西寧市文匯路跨湟水河大橋混凝土自錨式懸索橋設計

宋 凱

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

1 概述

一直以來，懸索橋以其優(yōu)美的線形和錯落有致的外觀為大多數(shù)人所欣賞。自錨式懸索橋取消了傳統(tǒng)懸索橋中所必須的巨大的錨錠，將主纜直接錨固在加勁梁上，使主梁直接承受主纜傳來的水平力。一方面從造價的角度，去掉了錨錠施工所需要的巨大的費用，增加了方案的經(jīng)濟優(yōu)勢；另一方面從結(jié)構(gòu)受力的角度，增大了主梁壓應力儲備，減少主梁所需預應力材料數(shù)量，結(jié)構(gòu)受力更加合理。自錨式懸索橋跨徑在60～300 m都是一種非常有競爭力的橋型[1]。

西寧市海湖新區(qū)文匯路跨湟水河大橋，采用（24+65+158+65+24）m兩塔五跨混凝土魚腹梁自錨式懸索橋方案，橋面結(jié)構(gòu)寬度27.3 m，設置雙向橫坡1.5%。圖1所示為全橋總體布置圖。

圖1 總體布置圖（單位：m）

2 抗震設計

該工程橋址處地震基本烈度為Ⅶ度，場地類別屬Ⅱ類，地震水平較高，全橋的抗震設計是一個重點難題，設計伊始就將結(jié)構(gòu)體系與抗震設計結(jié)合考慮。由于主梁采用質(zhì)量較大的混凝土箱梁，地震作用下的慣性力較大，因此總體上采用縱向滑動支座體系結(jié)合阻尼器方案。在主塔、邊墩、橋臺處均設縱向滑動支座，放開結(jié)構(gòu)的縱向約束，增大結(jié)構(gòu)的自振周期，有效降低了地震相應。同時為了控制地震作用下的縱向位移，在每處塔梁交界處均設置阻尼器。圖2所示為罕遇地震（E2水準地震）作用下，阻尼器對各關(guān)鍵部位的縱向位移的影響。計算顯示，設置阻尼器能有效減小各關(guān)鍵部位位移。

圖2 E2水準地震作用下各關(guān)鍵部位縱向位移（單位：mm）

3 結(jié)構(gòu)設計

3.1 總體布置

全橋采用半漂浮體系，在主塔牛腿處設置縱向滑動支座，主梁與橋塔之間設置橫向抗風支座，在邊墩和錨墩處設置縱向活動支座及橫向抗震擋塊。

該橋主纜由3跨組成，邊跨理論跨徑65 m，主跨理論跨徑158 m。已有的分析研究顯示，對于自錨式懸索橋，隨著矢跨比的增加，橋梁的整體剛度也隨著增加，但是主梁軸向壓力卻相應減小[2]。綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、造價及景觀因素，主跨的理論矢跨比選定為1︰6。

3.2 主梁設計

主梁采用單箱三室混凝土魚腹梁，梁高2.2 m，頂寬27.3 m。主梁主要分為錨跨段、邊跨錨固段和吊索區(qū)三大部分。

錨跨及邊跨錨固段主梁共長40 m。錨跨段主梁梁高2.2 m，錨跨段跨中頂、底板厚度為250 mm，中腹板厚度為400 mm。在靠近主纜錨固區(qū)處，頂?shù)装寰饾u變厚為500 mm。錨固區(qū)主橫梁寬度2.0 m，為增強錨固段箱梁受力的整體性，在錨固區(qū)段加設了2道厚度為0.8 m的橫梁。錨跨段主梁跨中斷面圖如圖3所示。

圖3 錨跨段主梁跨中斷面圖（單位：mm）

吊索區(qū)主梁長256 m，標準節(jié)段長6 m。吊索區(qū)主梁梁高2.2 m，吊索至挑臂邊緣4.15 m，挑臂總長4.45 m。主梁標準段頂、底板厚度為250 mm，中腹板厚度為400 mm，腹板間距6～6.4 m。標準節(jié)段主梁斷面圖如圖4所示。

圖4 吊索區(qū)主梁標準斷面圖（單位：mm）

主梁采用縱、橫雙向預應力體系。主梁縱向配置規(guī)格φs15-12高強度低松弛鋼絞線，其中施工用永久預應力鋼束在每個節(jié)段澆筑完成后張拉，其余預應力鋼束在全部主梁澆筑完成，纜吊系統(tǒng)施工前張拉。在每個橫梁內(nèi)均布置橫向預應力鋼絞線。

主梁施工采用逐節(jié)段支架現(xiàn)澆，全橋縱向共分為13個節(jié)段，南北對稱布置。最長梁段32 m，最短梁段20 m。

3.3 主塔及基礎(chǔ)設計

主塔為門式塔，塔高50.993 m。塔頂設置框形橫梁結(jié)構(gòu)，塔頂下橫梁為預應力混凝土結(jié)構(gòu)，塔頂上橫梁為鋼結(jié)構(gòu)。混凝土塔柱自下到上分為4個區(qū)段。主塔結(jié)構(gòu)見圖5。

下塔柱橫橋向保持2.5 m寬度，全截面為啞鈴形。左右塔柱在與主梁相接處各設置一個牛腿，牛腿上設置主梁支座，支座中心距14.1 m。

中塔柱橫橋向保持2.5 m寬度不變，順橋向分成兩片等厚的塔柱，厚度均為2.15 m，在靠近主塔中心線側(cè)設0.65 m×0.65 m倒角，塔柱之間凈間距1.7 m。整個橋塔順橋向尺寸為6 m，上下保持不變。兩片塔柱之間通過3根混凝土系梁相連接。

圖5 主塔立面和側(cè)面圖（單位：m）

上塔柱在塔頂處將兩片塔柱用混凝土連接起來，形成一段高度為5.6 m的實心混凝土平臺，并將左右塔柱通過預應力混凝土橫梁相聯(lián)系。

塔頂段為鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)，混凝土與鋼結(jié)構(gòu)之間通過剪力釘連接，中間開設3.5 m高的空腔以放置索鞍。該段在塔頂上橫梁預應力張拉完畢且纜吊系統(tǒng)施工完畢后施工。

每根塔柱單獨設置承臺，每個承臺下設置6根直徑2.2 m鉆孔灌注樁。為了增強地面以下基礎(chǔ)部分的耐久性，設計在承臺和樁基混凝土結(jié)構(gòu)采用了抗硫水泥。

3.4 纜吊系統(tǒng)設計

纜吊系統(tǒng)包括主纜、吊索、索夾、主鞍座和散索套等幾個組成部分。

主纜采用懸索橋主纜的常規(guī)設置，即中跨、邊跨連續(xù)主纜，在主塔頂部設置索鞍，主梁端部設置散索套和錨固區(qū)，主纜通過主索鞍轉(zhuǎn)向并經(jīng)散索套發(fā)散后直接錨固于主梁端部的混凝土實體上。該橋為雙纜面，全橋共兩根主纜，每根主纜由37個索股組成，每股含91φ5.25 mm鍍鋅高強鋼絲，索股構(gòu)成正六邊形，緊纜后主纜為圓形。主纜施工采用預制平行鋼絲索股逐根架設的施工方法（PPWS）。

全橋共設82個吊點，每個吊點設一根吊索，每根吊索由109φ7.0 mm的鍍鋅高強鋼絲束組成。吊索的上接頭采用鉸銷接頭，以減少吊索彎折。吊索的下接頭采用錨頭直接錨固在主梁上，且設置球面錨墊板，以便于適應吊索的變形。吊索上下錨頭均采用冷鑄錨，上錨頭由錨杯與叉形耳板螺紋連接，下錨頭采用張拉端錨具與主梁連接。

索夾采用鑄鋼結(jié)構(gòu)，材料為ZG310-570，上下對合，用高強螺栓桿連接。

主索鞍采用全鑄式結(jié)構(gòu)，材料為ZG310-570。鞍槽內(nèi)隔板采用5 mm的碳素鋼板，鞍頭上采用M48螺桿，將索股全部就位、調(diào)股后，在頂部用鋅塊填平，并用螺栓夾緊鞍槽側(cè)壁。

主纜在主梁端部設置散索套，主纜經(jīng)散索套發(fā)散后直接錨固。散索套采用全鑄式結(jié)構(gòu)，材料為ZG310-570。

4 結(jié)構(gòu)計算

懸索橋的計算主要采用3種理論：彈性理論、撓度理論以及有限位移理論。彈性理論不考慮主纜恒載內(nèi)力對其他荷載內(nèi)力的影響，得到的計算結(jié)果較大；撓度理論計入主纜恒載內(nèi)力的影響，得到的計算結(jié)果更加準確；有限位移理論采用矩陣分析法，借助計算機技術(shù)考慮各種非線性的影響，計算結(jié)果精確。

本次設計采用大型空間有限元軟件，模擬全結(jié)構(gòu)的空間模型，利用有限位移理論，考慮結(jié)構(gòu)幾何非線性和材料非線性。計算根據(jù)施工過程，按照模型結(jié)構(gòu)體系變化，共分為4個階段。

施工階段一：主塔施工，滿堂支架施工主梁，并依次張拉施工用永久預應力及成橋預應力。

施工階段二：安裝纜吊系統(tǒng)，施工橋面二期恒載；

階段三：成橋。

階段四：收縮徐變10 a。

計算荷載包括：恒載，活載，溫度荷載（包括整體溫差、體系溫差和日照溫差），風荷載，支座沉降。按照不同組合計算內(nèi)力。各構(gòu)件計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

多跨連續(xù)混凝土梁自錨式懸索橋?qū)⒋罂邕B續(xù)梁橋與懸索橋兩種結(jié)構(gòu)體系結(jié)合在一起，通過吊索對加勁梁的彈性支承，有效降低了梁高。因此，該橋型保持了傳統(tǒng)地錨式懸索橋橋型優(yōu)美輕便的優(yōu)點，而且主纜直接錨固在加勁梁上，使主梁直接承受主纜傳來的水平力，增大了主梁壓應力儲備，對結(jié)構(gòu)受力更為有利[3]。

西寧市海湖新區(qū)文匯路跨湟水河大橋主橋為多跨混凝土自錨式懸索橋，結(jié)構(gòu)對稱且造型優(yōu)美簡潔，作為現(xiàn)代城市橋梁，具有突出的景觀優(yōu)勢。該橋已于2012年12月竣工通車，全橋?qū)嵕耙妶D6。該橋的實施將對以后類似項目的設計提供一定的借鑒與指導。

圖6 全橋?qū)嵕?/p>

[1]張元凱，肖汝誠，金成棣.自錨式懸索橋的設計[J].橋梁建設，2002（5）：30-32.

[2]張哲.混凝土自錨式懸索橋[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3]胡建華.現(xiàn)代自錨式懸索橋理論與應用[M].北京：人民交通出版社，2010.