無錫市清寧大橋矮塔斜拉橋設計

齊 新，陸宏偉，秘志輝，鄒德義

（上海市政工程設計研究總院，上海市 200092）

1 概述

無錫市清寧大橋是次干路清名路跨越京杭大運河的節點。工程位于無錫市區南長區內，向西通往居住區蠡湖新城，向東為中心城區。該工程項目的建設將對溝通無錫市中心區及住宅區湖濱區、促進無錫市經濟的發展、溝通運河，加快區域物資流通、完善區域干道路網具有十分重要的作用。

主橋為矮塔斜拉橋，橋長251 m，引橋為預應力混凝土連續梁橋。該橋2007年1月開工建設，2007年12月28日竣工通車。

2 橋型選擇

橋位西面為濱河綠地，東面多為6層以下的住宅，周圍視野比較開闊。北面距離大約600 m處是金匱橋，該橋為上承式拱橋；南面距離約650 m處是金城大橋，該橋為一座105m主跨的預應力混凝土連續梁橋（見圖1）。

考慮到南、北附近的金城大橋和金匱橋橋面以上均無建筑結構，視覺效果比較平淡。結合清名路跨越運河處地勢和建筑環境，認為這里需要視覺上的亮點。另外，道路布置要求在運河兩側很快落地，以方便布置匝道與運河西路、運河東路溝通。因此需要盡量選用主梁結構高度較低的橋梁結構形式。此外，施工方法上要求施工時河中不能搭設臨時支敦，以減少對繁忙的運河航道的影響。

綜合考慮上述諸多因素，從結構性能、造價、景觀、施工難易程度等方面考慮，矮塔斜拉橋是很適合的橋型。矮塔斜拉橋在橋型上避免了與橋址附近現有橋梁形式相重復，在無錫市政橋梁還是首次采用。

3 景觀創意

相對較低的主塔沒有壓抑感，增加親切感，與周圍建筑不會產生視覺沖突，易于周邊環境相協調一致[1]。集中錨固于主塔頂部的拉索，更是給人以蒼勁有力的感覺。此外，本橋采用橋面中央布置的單索面矮塔斜拉橋，使得橋梁整體看起來更加簡潔、大方。橋塔立面上強調線條優美流暢，斷面上凸顯層次變化，展現橋塔的雕塑感，立體層次設計構成了豐富的折面效果。橋塔在陽光照射下通過光影變化展現豐富的形態，如同一座精致、優雅的現代派雕塑作品。在梁的設計中，采用大懸臂上翼緣配合外側斜腹板，梁的正立面形態為較為平緩的曲線型，與塔型配合更加完美，橋型舒展柔和。

4 橋梁布置

清寧大橋主橋為雙塔矮塔斜拉橋，跨徑組合為（69+113+69）m，主跨跨越運河，橋址處河面寬度約為100 m。邊跨分別跨越運河西路和運河東路。運河西路和運河東路均要求滿足4.5 m凈空高度。總體布置、主橋主墩處橫斷面、主橋跨中橫斷面分別見圖2～圖4。

5 橋梁設計技術標準

（1）設計車速：40 km/h。

（2）荷載等級：城－A級。

（3）設計安全等級：一級。

（4）凈空高度：運河西路、東路和清名路凈空不小于4.5 m。

（5）橋面寬度：主橋橫斷面為雙向四車道，兩側各加3.5 m非機動車道和2.5 m人行道。

（6）橋面縱坡與橫坡：橋梁西側縱坡3%，東側縱坡4%，豎曲線半徑2500 m。橋面設雙向橫坡，均為2%。橋上人行道反向橫坡1%。

（7）結構抗震標準：工程場地土類別為Ⅲ類。地震動峰值加速度0.05 g。

（8）航道標準：京杭大運河為三級航道，設計通航水位2.81 m，梁底標高不小于9.81 m，通航孔底寬90 m，頂寬80 m，凈高7 m，側高6 m。并要求橋梁一跨過河。

6 主橋結構設計

主橋大部分位于直線上，只有西側邊跨靠近梁端17.016 m長位于緩和曲線段。

主橋橫斷面布置為：2.5m（人行道含欄桿）+3.5m（非機動車道含護欄）+7.5 m（車行道）+3.0 m（中央分隔帶）+7.5m（車行道）+3.5 m（非機動車道含護欄）+2.5（人行道含欄桿）=30 m。

6.1 結構體系

本橋梁方案結構采用塔、梁固結，墩、梁分離的三跨連續體系，墩頂設支座。

6.2 主梁設計

主梁采用三箱式截面預應力混凝土箱梁。本橋跨中74 m長區段和邊跨靠近邊墩48 m長區段梁高2.75 m等高度，支點梁高4.25 m。梁高以拋物線變化，凸現主梁線條的流暢，簡潔。箱梁截面兩側懸臂長為5.0 m，懸臂端部梁高0.20 m，懸臂根部梁高0.7 m。箱梁頂板厚0.28 m，支點處加厚至0.32 m；底板厚0.25 m，支點處加厚至0.65 m；中腹板厚度由跨中0.3 m向支點加厚至0.6 m，箱梁兩側采用斜腹板，外腹板厚度跨中0.5 m，支點加厚至0.6 m。

箱梁采用三向預應力體系。縱、橫向預應力鋼束采用φs15.2高強度低松弛鋼絞線。橋面橫向鋼束規格3-φs15.2，間隔50 cm布置；縱向鋼束規格為9-φs15.2和12-φs15.2。豎向預應力φ32精軋螺紋鋼筋。混凝土強度等級為C55。

主梁單側懸臂劃分15個節段。根據施工實際情況，1號節段與0號節段同時在支架上澆筑。2～15節段采用掛籃澆筑，節段長度3.0 m、3.5 m、4.0 m三種，最大懸臂澆筑節段重量275 t。邊跨現澆段長11.5 m，邊跨和中跨合攏段長度均為2 m。梁上拉索區為5～13號節段，該范圍節段長均為3.5 m，每澆筑兩個節段安裝一對斜拉索。有拉索節段才設置橫隔梁，所以這樣布置簡化了箱梁構造，方便了施工，也減輕了梁體重量。雖然拉索的數量減少了，但是每根拉索力仍控制在1000 t，構造與施工均可行，并且拉索數量減少后，橋梁造型簡潔明快，取得了很好的效果。

6.3 主塔、斜拉索設計

矮塔斜拉橋設計的重點在于橋塔的設計，橋塔不僅是主要結構構件，也是最能體現橋梁特色的景觀要素。

本橋主塔結構高度18 m，全高19.8 m。全橋共兩個主塔。主塔截面為八邊形，橫橋向尺寸2.0 m，順橋向尺寸自塔底4.8 m，曲線變化至中間3.6 m，再曲線變化至塔頂的5.0 m。整個主塔立面形成了一個曲線優美的花瓶狀，充分體現了江南城市的秀氣（見圖5）。

本橋斜拉索呈單索面扇形布置，平行鋼絲斜拉索，斜拉索外設雙層PE護套，索兩端采用冷鑄錨并設阻尼橡膠減振器。塔上索距1.0 m，梁上索距7.0 m，全橋共10對20根斜拉索。斜拉索最小水平夾角17°，拉索規格313Ф7，最大設計噸位1000 t。該橋根據矮塔斜拉橋拉索應力變化幅度特點，其拉索的應力可采用體外預應力索的容許應力[2]，參考類似橋梁的經驗并結合計算，取0.5倍的抗拉標準強度，安全系數相當于2.0。

在主梁上，斜拉索錨固于混凝土中間箱室內，橫橋向布置在分隔帶的正中間。

矮塔斜拉橋拉索在塔上的錨固布設形式有分離固定方式和貫通固定方式[3]兩種形式。貫通錨固方式有一個缺點，就是主塔錨固區的構造復雜，斜拉索錨固區的耐久性不高，后期養護費用較高。這些問題給主塔錨固區的設計、施工及后期養護均帶來了諸多困難。

本橋采用平行鋼絲斜拉索、分離錨固的方式，構造更簡單、施工方便、受力更合理、耐久性好，給斜拉索的設計、施工及后期養護帶來諸多便利。

矮塔斜拉橋塔身斷面尺寸小，如何承擔強大的拉索水平分力呢？經過研究，認為傳統的鋼橫梁或環向鋼束方式均不適用。鋼錨箱錨固受力可靠，結構構造簡化，安裝比較方便，能滿足主塔尺寸小的限制條件。參考同類橋梁的建造經驗，本橋斜拉索在塔上錨固裝置采用鋼箱錨固方式。

鋼錨固箱高7.5 m，橫截面為矩形，橫橋向寬0.8 m，順橋向3.2 m。橫橋向尺寸的確定考慮了傳力和制作所需要的空間。錨箱四周布置剪力釘與鋼筋混凝土外壁牢固結合，斜拉索的水平分力由鋼錨箱的側壁承擔，豎向分力一部分通過剪力釘傳給鋼筋混凝土外壁再傳給下塔柱；另一部分直接通過鋼錨箱底傳向下塔柱。鋼錨箱底部通過16根預應力粗鋼筋牢固錨在下塔柱上，作為安全措施抵抗可能出現的過大的拉索不平衡力。

塔身下半段采用普通鋼筋混凝土結構。塔上鋼錨箱外部包裹鋼筋混凝土，該部分混凝土分兩次澆筑，第一次澆注順橋向靠近拉索的鋼錨箱兩側，待主梁施工至最大懸臂時，澆注鋼錨箱外側剩余部分混凝土。分兩次澆筑混凝土的目的是讓鋼錨箱承擔絕大部分拉索水平分力。

主塔錨固區立面、橫斷面見圖6、圖7。

上述技術措施與同類型工程相比有顯著改進和提高。

6.4 主墩與基礎設計

清名路運河橋主墩基礎采用鉆孔灌注樁，根據橋址處地質情況和附近既有運河橋的經驗，選用樁徑150 cm鉆孔灌注樁，每個主墩基礎16根，樁長約61～70 m，持力層為微風化灰巖。

擬建場區埋深約60 m左右遇到灰巖，其上部裂隙發育，有溶蝕痕跡，并伴生溶洞。溶洞深度0.1～1.0 m不等，縱橫交錯、沒有規律且相互貫通，半充填或無充填，充填物以硬塑狀粘性土為主。由于巖溶不確定因素較多，給基礎選擇帶來較大難度。主墩樁基礎采用樁端支承于第四系松散覆蓋層上的灌注樁（短樁方案）還是采用樁端支承于灰巖的嵌巖灌注樁成了樁基設計的困惑。

如果采用短樁方案，需要考慮群樁樁端體的壓力包有效搜蓋范圍內是否有堅硬的下臥層，是否能避開復雜變化的基巖表面對樁基造成的危害或潛伏的危害。如果采用嵌巖樁方案，需要搞清巖溶形態的規模、密度及其空間分布規律，分析評價巖溶地基穩定性以及采用什么樣的巖溶處理方案。還有需要考慮采取何種樁基施工方法、如何保證施工質量、工期及安全等。

設計人員會同地質工程技術人員，根據橋址處地質情況，特別是對不同層次的灰巖的特性進行深入研究之后，并經過120 cm和150 cm樁徑的計算分析比較，并考慮樁基布置和施工方便，最終推薦選用嵌巖灌注樁。經施工驗證，設計確定的樁基方案是非常合理的，也是經濟和安全的。

要求主墩樁基施工時，每根樁均要做超前鉆，探明溶洞的深度、規模，并研究具體處理措施。

6.5 邊墩設計

西側邊墩分離式，基礎每邊采用10根樁徑120 cm鉆孔灌注樁，樁長約45 m。承臺平面尺寸為中墩承臺長5.4 m，寬8.6 m，厚度2.2 m（見圖8）。

東側邊墩三柱式，中柱基礎7根樁徑120 cm鉆孔灌注樁，邊柱基礎3根樁徑120 cm鉆孔灌注樁。樁長約45 m。中柱承臺長5.4 m，寬8.6 m，厚度 2.2 m（見圖 9）。

為控制大橋的沉降差異，所有樁基礎均采取樁底壓注水泥漿措施。

7 主橋施工方案

（1）基礎和橋墩施工

本橋主墩均位于岸上，在岸邊先采用鋼板樁圍堰，形成干作業區域。進行鉆孔灌注樁施工，然后施工承臺和橋墩。

（2）主塔、主梁、斜拉索施工

安裝主梁0#、1#節段托架，在托架上澆筑0#、1#節段混凝土。然后進行主塔施工，主塔采用鋼模板分段澆筑。

鋼錨箱在鋼結構加工廠整體預制。主塔下塔柱施工完成，吊裝上塔柱鋼錨箱。然后澆注順橋向靠近拉索的鋼錨箱外壁混凝土，待主梁施工至最大懸臂時，澆注鋼錨箱外側剩余部分混凝土。

主梁2～15號節段混凝土箱梁采取掛籃懸臂全斷面澆筑混凝土。其中在主梁有索區（5～13號節段）每施工兩個節段安裝一對斜拉索。

先邊跨合攏。邊跨的合攏是先在支架上現澆尾端混凝土，再澆筑尾端合攏段混凝土。最后中跨合攏，完成全橋的合攏。

施工期間不中斷京杭大運河的通航，對通航的影響很小。

8 結語

本文從安全性、技術經濟、施工難度、工期等多方面對無錫市清寧大橋主橋矮塔斜拉橋的主梁、主塔、拉索、橋墩及基礎各部分的設計進行了論述，介紹所采取的措施和其技術特點，為其它類似工程的建設提供了借鑒價值。

[1]余永強,李敏,陳享錦.漳州戰備大橋主橋設計[J].橋梁建設,2002(1):5-7.

[2]陳亨錦,王凱,李承根.淺談部分斜拉橋[J].橋梁建設,2002(1):44-47.

[3]嚴國敏.試談“部分斜拉橋”——日本屋代南橋、屋代北橋、小田原港橋[J].國外橋梁,1996(1):47-50.