欽州子材大橋設計關鍵參數研究

萬 鵬，馬 骉，袁建兵

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

1 工程概況

自錨式懸索橋簡潔優美的造型和獨特的受力體系使其保持了動人的魅力。1990年建成的此花大橋和永宗大橋標志著現代自錨式懸索橋進入了一個新的發展階段。進入21世紀以來，得益于對景觀與橋梁文化的追求，國內自錨式懸索橋快速發展。從大連金石灘和桂林麗君橋到武漢江漢六橋和鄭州桃花峪黃河公路大橋[1]，跨徑從不足100 m向400 m以上突破，結構形式也趨于多樣化。無論是單索面、雙索面和空間索面，還是混凝土主梁、鋼主梁和疊合梁，均有相當規模的代表工程。

廣西欽州市子材大橋工程位于市中心城區，其總體設計在滿足交通功能與航運水利的前提下，充分考慮景觀定位、投資控制、施工便捷、使用耐久和便于養護等因素后，采用跨徑組合為65 m+158 m+65 m的預應力混凝土自錨式懸索橋，橋寬35.5 m，主塔高38.25 m，工程造價近2億元。子材大橋于2011年11月通車，如飛跨欽江的一道彩虹，是目前廣西最大跨度的混凝土自錨式懸索橋。設計關鍵參數經過多方案比選后確定，以實現安全可靠、結構新穎、造型獨特的設計意圖，見圖1。

2 主梁設計參數

2.1 矢跨比

自錨式懸索橋的加勁梁高跨比較大，豎向剛度往往不成為控制性因素，所以自錨式懸索橋通常采用較大的矢跨比（1/7～1/5），以減小主纜拉力，降低主纜用鋼量，方便主纜錨固，同時增加主塔高度以使橋梁比例協調。對國內外雙塔自錨懸索橋常用的三種矢跨比進行了分析比較，見表1。

從表1可以看出，隨著矢跨比的增加，主纜拉力減小，主梁跨中撓度減小，剛度增加。由于采用混凝土主梁，荷載集度較大，主纜矢跨比過大，主纜入鞍角度也大，邊吊索的下滑分力增大，索夾設計會比較困難。而采用較小的矢跨比，主梁在恒載狀態下的壓應力儲備較大，對于提高主梁使用性能，減少預應力材料也有幫助。但是受制于錨點結構尺寸，錨固位置的局部應力較大。橋塔較矮時，整體景觀不佳，經綜合比選，本橋主纜采用1/6的矢跨比。

2.2 主梁方案

根據自錨式懸索橋不同的建設條件、橋型方案以及造價與維護等因素，主梁主要有混凝土梁、鋼箱梁、疊合梁以及鋼桁梁等不同的結構型式。鋼箱梁輕盈美觀，但制造和養護的要求與費用較高。疊合梁較混凝土梁輕，鋼構件尺寸較小，便于制造、運輸和架設。性能介于混凝土主梁和鋼箱梁之間。但是其鋼結構加工、橋面板預制澆筑等過程較為繁瑣，同時也沒有避免鋼結構的維護問題。對于鋼箱梁和疊合梁而言，較大的初始壓力，需要增加局部加勁構造，滿足穩定需求，截面使用效率低于常規受彎構件。在200 m主跨范圍內，國內雙塔自錨式懸索橋多采用混凝土主梁。雖然主梁自重大，纜吊系統和基礎工程規模將有所增加，但總體上造價較為經濟，后期維修養護工作量也較少。子材大橋主跨158 m，橋位水面較窄，水深較淺，具備支架施工條件。綜合考慮性能、造價、施工和景觀等因素，主梁采用預應力混凝土主梁方案，見圖2、圖3。

圖1 主橋總體布置圖（單位：mm）

表1 矢跨比f/L比較表

圖2 主梁斷面（單位：mm）

圖3 主塔塔型圖（單位：mm）

常規混凝土自錨懸索橋主梁截面有箱形截面[2]和雙主梁截面[3]兩種形式。在跨徑布置和矢跨比相同的條件下，箱形截面的應力水平要低于雙主梁截面，而前者混凝土材料用量僅比后者大不到10%。但考慮雙主梁截面的預應力材料數量要適當增加。因此兩種類型截面主梁的造價大致相當。箱形截面整體與橋面局部受力優于雙主梁截面。但是本橋考慮支架施工的便捷性與經濟性，分段澆注降低混凝土方量要求等方面因素，最終采用雙箱梁方案。

子材大橋主梁共分3段澆筑，每段長度約100 m左右，澆筑時先施工小橫梁，再施工兩側吊索部位箱梁，最后澆筑面板。混凝土澆筑采用二次澆筑，第一次澆筑到腹板上承托處，第二次澆筑完成全斷面，見圖4、圖5。

圖4 主梁分塊澆筑圖

圖5 主塔與纜吊系統施工圖

3 主塔設計參數

主塔外形的方案比選是懸索橋設計中的一項重要內容。橋塔高聳的形象引人注目，起著象征、標志的作用，是橋梁景觀中最重要的元素。主塔方案設計在滿足結構受力要求的前提下，還要兼顧造價和施工等因素。常用的塔型主要有三種：門型主塔[2][4]、花瓶型[3]和鉆石型[5]。

結合本橋的地理位置以及周邊環境，以及結構受力、施工、經濟等因素，力求本橋索塔外形簡潔而雅致、剛勁而柔美、現代而質樸，體現欽州現代化建設的步伐，給人以耳目一新的感覺。本橋橋面上主塔高30.9 m，考慮到橫向荷載不是主要控制荷載，因此采用無上橫梁的柱式形式，塔柱凈高與凈寬比例比較合適，符合常規的審美習慣，給人挺拔堅實的美感，景觀效果最佳。

塔柱規則段部分高26.35 m，采用翻模施工工藝施工，混凝土使用輸送泵進行泵送。節段施工長度根據鋼筋長度確定為4.5 m，每個塔柱共5個節段，剩下3.85 m作為初始澆筑段。上塔柱頂的4.5 m圓曲線漸變段結合索鞍預埋件，張拉施工平臺等最后完成。

4 纜吊體系參數

本橋遠期為雙向六車道，橋面寬度35.5 m，恒、活載重量大。主纜矢跨比l/6，吊索內力和索夾的下滑力較大，所以吊索間距不宜太大，以控制索夾長度和緊固螺栓數量，減小主纜的彎折應力。與吊索間距對應的橫隔板間距直接影響到橋面板的強度，間距太小會增加結構自重，常規距離在5.0～6.0 m之間。經綜合比較，本橋吊索間距和標準節段長度采用6 m，在主纜錨固區和塔梁支承區布置部分特殊節段。

4.1 散索鞍

自錨式懸索橋的主纜相對地錨式懸索橋較細，對散索結構的受力要求相對較低。通常選用散索套散開主纜較合適。若采用散索鞍，需要為支承散索鞍提供支點，主梁局部構造也較復雜。同時，從施工與制造角度看，散索套與索夾相似，體積較小，便于加工。重量較輕，吊裝方便，也便于現場施工。本橋采用散索套方案分散主纜，轉角約1.2°。

4.2 主纜錨固

主纜錨固構造是自錨式懸索橋的關鍵節點，甚至影響主梁斷面形式的選擇，從而決定總體設計布局。按照錨固位置的不同，自錨式懸索橋錨固構造分為后錨式和前錨式兩種。已建自錨式懸索橋多采用后錨式。由于本橋采用混凝土箱形主梁，在主纜散索區梁高較小，不適于開設較大的空洞，端部5.5 m的梁高對景觀效果也影響不大，因此本橋選擇后錨式。

主纜軸力作用于在錨固端面上，然后通過錨固體傳到主梁上，經過過渡區段厚度較大的腹板和橫梁后，壓力均勻作用于主梁截面上。為了改善錨固體混凝土結構受力性能，并能在前錨面的鋼管之間設置普通鋼筋，索股在后錨面處的豎向間距為60 cm，橫向間距為45 cm。在散索室上設置保護罩，下表面設置排氣孔。

4.3 纜吊體系安裝

（1）塔頂格柵及反力架分體吊裝前在索塔頂設預埋底板，為適應施工中的縱向相對移動，在鞍體下設不銹鋼板-聚四氟乙烯板滑動副。索鞍在主塔頂安裝就位時應向邊跨側預偏，施工時分次頂推，以釋放中跨側與邊跨側主纜不平衡水平力。索鞍底部與預埋格柵通過Φ68錨栓和預埋鋼筋固結。格柵邊跨側設置反力架，頂推索鞍就位后，割除反力架。

（2）緊纜完成后，塔側40 m范圍的索夾采用塔吊吊裝，其他位置索夾采用汽車吊機安裝。索夾螺桿張拉力650 kN，且分三次反復張拉，第一次初裝時進行，第二次體系轉換完成時進行補張，第三次在二期恒載完成后。

（3）吊索應根據空纜線型確定長度，在工廠預制，現場進行核對和復測后張拉安裝。張拉端在箱梁底部凹槽內。吊索預埋鋼管端部進行防腐處理，橋面以上2 m范圍內外包不銹鋼護套。

5 結語

自錨式懸索橋的各個設計參數相互影響，應綜合考慮，并結合實際情況比選確定。子材大橋寬度大，恒載重，景觀要求高等特點，決定了其獨特的參數體系。在設計階段應充分考慮施工條件，如分段澆筑、切割吊裝等要素，確定相應參數保證施工質量，最終實現設計意圖。子材大橋經過一年多的運營,橋梁性能良好，已經成為欽州市內的一座標志建筑。

[1]金雷.武西高速桃花峪黃河大橋主橋施工方案[J].橋梁建設,2011(1):75-78.

[2]張偉,唐賀強,寧伯偉.吉林市霧凇大橋混凝土自錨式懸索橋設計[J].橋梁建設,2011(3):72-75.

[3]郭文復,李小剛.預應力混凝土自錨式懸索橋（鏡湖大橋）設計簡介[J].公路,2007(6):22-25.

[4]張哲,邱文亮.一座跨度240 m混凝土自錨式吊橋方案設計[J].東北公路,2003(4):91-92.

[5]John A.Ochsendorf,David P.Billington.Self-Anchored Suspension Bridges[J].Journal of Bridge Engineering,1999(4):151-155.