洪塘大橋自錨式懸索橋設(shè)計(jì)要點(diǎn)

蔡 亮

[上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200125]

1 概述

城市橋梁拓寬改建中不可避免地遇到交通組織問題。對(duì)于中小跨徑的橋梁改建，由于建設(shè)速度較快，一般采取拆除后重建的改造方式，不會(huì)對(duì)交通造成很大問題。然而對(duì)于大跨徑橋梁而言，拆除并重建需要較長的工期，勢必會(huì)長期阻斷交通，給人們的交通出行帶來很大的不便。為此，設(shè)計(jì)師提出了多種可以快速施工的設(shè)計(jì)方案以及交通組織方案。但是，施工期間仍會(huì)對(duì)現(xiàn)狀交通流產(chǎn)生影響，或是降低了橋位處通行能力，或是加重了周邊交通負(fù)擔(dān)。隨著城市的發(fā)展，改建工程與交通組織的矛盾亟待解決。

福州洪塘大橋拓寬改建工程?hào)|起妙峰路，對(duì)既有洪塘立交進(jìn)行改造連接三環(huán)快速后，跨越烏龍江，隨后進(jìn)入閩侯上街，與國賓大道銜接，路線總長2.2 km。擬建主橋橋位現(xiàn)狀主橋?yàn)?0 m+120 m+60 m預(yù)應(yīng)力混凝土下承式桁架T 構(gòu)，以及西側(cè)江中引橋40 m 無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，雙箱雙室；老橋?qū)?4.8 m，需拆除新建，如圖1 所示。新建主橋?yàn)楠?dú)塔自錨式懸索橋，跨徑50 m+150 m+150 m+50 m，橋?qū)?6 m～52 m。

圖1 洪塘大橋老橋之實(shí)景

由于是原位改建，如果先拆除老橋再新建橋梁，將嚴(yán)重影響周邊交通，因此市政府對(duì)該橋提出“保通車”的民生要求。新建主橋采用三階段橫向拼接[1]的設(shè)計(jì)理念，在拆除老橋、新建橋梁的整個(gè)施工周期內(nèi)，維持了現(xiàn)狀交通不斷交，有力支援了福州城市建設(shè)。現(xiàn)結(jié)合洪塘大橋改建工程，基于TDV、Midas、Ansys 等有限元程序?qū)ΡＭㄜ囆枨笙碌淖藻^式懸索橋施工過程、成橋及運(yùn)營狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，可為同類工程的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 總體設(shè)計(jì)

烏龍江航道要求通航凈空為120 m×10 m，最高通航水位＋10.43 m（羅零高程）。根據(jù)航跡線，并結(jié)合水深圖及上、下游大橋的通航孔跨布置確定主橋懸索橋跨徑采用50 m+150 m+150 m+50 m，如圖2 所示。為便于與引橋的平面銜接，懸索橋索區(qū)完全置于外側(cè)，主橋主跨全寬為52 m，邊跨平衡橋跨全寬為46 m。

圖2 新建洪塘大橋主橋立面圖（單位：m）

2.2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級(jí)：主線為城市主干路。

（2）設(shè)計(jì)速度：主線為60 km/h。

（3）設(shè)計(jì)使用年限為100 a。

（4）汽車荷載采用城—A 級(jí)。人群荷載：按《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 11—2011）規(guī)定取值，邊跨按3.281 kN/m2計(jì)，中跨按1.094 kN/m2計(jì)。

（5）抗震設(shè)防烈度7 度，設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)峰值加速度0.1g；抗震設(shè)防類別甲類；抗震措施按8 度設(shè)防。

（6）通航標(biāo)準(zhǔn)：

烏龍江為國家內(nèi)河Ⅳ級(jí)航道，同時(shí)預(yù)留改造為Ⅲ級(jí)航道的可能。通航凈高≥10 m，側(cè)高7 m，單孔雙向通航凈寬≥120 m。

設(shè)計(jì)最高通航水位10.43 m，設(shè)計(jì)最低通航水位1.52 m，航道設(shè)計(jì)底高程-2.38 m（羅零高程）。

為保證施工期間的通航，既有航道維持臨時(shí)性通航標(biāo)準(zhǔn)，通航凈寬45 m，凈空≥8 m。

2.3 上部及索纜結(jié)構(gòu)

主橋采用獨(dú)塔雙索面自錨式懸索橋，半漂浮結(jié)構(gòu)體系。主跨與平衡跨均采用分離式扁平鋼箱梁，工廠預(yù)制現(xiàn)場安裝，實(shí)現(xiàn)快速化施工。主梁高3.5 m，在輔助墩主纜錨固區(qū)加高至4.2 m。鋼箱梁為全焊接箱型結(jié)構(gòu)，兩鋼箱梁之間在支點(diǎn)處采用工字型橫梁、在跨中處采用桁架式橫梁焊接聯(lián)結(jié)，如圖3、圖4 所示。第一階段先施工兩側(cè)鋼箱梁（18.0 m 寬）形成連續(xù)鋼箱梁；后續(xù)階段再施工中間橫梁（16.0 m 寬），進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換形成懸索橋。

圖3 鋼梁跨中1/2 斷面圖（單位：mm）

圖4 鋼梁中支點(diǎn)1/2 斷面圖（單位：mm）

橋面采用正交異性鋼橋面+55 mm 超高性能混凝土，形成鋼－混組合橋面板。鋼橋面布置栓釘與鋼筋網(wǎng)片，以保證鋼橋面與混凝土連接可靠。鋼橋面采用大U 加勁，U 肋高為330 mm。橫隔板間距5.0 m，在支座附近局部加密。

主纜采用平行豎直布置，跨度為150 m，垂度為15.0 m，垂跨比1∶10。兩纜橫向間距49.6 m。主纜兩端經(jīng)散索鞍平彎15°后散索錨于鋼主梁內(nèi)，兩纜錨固點(diǎn)中心橫向間距44.424 m。

吊索縱向間距10 m，橫向間距為49.6 m，吊索錨固于鋼箱梁外腹板外側(cè)的錨箱上。

抗震采用減隔震體系，在主塔、東西岸輔助墩和邊墩分別設(shè)置抗拉減隔震支座及縱、橫向阻尼器。

2.4 下部結(jié)構(gòu)

主橋采用H 型直立柱門式橋塔，橋塔結(jié)構(gòu)總高71.307 m。其中上塔柱高55 m，采用五邊形箱型截面；下塔柱高16.307 m，采用六邊形箱型截面。上塔柱頂部設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)上橫梁，下塔柱頂板設(shè)置鋼－混凝土混合式下橫梁。

輔助墩及邊墩均采用雙柱式橋墩，立柱截面采用六邊形，邊墩設(shè)蓋梁以便于與鄰跨預(yù)制小箱梁銜接。

主橋橋塔、輔助墩和邊墩承臺(tái)均采用圓端頭導(dǎo)流矩形承臺(tái)以減小阻水影響。

橋塔基礎(chǔ)采用直徑2.2 m 沖孔灌注樁，輔助墩和邊墩基礎(chǔ)采用直徑1.8 m 沖孔灌注樁。

2.5 主橋施工順序

該工程自錨式懸索橋采用先塔、梁，后纜、索的施工工藝。

（1）施工步驟一：如圖5 所示，樁基承臺(tái)施工，安裝塔吊，立模分段澆筑塔柱混凝土，現(xiàn)澆輔助墩、邊墩立柱；老橋暫不拆除，以保證施工期間的公共交通。

圖5 施工步驟一（第一階段）圖示

（2）施工步驟二：如圖6 所示，在主橋中跨150 m+150 m 范圍內(nèi)、現(xiàn)狀老橋左右兩側(cè)搭設(shè)臨時(shí)墩，主橋共布置8 個(gè)臨時(shí)支墩；縱主梁的兩幅鋼箱梁（橋面各寬18.0 m）在工廠預(yù)制，現(xiàn)場焊接成整體。體系轉(zhuǎn)換，形成左右兩幅8×50 m 連續(xù)鋼箱梁。

圖6 施工步驟二（第一階段）圖示

（3）施工步驟三：如圖7 所示，封閉老橋交通，將過河交通轉(zhuǎn)換到新建8×50 m 鋼橋上（維持老橋限高限載雙向2 車道通行標(biāo)準(zhǔn)），拆除老橋。

圖7 施工步驟三（第二階段）圖示

（4）施工步驟四：如圖8 所示，選擇交通量較低時(shí)段或臨時(shí)封閉交通進(jìn)行兩幅鋼箱梁之間橫梁（單幅橋面寬16.0 m）的連接，將兩幅鋼箱梁連接成整體（整幅橋面寬52.0 m）；張拉吊桿，調(diào)整支座限位，拆除臨時(shí)橋墩，完成主梁體系轉(zhuǎn)換，形成懸索橋。施工橋面系，進(jìn)行最終吊索索力調(diào)整；成橋開放交通。

圖8 施工步驟四（第三階段）圖示

2.6 鋼梁及樁基耐久性設(shè)計(jì)

此次鋼梁防腐方案按箱內(nèi)不設(shè)置除濕系統(tǒng)考慮，防腐年限不少于25 年，采用冷噴鋅防腐。

為便于樁基礎(chǔ)的施工，同時(shí)考慮水流、砂石及漂流物對(duì)樁基的沖刷和磨蝕影響，樁基外側(cè)設(shè)置一定長度的鋼護(hù)筒。

2.7 主纜平彎錨固

主纜經(jīng)散索鞍后平彎，錨固在鋼梁內(nèi)部。由于是空間曲線，采用空間三維放樣，主纜錨固區(qū)平面及三維圖如圖9、圖10 所示。

圖9 主纜平彎錨固區(qū)平面圖

圖10 主纜平彎錨固區(qū)三維圖

3 特點(diǎn)與難點(diǎn)分析

3.1 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1）橫向分階段施工。

該橋主要的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是主橋橫向分階段施工。常規(guī)橋梁的橫向分段是指主梁的橫向拼裝分段，其目的還是先形成主梁。該工程的分階段施工是先形成左右幅的鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)梁橋→再連接分離式鋼梁之間的中橫梁→形成整幅主梁→體系轉(zhuǎn)換→形成懸索橋，在整個(gè)施工周期內(nèi)維持了原位改建橋梁交通。除施工過程不同外，新橋成橋后與常規(guī)的自錨式懸索橋無異。

（2）主纜平彎。

自錨式懸索橋的錨固區(qū)一般布置在主梁外部，管養(yǎng)時(shí)需要臨時(shí)搭設(shè)支架，操作不方便。為了改善錨固區(qū)的管養(yǎng)條件，提出了主纜平彎錨固方案，將主纜錨固在箱梁內(nèi)部，主纜經(jīng)散索鞍后平彎到箱梁內(nèi)部。

為了降低設(shè)計(jì)與施工難度，主纜在散索鞍處不設(shè)置豎彎，這要求散索鞍處的主纜水平夾角不能太大，該工程按5.966°控制，這也成為主纜成橋線型的控制因素。

每根主纜由37 股索股組成，經(jīng)散索鞍后平彎錨固，需對(duì)索股合理排列，使之滿足主纜安裝需求。

主纜平彎錨固區(qū)的豎向、側(cè)向加勁交錯(cuò)排列，構(gòu)造復(fù)雜。

（3）橫隔板布置。

橫隔板采用了5.0 m 間距，大于國內(nèi)常見的3.0～3.5 m 的橫隔板間距，使得鋼箱梁抗扭和橋面板抗彎的要求隨之提高。與之相應(yīng)，將超高性能混凝土鋪裝層用于橋面板，形成鋼－混組合橋面板共同受力，增加了橋面板的抗彎剛度，也提高了鋼箱梁抗扭剛度。

3.2 施工難點(diǎn)

（1）該橋經(jīng)過兩次體系轉(zhuǎn)換后才形成懸索橋，在國內(nèi)尚屬首次應(yīng)用，國內(nèi)也沒有成熟的施工經(jīng)驗(yàn)，增大了該橋的施工難度。

（2）主纜平彎散開錨固的橋梁國內(nèi)并無先例。主纜經(jīng)過散索鞍一般采用豎彎散開錨固，受散索鞍豎向隔板的約束，使得散開的索股自然形成矩形排列。但主纜平彎的散索鞍不能設(shè)置豎向隔板，散開的索股向無約束一側(cè)散開成梯形，不能自然形成矩形，增加了主纜安裝難度。

（3）由于分階段實(shí)施，第一階段先形成左右兩幅鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)梁，第三階段再橫向拼裝中幅中橫梁形成整體，時(shí)間跨度大。第一階段的安裝精度及第二階段的運(yùn)營通車狀態(tài)直接影響第三階段的吊裝，對(duì)鋼梁安裝精度要求較高，控制難度較大。

4 計(jì)算分析

4.1 雙主梁模型

設(shè)計(jì)采用TDV 有限元程序，對(duì)主橋橫向分段施工全過程模擬，建立雙主梁模型，主纜、吊桿采用索單元，其它采用梁單元，樁土作用關(guān)系采用彈性約束模擬，建立模型如圖11 所示。

圖11 TDV 空間整體雙主梁模型圖

4.2 運(yùn)營階段主要計(jì)算結(jié)果

主要計(jì)算結(jié)果見圖12～圖15 所示。

圖12 基本組合主纜軸力包絡(luò)圖（單位：kN）

圖13 基本組合主梁彎矩包絡(luò)圖（單位：kN·m）

圖14 基本組合主梁上下緣應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：kN/m2）

圖15 活載位移包絡(luò)圖（單位：mm）

（1）主纜軸力

（2）主梁彎矩

（3）主梁應(yīng)力

（4）主梁位移

（5）主要結(jié)論

主梁應(yīng)力在合理范圍內(nèi)，滿足規(guī)范要求；

主纜、吊桿的承載能力滿足規(guī)范要求；

主塔、橋墩等承載能力及抗裂均滿足規(guī)范要求。

4.3 第二階段8 × 50 m 連續(xù)梁工況驗(yàn)算

主橋先形成左右兩幅8×50 m 鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)梁，第二階段翻交后需承擔(dān)老橋原交通荷載。驗(yàn)算結(jié)果表明，該工況上、下部均可滿足要求。模型如圖16 所示。

圖16 右幅8 ×50 m 連續(xù)梁模型圖

4.4 鋼-混組合橋面板驗(yàn)算

橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距5.0 m，頂板厚14 mm，在中支點(diǎn)處加厚至20 mm。取單根U 肋寬度范圍內(nèi)的鋼－混組合橋面板建立連續(xù)梁模型，分析第二體系汽車荷載作用下的頂板及U 肋下緣應(yīng)力，其中橫向分布系數(shù)為0.268。將第二體系計(jì)算結(jié)果與第一體系考慮剪力滯影響的結(jié)果組合后，鋼橋面板應(yīng)力見表1 所列。

表1 鋼-混組合橋面板鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算表

若采用鋼橋面板，超高性能混凝土僅按荷載考慮，鋼橋面板應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果見表2 所列。

表2 鋼橋面板鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算表

與鋼橋面板比較，采用鋼－混組合橋面板后，基本組合下支點(diǎn)處的頂板及U 肋拉應(yīng)力減小了約20 MPa，主跨跨中處的頂板及U 肋壓應(yīng)力減小約10 MPa。

4.5 錨箱局部應(yīng)力驗(yàn)算

鋼錨箱應(yīng)力如圖17、18 所示。

圖17 基本組合下錨箱頂?shù)装濉?cè)板及加勁應(yīng)力圖（單位：MP a）

圖18 基本組合下錨箱后錨板應(yīng)力圖（單位：MP a）

錨箱應(yīng)力控制在200 MPa 以內(nèi)，滿足要求。

5 結(jié)語

洪塘大橋拓寬改建工程，在預(yù)制拼裝快速化施工的基礎(chǔ)上，通過橫向分階段施工，實(shí)現(xiàn)了施工期間維持現(xiàn)狀交通不斷交的需求，也是國內(nèi)第一座實(shí)現(xiàn)改建期間不斷交的自錨式懸索橋如圖19 所示，為城市大型越江橋梁的拓寬改建提供了新的解決方案。

圖19 建設(shè)中的洪塘大橋（第二階段）之實(shí)景

主纜經(jīng)散索鞍后平彎，錨固在鋼箱梁內(nèi)部，為主纜錨固區(qū)的管養(yǎng)提供了便利條件，但也增加了設(shè)計(jì)與施工的復(fù)雜程度。其錨固區(qū)設(shè)計(jì)采用空間三維放樣，其成果直接用于鋼廠進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，為BIM 設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。

該工程橫隔板間距采用了5.0 m 布置，同時(shí)采用了鋼－混組合橋面板共同受力，提高了橋面板剛度，也提高了鋼箱梁抗扭剛度，提高了結(jié)構(gòu)可靠度。

該工程采用TDV 進(jìn)行正向設(shè)計(jì)，根據(jù)分析結(jié)果指導(dǎo)施工，確保了橋梁施工順利進(jìn)行。現(xiàn)場采用無應(yīng)力狀態(tài)法[2]進(jìn)行施工控制，根據(jù)標(biāo)高實(shí)測值調(diào)整模型，并修正了吊桿無應(yīng)力長度，監(jiān)測結(jié)果表明計(jì)算值與實(shí)測值相符。

該工程設(shè)計(jì)在橫向分階段施工、主纜平彎散開錨固布置、橫隔板較大間距布置、鋼－混組合橋面板構(gòu)造方面進(jìn)行了探索，將在后續(xù)工程中將進(jìn)一步研究。