柴埠溪特大橋主橋方案設(shè)計(jì)

付 強(qiáng)， 汪 劍， 遲東彪

(中南勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 武漢 430070)

宜都至來(lái)鳳高速公路宜昌段采用雙向4車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)修建，設(shè)計(jì)速度采用80 km/h，路基寬度25.5 m。起點(diǎn)接呼北宜都至漁陽(yáng)關(guān)段漁洋關(guān)互通，在田家屋場(chǎng)附近與宜來(lái)高速鶴峰東段相接。路線全長(zhǎng)約93.6 km。項(xiàng)目區(qū)所處位置為山嶺重丘區(qū)，地勢(shì)陡峻，為山區(qū)高速公路的典型代表。

柴埠溪特大橋位于柴埠溪國(guó)家森林公園(柴埠溪大峽谷風(fēng)景區(qū))東南部，為跨越漁洋關(guān)大鯢省級(jí)自然保護(hù)小區(qū)而設(shè)置。主橋需同時(shí)滿足高速公路和地方道路2種交通功能[1-3]，采用(68+144+480+144+68)m雙塔雙索面鋼混組合梁斜拉橋，全長(zhǎng)904 m。

1 建設(shè)條件

橋位處地形起伏較大，屬亞熱帶大陸性溫濕季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為13.1 ℃，極端最高氣溫為37.1 ℃。百年一遇設(shè)計(jì)基本風(fēng)速為26.3 m/s。橋址區(qū)跨越柴埠溪河，柴埠溪河常年流水，為非通航河道，主要接受大氣降水補(bǔ)給，水量受季節(jié)影響明顯。

路線及兩側(cè)存在巖溶、滑坡、危巖、軟土、紅粘土等不良地質(zhì)現(xiàn)象，橋址區(qū)基巖出露，地層主要為白云巖，溶蝕裂隙發(fā)育的路段巖體較破碎，不良地質(zhì)為巖溶。

橋址區(qū)局部分布有覆蓋層，厚度不大，總體為基巖場(chǎng)地，場(chǎng)地類別為Ⅰ類，“V”形河谷，岸坡陡峭，屬抗震不利地段。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1) 公路等級(jí)：雙向4車道高速公路，單側(cè)預(yù)留雙向2車道二級(jí)公路。

2) 高速公路設(shè)計(jì)速度：80 km/h；二級(jí)公路設(shè)計(jì)速度：60 km/h。

3) 荷載等級(jí)：公路-Ⅰ級(jí)。

4) 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年。

5) 地震動(dòng)峰值加速度：0.05g。

6) 設(shè)計(jì)洪水頻率：1/300。

7) 行車道寬度：高速公路4×3.75 m；地方道路2×3.5 m。

3 總體設(shè)計(jì)

3.1 橋型方案設(shè)計(jì)

柴埠溪大橋橋位跨越典型的深切“V”型溝谷，溝谷上寬約440 m，下寬約50 m，溝谷谷底至路線設(shè)計(jì)標(biāo)高約290 m。橋位處V型溝谷兩側(cè)地勢(shì)均較陡峭，宜都側(cè)自然邊坡坡度近66°，來(lái)鳳側(cè)自然邊坡坡度稍緩，約47°，兩側(cè)邊坡上均難以設(shè)置橋墩。此外，根據(jù)湖北省環(huán)保廳關(guān)于本項(xiàng)目中自然保護(hù)小區(qū)的批復(fù)意見，本項(xiàng)目局部路段(長(zhǎng)度310 m)為省級(jí)自然保護(hù)小區(qū)，橋墩應(yīng)布置在保護(hù)小區(qū)外。對(duì)于主跨310 m以上橋梁，可供選擇的主橋形式主要有斜拉橋、懸索橋和拱橋等橋型方案，通過(guò)綜合比選，最終確定采用斜拉橋方案。

主橋跨徑選擇的關(guān)鍵參數(shù)是塔墩位置，但其主要受地形、地質(zhì)條件等因素控制，同時(shí)需考慮巖溶、滑坡、危巖等不良地質(zhì)現(xiàn)象，在主墩離陡崖邊一定安全距離的前提下確保邊坡穩(wěn)定和橋塔基礎(chǔ)的安全性。此外，塔墩應(yīng)選擇地勢(shì)平緩、開挖方量小的位置，以利于施工場(chǎng)地布設(shè)，降低施工難度。綜合分析后，主橋采用主跨為480 m的斜拉橋方案。

借鑒國(guó)內(nèi)山區(qū)主跨400 m以上斜拉橋設(shè)計(jì)及建造經(jīng)驗(yàn)[4-9]，通過(guò)對(duì)比分析邊中跨比、輔助墩位置及個(gè)數(shù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，本橋采用(68+144+480+144+68)m雙塔雙索面鋼混組合梁斜拉橋，橋型布置如圖1所示。

單位：m

3.2 橋梁平縱斷面設(shè)計(jì)

柴埠溪特大橋受地形、地質(zhì)及路線方案制約，橋位基本唯一。本橋全長(zhǎng)1 344 m，主橋平面處于直線段，宜都側(cè)引橋部分梁段位于半徑1 200 m的圓曲線上，來(lái)鳳側(cè)引橋部分梁段位于半徑1 250 m的圓曲線上。主橋橋面縱坡分別采用1.7%和0.3%，豎曲線半徑為20 000 m。

3.3 橋梁橫斷面設(shè)計(jì)

柴埠溪特大橋主橋需同時(shí)滿足2種交通功能，即設(shè)計(jì)速度為80 km/h的雙向4車道高速公路和設(shè)計(jì)速度為60 km/h的雙向2車道二級(jí)公路。橋面布置可采用荷載橫向?qū)ΨQ布置和荷載橫向不對(duì)稱布置2種形式。荷載橫向?qū)ΨQ布置即將地方道路的上下行分別布置在高速公路的兩側(cè)，該方案主橋橫斷面寬度將達(dá)到42.5 m，且引橋布置出現(xiàn)嚴(yán)重的交通交織，不利于引橋與地方道路的銜接。本項(xiàng)目采用荷載橫向非對(duì)稱布置方案，即將地方道路布置在高速公路的一側(cè)，便于地方道路通行的快進(jìn)快出。地方道路完全利用主橋橋面的引橋并行一段距離后，向現(xiàn)有地方道路順接展線，該方案有利于與現(xiàn)有地方道路銜接，且展線里程較短，線型較好，不影響現(xiàn)有交通組織。

主橋全寬38.9 m，其中高速公路橫斷面寬26 m，行車道寬度為4×3.75 m；地方道路橫斷面寬10 m，行車道寬度為2×3.5 m。主橋橫斷面布置如圖2所示。

3.4 主橋結(jié)構(gòu)體系及壓重形式

結(jié)構(gòu)的支承體系直接影響結(jié)構(gòu)靜力和動(dòng)力兩方面的受力，是影響梁抗風(fēng)抗震性能以及工程經(jīng)濟(jì)的主要因素之一，支承體系的選擇與橋型結(jié)構(gòu)、跨徑布置以及外界條件(風(fēng)速與地震烈度)等密切相關(guān)。

在借鑒國(guó)內(nèi)類似斜拉橋?qū)嵺`經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)全漂浮體系、半漂浮+縱向約束體系、塔梁固結(jié)體系優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行綜合比較，主橋方案采用半漂浮+縱向約束體系：索塔下橫梁處和各輔助墩、交界墩處設(shè)置豎向活動(dòng)支座，橫向設(shè)置抗風(fēng)、抗震支座，用于抵抗風(fēng)荷載及地震荷載作用下的主梁橫向效應(yīng)；每個(gè)索塔下橫梁處設(shè)置帶限位的縱向粘滯阻尼器[10]。其中縱向粘滯阻尼器可控制動(dòng)力風(fēng)、地震、汽車制動(dòng)力等動(dòng)力荷載產(chǎn)生的位移和速度，保護(hù)梁端伸縮縫；當(dāng)溫度、靜風(fēng)和汽車引起的墩梁相對(duì)位移在阻尼器設(shè)計(jì)行程以內(nèi)時(shí)，不約束主梁運(yùn)動(dòng)；超出行程時(shí)，對(duì)主梁產(chǎn)生限位作用。主橋支承體系如圖3所示。

單位：cm

圖3 主梁約束體系布置示意

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在活載作用下輔助墩處支座會(huì)出現(xiàn)負(fù)反力，需要采取措施避免發(fā)生支座脫空現(xiàn)象。為此，在邊跨2個(gè)梁段范圍內(nèi)，利用鋼板封閉橫梁底板成為封閉的鋼箱，采用施工簡(jiǎn)單、工序少、工期短、有利于山區(qū)橋梁施工的鐵砂混凝土壓重。在箱內(nèi)灌注高容重鐵砂混凝土進(jìn)行壓重，壓重荷載900 kN/m。

4 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 主梁結(jié)構(gòu)

主橋主梁采用組合梁，雙工字鋼縱梁梁肋間距38.0 m，梁高3.0 m，組合梁主體結(jié)構(gòu)采用Q420qE。全橋共劃分79個(gè)組合梁梁段，組合梁標(biāo)準(zhǔn)梁段長(zhǎng)12.0 m，邊跨處梁段長(zhǎng)8 m，組合梁共有14種梁段類型。

主縱梁采用工字型斷面。主縱梁頂板寬900 mm、厚36 mm；腹板高2 884 mm、厚36 mm；橋面設(shè)置2道小縱梁，小縱梁梁高300 mm。

橋面板采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，與主梁同寬，標(biāo)準(zhǔn)段厚度為26 cm，邊跨梁段厚度為55 cm。預(yù)制混凝土橋面板長(zhǎng)1 845 cm，寬31.5 cm，厚26 cm，在主縱梁、小縱梁及橫梁頂板區(qū)域設(shè)置橋面板現(xiàn)澆接縫，現(xiàn)澆混凝土與過(guò)鋼梁頂面的抗剪焊釘、預(yù)制板的外伸鋼筋及接縫上的縱橫鋼筋有效地組合成整體?；炷翗蛎姘孱A(yù)應(yīng)力鋼束在邊跨及跨中附近梁段設(shè)置，鋼束型號(hào)15-7。

在組合梁拉索和塔區(qū)支座處等負(fù)彎矩區(qū)，可根據(jù)受力需要設(shè)置抗拔不抗剪的特殊剪力釘，以提高結(jié)構(gòu)的抗裂性和整體性[11]。

4.2 索塔及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

柴埠溪大橋索塔地處V型溝谷兩側(cè)，地勢(shì)均較陡峭，縱、橫橋向坡度均偏大，因此為盡量減小橫橋向承臺(tái)開挖量，索塔下塔柱及其基礎(chǔ)不宜分離，下塔柱宜向內(nèi)收以減小索塔塔底及承臺(tái)尺寸。

主塔采用H形橋塔，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。宜都側(cè)承臺(tái)以上塔高215.0 m，來(lái)鳳側(cè)承臺(tái)以上塔高170.0 m，如圖4所示。塔柱順橋向尺寸7.5 m～15.0 m，上塔柱橫橋向尺寸為4.5 m，中塔柱橫橋向尺寸為5.0 m，下塔柱橫向尺寸為5.0 m～8.0 m。

索塔均采用整體式承臺(tái)，承臺(tái)平面為矩形截面，宜都側(cè)平面尺寸50.0 m×24.6 m，厚6.0 m，承臺(tái)下設(shè)28根直徑3.0 m 鉆孔灌注樁；來(lái)鳳側(cè)平面尺寸45.5 m×24.6 m，厚6.0 m，承臺(tái)下設(shè)24根直徑3.0 m 鉆孔灌注樁。承臺(tái)采用C40混凝土，樁基采用C35混凝土。

(a) 東側(cè)索塔立面及側(cè)面

(b) 西側(cè)索塔立面及側(cè)面

4.3 斜拉索及錨固方式

斜拉索采用Φ7.0 mm高強(qiáng)度低松弛環(huán)氧涂層平行鋼絲HDPE護(hù)套成品索，抗拉強(qiáng)度不小于1 770 MPa，拉索型號(hào)分為L(zhǎng)PES7-187、LPES7-223、LPES7-253、LPES7-283、LPES7-313、LPES7-337、LPES7-367、LPES7-409，斜拉索采用雙層PE護(hù)套，外層PE護(hù)套的顏色根據(jù)景觀設(shè)計(jì)確定。

斜拉索采用平行雙索面扇形布置，斜拉索的錨固在塔端設(shè)置張拉端，梁端為錨固端。梁上索距與主梁節(jié)段長(zhǎng)度一致，為8 m或12 m，橫向間距為38.0 m，塔上索距為2.3 m，全橋共設(shè)4×18對(duì)斜拉索。斜拉索外表面設(shè)置氣動(dòng)措施，并在斜拉索與主梁錨固端設(shè)置阻尼器等。

索塔上拉索的錨固構(gòu)造是將拉索的局部集中力安全、均勻地傳遞到塔柱全截面的重要構(gòu)造。但由于拉索強(qiáng)大的集中力作用，再加上孔洞的削弱及局部受力，該處的應(yīng)力集中現(xiàn)象普遍存在。拉索在索塔上的錨固區(qū)構(gòu)造應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、錨固構(gòu)造要求、施工工藝要求、養(yǎng)護(hù)維修及拉索的更換等各個(gè)方面來(lái)確定。根據(jù)柴埠溪大橋橋塔的形式及拉索的構(gòu)造特點(diǎn)，斜拉索宜錨固在主塔塔柱內(nèi)，在綜合分析比較了環(huán)向預(yù)應(yīng)力、鋼錨梁和鋼錨箱等3種錨固方式后采用鋼錨梁的索塔錨固方式[12]。鋼錨梁具體式樣如圖5所示。

(a) 鋼錨梁立面

(b) B-B剖面

斜拉索索梁錨固節(jié)點(diǎn)是將斜拉橋的上部結(jié)構(gòu)自重和所承受的所有外荷載傳遞到拉索再傳遞到索塔的重要結(jié)構(gòu)。鑒于錨拉板的錨固方式傳力途徑明確[13]，構(gòu)造簡(jiǎn)單，工地施工作業(yè)方便，采用錨拉板作為斜拉索在主梁上的錨固方式[14-15]。斜拉索錨固構(gòu)造如圖6所示。

(a) 錨拉板立面

(b) A-A剖面

5 結(jié)束語(yǔ)

1) 由于柴埠溪特大橋主橋需同時(shí)滿足2種交通功能，因此在橋梁橫斷面設(shè)計(jì)中充分考慮荷載橫橋向非對(duì)稱、橋面較寬等因素，將地方道路布置在高速公路的一側(cè)，主梁以高速公路路線中心線處設(shè)置橫坡變坡點(diǎn)，兩側(cè)分別設(shè)置2%及1.13%橋面橫坡并保證兩側(cè)工字鋼主梁高度一致，可有效改善主梁受力。

2) 由于橋位處地形起伏較大，東側(cè)主塔在下塔柱和承臺(tái)之間增設(shè)塔墩，協(xié)調(diào)兩側(cè)主塔剛度，可有效改善主塔受力，優(yōu)化塔柱斷面尺寸。

3) 主橋結(jié)構(gòu)體系采用半漂浮體系與縱向阻尼限位裝置相組合，可有效改善斜拉橋體系的受力，優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系。