(shè)置形式，兩幅間距為1.5 m，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖4所示。東岸引橋考慮工期影響，采用連續(xù)鋼箱梁方案，西引橋不受工期限制，從節(jié)約造價考慮采用30 m預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁。

圖3 西堤大橋主橋橋型布置圖(單位：cm)

圖4 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置圖(單位：cm)

由于主橋的構(gòu)造設(shè)計及施工方法等對結(jié)構(gòu)內(nèi)力或位移有較大的影響，設(shè)計時需兼顧主梁梁高取值、跨中直線段長度、底板混凝土疊合長度及疊合時機(jī)、拆除支架的時機(jī)及橋面鋪裝輕質(zhì)超高性能混凝土(LUHPC)的施工順序等，以改善結(jié)構(gòu)的受力。同時,構(gòu)造設(shè)計時應(yīng)考慮后期施工養(yǎng)護(hù)的便利性。

2.3 鋼箱梁設(shè)計

鋼箱梁全寬13 m，為箱形斷面，腹板間距6 m，跨中梁高5 m，為跨徑的1/40，中支點梁高9 m，為跨徑的1/22.2，主跨跨中段等高段長80 m，梁高變化段按二次拋物線變化。鋼梁采用左右腹板變高形成橫坡，底板水平。腹板外側(cè)外挑4 m寬的觀光人行道。

2.3.1 梁段劃分

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點和施工的便捷性，邊跨鋼梁劃分為S1～S10(S1～S9′)共10個類型，梁段長為9 m、12 m、15 m、18 m梁段；中跨鋼梁劃分為M1～M6共6個類型，標(biāo)準(zhǔn)梁段長為9 m、12 m、15 m、16.5 m及58 m；墩頂梁段類型為SM0。

2.3.2 構(gòu)造尺寸

(1)頂板。鋼箱梁頂板厚度16～30 mm，不同厚度頂板對接時，頂板下緣保持齊平。頂板U肋采用熱軋U肋， U肋高300 mm、上口寬300 mm、下口寬180 mm、厚度為8～10 mm，橫向標(biāo)準(zhǔn)間距580 mm。頂板板肋高度為200 mm，厚度為16 mm。為了提高正交異形橋面板的抗疲勞性能，U肋與橋面板之間采用雙面焊接工藝。

(2)底板。根據(jù)受力需要，底板在順橋向不同區(qū)段采用24～50 mm的不同厚度。支點附近區(qū)域采用32 mm厚度，中跨跨中下緣采用50 mm。不同厚度底板對接時，底板上緣對齊。底板加勁肋采用板式肋，在非疊合區(qū)域，按剛性加勁的原則設(shè)置，板肋尺寸為240 mm×24 mm～320 mm×32 mm，橫向標(biāo)準(zhǔn)間距500 mm。

(3)腹板。鋼梁腹板厚度為16～28 mm，腹板設(shè)置多道縱向加勁肋，縱向加勁肋采用板式構(gòu)造，結(jié)構(gòu)尺寸為180 mm×16 mm～300 mm×28 mm。在兩道橫隔板之間的腹板上設(shè)一道T形橫肋，T肋尺寸根據(jù)不同腹板高度加以區(qū)別，橫肋翼緣及腹板厚度12～16 mm。不同厚度腹板對接時，內(nèi)側(cè)對齊。

(4)橫隔板。橫隔板間距3 m，隔板采用實腹式與V形撐兩種方式，采用2道實腹式隔板間設(shè)2道V形隔板的混合布置方式。結(jié)合人行道的布設(shè)，全橋范圍在人行道面以上部分同類隔板可保持一致尺寸。V形桁式隔板斜撐采用雙肢角鋼。V形斜撐采用節(jié)點板焊接，斜撐中間設(shè)填板。雙角鋼斜撐采用L200 mm×200 mm×14 mm。

在中支點附近高腹板區(qū)域，為解決高腹板的穩(wěn)定問題，在人行道位置高度設(shè)置水平橫隔板，并開設(shè)人孔。

(5)下層人行道。人行道寬4 m，采用間隔3 m的挑臂與14 mm厚面板組成。挑臂端部高300 mm，根部高700 mm，下翼緣采用240 mm×14 mm。面板采用U肋與板肋加勁。

(6)底板鋼-混結(jié)合段?？紤]減薄中支點鋼梁底板厚度，并對鋼梁受壓底板、高腹板穩(wěn)定的有利作用，在中支點兩側(cè)各23.5 m范圍內(nèi)采用鋼梁底板與混凝土結(jié)合，如圖5所示，即在鋼梁底板上澆筑混凝土，使鋼梁與底板共同承擔(dān)荷載。底板采用C50補(bǔ)償收縮混凝土，厚度為0.4～1.0 m，底板及底板縱肋、腹板上設(shè)置焊釘連接件，保證混凝土與鋼梁底板的連接性能。

圖5 底板疊合段示意(單位：cm)

2.4 下部結(jié)構(gòu)

主墩采用整體式承臺、分離式墩柱。整體式承臺尺寸為36.0 m(長)×12.5 m(寬)×5.0 m(高)，端頭為橢圓形，根據(jù)水利主管部門意見，承臺埋入一般沖刷線以下，承臺頂高程-2.5 m。承臺下設(shè)10根D300～D250變截面鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，并設(shè)置永久鋼護(hù)筒，鋼護(hù)筒長度為34 m。墩身為空心薄壁墩，尺寸為850 cm×500 cm，壁厚80 cm。根據(jù)防撞專題意見，最高通航水位以上5 m采用實心段，即墩底實心段長度為10 m；墩頂實心段長度為3 m。

過渡墩采用啞鈴形承臺、分離式墩柱。單個承臺尺寸為9.7 m(長)×9.7 m(寬)×3.5 m(高)，承臺下設(shè)4跟D220鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。墩身為空心薄壁墩，尺寸為700 cm×320 cm，壁厚為60 cm。過渡墩處于非通航區(qū)域，墩底不設(shè)實心段，墩頂實心段高2.5 m。

主墩基礎(chǔ)由地震工況控制設(shè)計，船舶撞擊工況不控制設(shè)計。主墩基礎(chǔ)施工采用雙壁鋼板樁圍堰，主墩采用防撞護(hù)舷。

2.5 抗震體系的選擇

本橋位處軟基深厚，地震烈度高，抗震設(shè)計是必不可少的。對于大跨度橋梁，采用彈性減隔震設(shè)計，結(jié)合相似規(guī)模的結(jié)構(gòu)，常用的抗震體系有橫向摩擦擺支座+縱向黏滯阻尼器、雙曲面摩擦擺支座、彈塑性鋼阻尼支座、球形支座+橫向鋼阻尼+縱向黏滯阻尼器等。以上幾種均為可行方案。結(jié)合橋墩尺寸、梁底支座設(shè)置及工程造價，設(shè)計時重點比較了前兩種方案，經(jīng)過計算分析對比，最終采用橫向摩擦擺支座+縱向黏滯阻尼器方案。

2.6 附屬設(shè)計

鋼箱梁的設(shè)計應(yīng)重視后期運(yùn)營養(yǎng)護(hù)期間的可達(dá)、可檢及可修。鋼箱梁的病害主要包括：鋼箱梁表面的涂裝劣化、鋼材的銹蝕及結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋等[1]。為便于后期養(yǎng)護(hù)及檢修方便，箱內(nèi)設(shè)置照明系統(tǒng)，并設(shè)置檢查車用于運(yùn)送人員及檢修設(shè)備，同時設(shè)置檢修梯，方便檢修人員上下；箱外設(shè)置帶高清攝像頭的機(jī)器人檢修系統(tǒng)，用于常規(guī)檢查。

為提高橋面板的耐久性，橋面鋪裝采用5 cm LUHPC+4 cm厚高黏高彈瀝青混凝土。LUHPC相對于普通的超高性能混凝土(UHPC)，體積穩(wěn)定性好，具有強(qiáng)度高、密度輕及收縮小等特點[2]，橋面鋪裝施工時對結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響較小。

2.7 抗風(fēng)及行人舒適性設(shè)計

大跨度橋梁對風(fēng)荷載作用比較敏感，檢驗風(fēng)荷載響應(yīng)是否在允許范圍之內(nèi)成了大跨度橋梁設(shè)計不可或缺的一部分[3]。大跨徑連續(xù)鋼箱梁剛度小，自重輕，風(fēng)荷載作用下易發(fā)生風(fēng)致振動[4]，包括日本東京灣通道橋(Trans-Tokyo Bay Crossing Bridge)[5]和巴西尼泰羅伊大橋(Rio-Niteroi Bridge)[6]在內(nèi)的多座大跨連續(xù)鋼箱梁橋在施工或運(yùn)營過程中都出現(xiàn)過明顯的渦激振動。橋梁設(shè)計時，通過1∶40主梁節(jié)段模型的風(fēng)洞實驗，研究了兩幅不同主梁間距50 cm、100 cm、150 cm及200 cm時，上下游橋面渦激振動情況，綜合風(fēng)洞結(jié)果和路線設(shè)計情況，選用兩幅間距為150 cm。風(fēng)洞實驗表明：主梁在0°、+3°、-3°三個風(fēng)攻角下的渦振性能，在上游橋面，主梁斷面三個攻角均出現(xiàn)明顯渦激振動，其中+3°攻角振幅最大；在下游橋面，主梁斷面三個攻角均出現(xiàn)劇烈的渦激振動現(xiàn)象，出現(xiàn)了兩個渦振風(fēng)速區(qū)間，振幅超過規(guī)范限值。通過采取封閉欄桿氣動措施，可將渦激振動振幅控制在規(guī)范限值以內(nèi)。

我國人行橋設(shè)計規(guī)范建議結(jié)構(gòu)的基頻要大于3 Hz，這對于大跨徑結(jié)構(gòu)鋼箱梁結(jié)構(gòu)不可能滿足。自由行走的人群步頻分布在1.2～2.40 Hz[7]，根據(jù)德國和法國規(guī)范的敏感頻率范圍評價準(zhǔn)則鎖定敏感頻率范圍，然而通過頻率調(diào)整來滿足振動舒適性要求很難做到?？赏ㄟ^理論預(yù)測的方法分析其人致振動響應(yīng)，通過安裝阻尼裝置，盡可能減少結(jié)構(gòu)處于敏感頻率內(nèi)的模態(tài)和提高結(jié)構(gòu)的阻尼，使結(jié)構(gòu)的最大加速度響應(yīng)能滿足行走舒適性要求。

綜合考慮渦激振動及行人舒適性，最終設(shè)計并安裝了調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)，以提高結(jié)構(gòu)的阻尼，改善行人舒適性及減小風(fēng)振的影響。

3 施工方案

鋼箱梁的施工方案取決于橋位處水深及通航條件、起吊設(shè)備的起吊能力、鋼箱梁的制作場地及運(yùn)輸條件等。本橋設(shè)計時參考同類橋梁的施工技術(shù)，通過方案比選，放棄了傳統(tǒng)的利用橋面吊機(jī)從中支點向兩側(cè)對稱懸臂拼裝及整孔大節(jié)段吊裝方案[8]，選擇了在邊跨及中跨接近中支點區(qū)域搭設(shè)滑移支架，在中跨深水區(qū)域利用浮吊吊裝節(jié)段，通過滑移支架向邊跨滑移。為保證施工期間的通航要求，中跨跨中60 m節(jié)段整體起吊，如圖6所示。采用該方案，無須對邊跨淺灘區(qū)域進(jìn)行疏浚，具有對環(huán)境影響少，受水位影響小，并且工期相對較短等優(yōu)點。

圖6 施工示意圖

4 結(jié)束語

西堤大橋主橋跨域梅溪河和礐石大橋，穿越西堤公園，處于深厚軟基和強(qiáng)震區(qū)，建設(shè)條件復(fù)雜?？傮w設(shè)計兼顧了橋位處通航、防洪、景觀協(xié)調(diào)等各方面的需求，結(jié)合建設(shè)條件，主橋采(145+200+122)m帶懸臂的大跨度變截面連續(xù)梁橋方案，以適應(yīng)周邊環(huán)境及公園慢行系統(tǒng)。該橋設(shè)計采用的高腹板加勁方式、鋼箱梁 U 肋雙面焊接技術(shù)、抗震體系的選用、渦激振動和行人舒適性控制方法、LUHPC橋面鋪裝及施工方案等，可為同類型橋梁的設(shè)計提供借鑒。該橋已完成施工圖設(shè)計，即將開工，計劃工期為30個月。建成后，主跨跨徑將超越在運(yùn)營的崇啟大橋[9]，成為國內(nèi)同類橋梁第一。