東吾洋特大橋矮塔斜拉橋設(shè)計(jì)

■俞 冠

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350004）

1 工程概況

東吾洋特大橋位于寧德市霞浦縣溪南鎮(zhèn)東吾洋海域，起于東沖半島，跨越東吾洋海域后于東安島登陸。 通航孔橋采用跨徑（100+2×180+100）m 的矮塔斜拉橋， 深水區(qū)非通航孔橋采用90 m 鋼混組合梁， 淺灘區(qū)非通航孔橋采用50 m 預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，通航孔橋全長(zhǎng)560 m，橋梁全長(zhǎng)2550 m，矮塔斜拉橋橋型布置如圖1 所示[1]。

圖1 橋型布置示意圖

東吾洋特大橋是國(guó)高網(wǎng)寧德至上饒高速公路的控制性工程。 本項(xiàng)目建設(shè)對(duì)完善福建省境內(nèi)國(guó)家高速公路網(wǎng)，建設(shè)寧德環(huán)三都澳港區(qū)集疏運(yùn)體系，加快濱海旅游資源開(kāi)發(fā)，改善行車條件、落實(shí)國(guó)家精準(zhǔn)扶貧戰(zhàn)略， 促進(jìn)原閩東蘇區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高國(guó)防交通綜合保障能力等具有重要意義[1]。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主梁

主橋?yàn)檎w式斷面，橋面寬28.1 m。 橋面寬度構(gòu)成為：0.5 m 防撞欄桿+11.75 m 車行道+0.5 m 防撞欄桿+2.6 m 中央分隔帶+0.5 m 防撞欄桿+11.75 m 車行道+0.5 m 防撞欄桿=28.1 m，橋塔和斜拉索設(shè)置在中央分隔帶內(nèi)。標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖2 所示。

圖2 主梁斷面

主梁為單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。 梁高由3.0 m 按二次拋物線漸變至5.8 m。 箱梁劃分為0～27 號(hào)梁段，其中0 號(hào)梁段長(zhǎng)12 m，1～2 號(hào)梁段長(zhǎng)3.0 m，3～24 號(hào)梁段長(zhǎng)3.5 m，25 號(hào)合龍段長(zhǎng)2.0 m，26～27 號(hào)邊跨現(xiàn)澆梁段長(zhǎng)8.76 m。 變高曲線段單側(cè)長(zhǎng)84 m，等高直線段單側(cè)長(zhǎng)10.76 m，跨中等高直線段長(zhǎng)2.0 m。箱梁頂寬28.1 m，懸臂單側(cè)長(zhǎng)4.9 m，跨中箱梁底寬17.327 m，根部箱梁底寬15.928 m。 箱梁頂板厚28 cm，其中中室頂板加厚為60 cm，底板厚度在箱梁根部為110 cm，漸變至跨中、邊跨等高度梁段處為32 cm。對(duì)于外側(cè)斜腹板，在0～6 號(hào)梁段處厚度為100 cm， 在7 號(hào)梁段處腹板厚度由100 cm 漸變至80 cm， 在8～14 號(hào)梁段處厚度為80 cm， 在15 號(hào)梁段處腹板厚度由80 cm 漸變至60 cm，在16～26 號(hào)梁段處厚度為60 cm，在27 號(hào)梁段處腹板厚度由60 cm 漸變至80 cm。 對(duì)于內(nèi)側(cè)直腹板，在1～14 號(hào)梁段處厚度為60 cm，在15 號(hào)梁段處腹板厚度由60 cm 漸變至40 cm， 在16～26 號(hào)梁段處厚度為40 cm， 在27 號(hào)梁段處腹板厚度由40 cm 漸變至60 cm。 0 號(hào)梁段處中室為實(shí)心段。

懸臂施工最大節(jié)段重量約405 t， 斜拉索在主梁上間距7 m，錨固在箱梁中室內(nèi)，相應(yīng)位置設(shè)置1道橫隔板，邊、中室橫隔板厚分別為40 cm、65 cm。

2.2 主塔

塔設(shè)計(jì)為“魚”造型，體現(xiàn)了寧德“大黃魚之鄉(xiāng)”的城市文化。 塔為3 座，每座橋塔造型尺寸相同，每座橋塔表面包含凹凸的造型設(shè)計(jì)，襯托出魚的主要輪廓，體現(xiàn)魚躍出水面的動(dòng)感姿態(tài)，整體呈流線型，展現(xiàn)出了現(xiàn)代橋梁的結(jié)構(gòu)美。

主塔構(gòu)造如圖3 所示， 為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橋塔主體高33.5 m，與主梁固結(jié)，采用矩形實(shí)心變截面，布置在中央分隔帶上。 相較于等截面橋塔，采用“魚”造型的變截面，橋塔承載能力得到了提高。 塔身上部設(shè)置可換索式鞍座，以便拉索通過(guò)。 斜拉索橫橋向呈2 排布置，鞍座亦對(duì)應(yīng)設(shè)置2 排。

圖3 橋塔構(gòu)造

2.3 斜拉索

斜拉索采用單索面、扇形、雙排布置在中央分隔帶上，每個(gè)塔上設(shè)有9 對(duì)18 根斜拉索，全橋共54根。 邊跨無(wú)索區(qū)長(zhǎng)18.5 m， 塔根單側(cè)無(wú)索區(qū)長(zhǎng)25.5 m，中跨無(wú)索區(qū)長(zhǎng)17.0 m。 斜拉索梁上縱向索距7.0 m， 塔上橫向索距1.0 m， 塔上豎向索距1.2 m。 斜拉索在塔頂連續(xù)通過(guò)分絲管，兩側(cè)對(duì)稱錨于梁體。 斜拉索采用61φs15.2 mm 鋼絞線斜拉索體系及其配套錨固張拉系統(tǒng)。

斜拉索在塔上的錨固方式采用鋼絞線斜拉索在塔上通過(guò)集束鋼管貫通（索鞍）錨固方式[2]。 主要構(gòu)造是采用焊接集束分絲鋼管（整體埋置在塔柱混凝土中）， 將每束鋼絞線與分絲鋼管一一對(duì)應(yīng)穿過(guò)索塔。 鋼絞線在分絲管索鞍端部設(shè)置抗滑裝置，以阻止鋼絞線在不平衡索力作用下的滑移趨勢(shì)。

2.4 分絲管索鞍

采用分絲技術(shù)索鞍，索鞍中的導(dǎo)向鋼管由小鋼管組焊而成，即拉索中每一根鋼絞線穿過(guò)相應(yīng)的導(dǎo)向鋼管，形成分離布置，互不干涉。 所有鋼管均按設(shè)計(jì)在工廠制作成型。 索鞍應(yīng)能承受拉索的徑向壓力及橋塔兩側(cè)索體的不平衡力，并能安全地將拉索的轉(zhuǎn)向合力傳遞給索塔結(jié)構(gòu)。

斜拉索在塔上采用單側(cè)雙向抗滑錨固裝置，能有效克服橋梁運(yùn)營(yíng)期間拉索兩側(cè)的不平衡力，且可方便實(shí)現(xiàn)單根換索。

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 結(jié)構(gòu)分析模型

全橋采用空間桿系計(jì)算分析程序Midas 進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，全橋主梁、橋塔、橋墩離散為梁?jiǎn)卧?，斜拉索采用桁架單元模擬。 結(jié)構(gòu)離散圖如圖4 所示。橋梁施工方式采用掛籃懸臂現(xiàn)澆，按掛籃懸臂澆注混凝土、張拉預(yù)應(yīng)力鋼束、張拉斜拉索、掛籃前移、邊跨現(xiàn)澆段支架現(xiàn)澆、對(duì)稱合龍邊跨、合龍中跨、二期恒載、通車運(yùn)營(yíng)等施工流程劃分計(jì)算階段，對(duì)結(jié)構(gòu)在施工階段及運(yùn)營(yíng)階段均進(jìn)行了驗(yàn)算。

圖4 結(jié)構(gòu)離散圖

3.2 結(jié)構(gòu)剛度

本橋上部箱梁采用C60 砼，撓度長(zhǎng)期增長(zhǎng)系數(shù)ηθ=1.4。 跨中主梁豎向撓度為：ηθf(wàn)max=71.8 mm＜L/600=300.0 mm，滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的剛度要求。 邊跨主梁豎向撓度為：ηθf(wàn)max=28.1 mm ＜L/600=166.7 mm，滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的剛度要求。 主梁活載最大下?lián)隙仁疽馊鐖D5 所示。

圖5 主梁活載最大下?lián)隙仁疽?/p>

3.3 主梁應(yīng)力

3.3.1 持久狀況正常使用極限狀態(tài)箱梁正截面抗裂驗(yàn)算

由圖6、圖7 結(jié)果可知，在頻遇組合下混凝土箱梁上下緣（考慮預(yù)應(yīng)力折減后）均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，箱梁滿足規(guī)范正截面抗裂要求。

圖6 頻遇組合下主梁上緣應(yīng)力

圖7 頻遇組合下主梁下緣應(yīng)力

3.3.2 持久狀況正常使用極限狀態(tài)箱梁斜截面抗裂驗(yàn)算

由圖8 結(jié)果可知，在不考慮豎向預(yù)應(yīng)力筋的情況下， 混凝土箱梁斜截面的最大主拉應(yīng)力為1.00 MPa，滿足規(guī)范σtp≤0.4ftk=1.14 MPa 的應(yīng)力限值的要求。

圖8 頻遇組合下主梁主拉應(yīng)力

3.3.3 持久狀況正常使用極限狀態(tài)箱梁正截面最大壓應(yīng)力驗(yàn)算

由圖9、圖10 可知，混凝土箱梁正截面受壓區(qū)混凝土的最大壓應(yīng)力為18.34 MPa， 滿足規(guī)范σkc+σpt≤0.5fck=19.25 MPa的應(yīng)力限值的要求。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)組合下主梁上緣正應(yīng)力

圖10 標(biāo)準(zhǔn)組合下主梁下緣正應(yīng)力

3.3.4 持久狀況正常使用極限狀態(tài)箱梁斜截面主壓應(yīng)力驗(yàn)算

由圖11 結(jié)果可知，混凝土箱梁斜截面最大主壓應(yīng)力為18.64 MPa，滿足規(guī)范σcp≤0.6fck=23.1 MPa 的應(yīng)力限值的要求。

圖11 標(biāo)準(zhǔn)組合下主梁主壓應(yīng)力

由持久狀況正常使用極限狀態(tài)箱梁正截面抗裂、 最大壓應(yīng)力及斜截面主壓應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果中可知，與南盤江及大連長(zhǎng)山矮塔斜拉橋計(jì)算分析結(jié)果相似，位于索塔附近的主梁應(yīng)力相對(duì)較大，可能成為設(shè)計(jì)的控制因素，應(yīng)予以重視[2]。

3.3.5 施工階段短暫狀況應(yīng)力驗(yàn)算

由圖12～15 可知，混凝土箱梁的施工階段短暫狀況出現(xiàn)最大拉應(yīng)力為0.86 MPa， 最大壓應(yīng)力為16.28 MPa， 均滿足規(guī)范σtct≤1.15ftk′=3.28 MPa、σtcc≤0.7fck′=26.95 MPa 的應(yīng)力限值的要求。

圖12 施工階段主梁上緣最大拉應(yīng)力

圖13 施工階段主梁下緣最大拉應(yīng)力

圖14 施工階段主梁上緣最大壓應(yīng)力

圖15 施工階段主梁下緣最大壓應(yīng)力

通過(guò)對(duì)施工階段應(yīng)力分析可知，結(jié)果滿足規(guī)范要求。 本文矮塔斜拉橋采用掛籃懸臂現(xiàn)澆的施工方式，節(jié)段分為2 種長(zhǎng)度，即分為3.5 m 或3 m，主梁梁段序號(hào)從0～27 號(hào)。 本橋梁段多、工序繁雜，需要重視施工階段的應(yīng)力分析，通過(guò)控制好施工應(yīng)力來(lái)達(dá)到良好的成橋狀態(tài)。

3.4 橋塔計(jì)算分析

本橋索塔各個(gè)截面上、 下緣在施工階段均受壓， 索塔下部截面在運(yùn)營(yíng)階段由于不平衡力作用下，出現(xiàn)了一定的拉應(yīng)力[3]。 對(duì)索塔按鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行配筋， 分別對(duì)3 個(gè)索塔的底部截面、變化截面及各個(gè)拉索位置截面進(jìn)行了驗(yàn)算。 經(jīng)驗(yàn)算，配筋率、截面承載能力、裂縫等計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，安全系數(shù)均大于1.9。 受篇幅所限，僅列出1 號(hào)塔距塔底2.5 m 變截面處的驗(yàn)算結(jié)果：γ0Nd=109648.7 kN，Nud=216986.5 kN，滿足規(guī)范要求， 安全系數(shù)1.98；γ0Nd·e′=130058.0 kN·m，Mud′=1205850.0 kN·m，滿足規(guī)范要求，安全系數(shù)9.27；e0/h=0.207≤0.55，可不進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算。

3.5 斜拉索應(yīng)力分析

根據(jù)規(guī)范要求提取模型結(jié)果信息，基本組合下斜拉索最大應(yīng)力為1064.8 MPa，小于規(guī)范規(guī)定的允許值1890 MPa，安全系數(shù)均大于1.7，滿足規(guī)范要求。 活載作用下斜拉索疲勞應(yīng)力幅值最大為10.21 MPa，小于80 MPa，滿足規(guī)范要求。

相較于一般斜拉橋 （疲勞應(yīng)力幅范圍為43～108 MPa），矮塔斜拉橋的疲勞應(yīng)力幅較小，一般小于50 MPa[4]。根據(jù)規(guī)范可知，矮塔斜拉橋拉索的容許應(yīng)力大于一般斜拉橋， 拉索的利用率得到了提高。 拉索的疲勞應(yīng)力幅與容許應(yīng)力值是矮塔斜拉橋與一般斜拉橋的重要區(qū)別點(diǎn)[5]。 這也是在相同跨徑下， 與一般斜拉橋相比矮塔斜拉橋橋型的優(yōu)勢(shì)之一。

4 結(jié)語(yǔ)

矮塔斜拉橋具有連續(xù)梁橋及斜拉橋的特點(diǎn)[6]，本文通過(guò)東吾洋特大橋通航孔橋的設(shè)計(jì)與計(jì)算分析， 充分體現(xiàn)了矮塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)性能及受力特征，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面，可為今后類似的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一些參考：

（1）相較于連續(xù)梁，矮塔斜拉橋主梁高度一般為其0.5 倍左右，更加輕盈、美觀，橋塔造型的設(shè)計(jì)、拉索布置形式的多樣化使得矮塔斜拉橋更富有美學(xué)景觀。 本文橋塔設(shè)計(jì)為“魚”式造型，不僅展現(xiàn)出了現(xiàn)代橋梁的結(jié)構(gòu)美，更蘊(yùn)含了寧德“大黃魚之鄉(xiāng)”的城市文化氣息。

（2）相較于一般斜拉橋，矮塔斜拉橋拉索的疲勞應(yīng)力幅較小，多在50 MPa 以下，東吾洋特大橋矮塔斜拉橋拉索的疲勞應(yīng)力幅也較小，最大僅為

10.21 MPa。

（3）橋塔位置附近主梁的壓應(yīng)力相對(duì)較大，可能會(huì)成為影響計(jì)算結(jié)果是否符合要求的重要方面，應(yīng)予以重視，采用調(diào)整鋼束、斜拉索等合理措施改善結(jié)構(gòu)受力。

（4）由于橋墩較高，本橋采用塔、梁、墩固結(jié)的結(jié)構(gòu)體系，相較于連續(xù)體系，節(jié)省了大噸位支座，節(jié)約了造價(jià)，便于后期實(shí)施管理、養(yǎng)護(hù)工作。