寧波象山大目灣新城內(nèi)灣橋設(shè)計(jì)

李勝才

(林同棪國(guó)際工程咨詢(xún)(中國(guó))有限公司廣州分公司，廣東廣州510170)

1 工程概況

寧波象山大目灣新城內(nèi)灣橋是來(lái)薰路跨越內(nèi)灣景觀水系的重要節(jié)點(diǎn)工程，來(lái)薰路松蘭大道以北是大目灣新城與外界連通的城市主干道之一，規(guī)劃紅線寬度36 m。根據(jù)象山大目灣新城的實(shí)際地理情況及景觀需求，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性及施工可行性等因素，內(nèi)灣橋選取38+42+56+96+42+38=312 m的獨(dú)塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁斜拉橋進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)，橋型布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 橋型總體布置 (單位：cm)

2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

(1)道路等級(jí)：城市次干路Ⅱ級(jí)；

(2)設(shè)計(jì)車(chē)速：30 km/h；

(3)設(shè)計(jì)荷載：汽車(chē)荷載：城-A;人群荷載：3.5 kN/m2；

(4)橋梁寬度：29.1 m；

(5)設(shè)計(jì)風(fēng)速：48.1 m/s；

(6)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年；

(7)抗震設(shè)防烈度：橋址區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g。

3 設(shè)計(jì)理念

3.1 景觀設(shè)計(jì)

本次景觀設(shè)計(jì)借助大海為背景，以帆為設(shè)計(jì)元素，在主塔立柱的基礎(chǔ)上加上橫向穩(wěn)定桿，既在結(jié)構(gòu)受力上相輔相成，又使主橋形態(tài)宛如在東海上遨游的一葉方舟。整個(gè)橋梁造型豐富、優(yōu)美，充分利用各種簡(jiǎn)潔的幾何形態(tài)，使其不顯雜亂與繁復(fù)，更添一絲優(yōu)雅。此外，高聳的橋塔與周?chē)纳胶魬?yīng)，打破了新城內(nèi)“一馬平川”的弊病(圖2)。

圖2 效果圖

3.2 索輔梁橋結(jié)構(gòu)體系

常規(guī)的斜拉橋是將斜拉索兩端分別錨固在塔和梁或者其他載體上，形成塔、梁、索共同承載的結(jié)構(gòu)體系。一般而言，索作為主要受力構(gòu)件，梁作為次要受力構(gòu)件，荷載是由纜索傳遞到橋塔上，再通過(guò)橋塔最終傳遞到基礎(chǔ)上。內(nèi)灣橋設(shè)計(jì)橋面寬度較寬，為29.1 m，采用單箱多室的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。其本身具有很可觀的抗彎、抗扭能力剛度，基于此特點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)采用了一個(gè)新的設(shè)計(jì)理念，即充分考慮斜拉橋中梁和纜索的主要功能，以梁為主要承重體，纜索為輔助承重載體，這就是索輔梁橋或“部分纜索承重橋”(Partially Cable-Supported Girder Bridge)。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 上部結(jié)構(gòu)

4.1.1 結(jié)構(gòu)體系

本橋采用單塔單索面斜拉橋體系，跨徑組合為(38+42+56+96+42+38=312)m。主塔墩采用塔梁墩固結(jié)體系，橋面上鋼曲臂與主梁及橋塔固結(jié)，橋面下混凝土曲臂與主梁間留有縫隙，邊墩及橋臺(tái)采用滑動(dòng)支座，橫向約束。

4.1.2 主梁設(shè)計(jì)

主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，使用單箱五室斷面(圖3)。梁高分為兩種，中跨及側(cè)跨結(jié)構(gòu)中心梁高為2.5 m，邊跨為滿(mǎn)足橋下人行通道的要求梁高變?yōu)? m。橋面寬度29.1 m，全橋等寬布置。中跨范圍頂板厚0.25 m，底板厚0.22 m，中腹板厚0.50～1.0 m，為平衡中跨側(cè)跨索力不平衡對(duì)主塔的影響，對(duì)側(cè)跨主梁采取增重措施，即頂?shù)装寮雍瘢敯搴?.50 m，底板厚0.47 m。

塔梁結(jié)合段寬度為10 m，拉索錨固橫梁寬度為0.6 m，邊墩頂橫梁寬度為2.5 m，端橫梁寬度為2 m。

圖3 中跨及側(cè)跨主梁標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面 (單位：cm)

4.1.3 索塔設(shè)計(jì)

索塔是斜拉橋的主要承重構(gòu)件，同時(shí)又是斜拉橋整體景觀的標(biāo)志性結(jié)構(gòu)，因此在進(jìn)行索塔結(jié)構(gòu)類(lèi)型選擇時(shí)既要滿(mǎn)足受力的需要又能達(dá)到美觀要求。索塔采用鋼混組合結(jié)構(gòu)，由傾斜的主塔柱和彎曲的裝飾帆曲臂兩部分組成。

(1)鋼塔柱 。鋼塔柱斜長(zhǎng)25.7 m，根據(jù)景觀設(shè)計(jì)要求，鋼塔柱采用圓弧倒角的矩形外輪廓，橫橋向?qū)?.6 m，順橋向由塔頂?shù)? m漸變至鋼混結(jié)合段的3.5733 m，外側(cè)壁板相交處設(shè)70 cm的圓弧倒角。主塔柱采用Q345qD鋼材。

(2)混凝土塔柱?；炷了鶖嗝嬗蓭A弧倒角矩形與半橢圓形組成，帶圓弧倒角矩形由鋼塔柱的外輪廓順接而來(lái)，順橋向斜靠在半橢圓截面上，組合形成了混凝土塔柱。順橋向混凝土塔柱在與鋼塔柱交界面的3.573 m漸變至與承臺(tái)相接的10 m，橫橋向?qū)挾缺３?.6 m不變。

(3)裝飾帆。為了達(dá)到建筑設(shè)計(jì)的效果，本橋設(shè)置裝飾帆以提高觀賞性。由于裝飾帆的形狀特殊，受力極為復(fù)雜，為了減少設(shè)計(jì)、施工難度，設(shè)計(jì)時(shí)將其主要功能定義為協(xié)同鋼塔柱承擔(dān)二期恒載和活載的作用，不參與結(jié)構(gòu)一期恒載受力。

4.1.4 拉索設(shè)計(jì)

斜拉索采用扇形布置，索面在中跨主梁上順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距是10.0 m，邊跨索距為8.0 m；斜拉索在索塔上的索距為2.0 m。斜拉索采用張拉錨固方便的φ7高強(qiáng)鍍鋅平行鋼絲束，鋼絲強(qiáng)度Ry=1 670 MPa，斜拉索采用雙層PE護(hù)套。

4.2 下部結(jié)構(gòu)

主墩為實(shí)心斷面，由半橢圓與帶圓弧倒角的矩形組成?；A(chǔ)為承臺(tái)加鉆孔灌注樁，樁徑2.0 m，按摩擦樁設(shè)計(jì)。

主橋邊墩為帶圓弧倒角及的矩形橋墩?；A(chǔ)為承臺(tái)加鉆孔灌注樁，樁徑2.0 m，按摩擦樁設(shè)計(jì)。

橋臺(tái)采用樁柱式橋臺(tái)，橋臺(tái)下設(shè)置4根直徑1.5 m的鉆孔灌注樁，按摩擦樁設(shè)計(jì)。

5 結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

斜拉橋結(jié)構(gòu)其荷載主要是依靠主梁、橋塔和斜拉索分擔(dān)，合理的確定各構(gòu)件分擔(dān)的比例是十分重要的，直接關(guān)系到斜拉橋的經(jīng)濟(jì)性能。本橋利用有限元程序?qū)蛄航Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力分析、動(dòng)力分析和穩(wěn)定性分析。

5.1 計(jì)算模型

建立由梁、塔、索為主要構(gòu)件的全橋立體模型(圖4)，受力分析以梁、塔位移及應(yīng)力在各施工階段及成橋運(yùn)營(yíng)階段均滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范要求為目標(biāo)進(jìn)行分析。

5.2 靜力分析

經(jīng)計(jì)算，橋梁結(jié)構(gòu)主要受力情況見(jiàn)圖5～圖7。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，塔左、右跨主梁彎矩基本平衡。

從計(jì)算結(jié)構(gòu)可以看出：在塔梁固結(jié)段，頂緣拉應(yīng)力0.9 MPa為計(jì)算值，失真、不控制設(shè)計(jì)?？紤]消峰影響后無(wú)拉應(yīng)力，全橋應(yīng)力情況滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖4 計(jì)算模型

圖5 承載能力狀態(tài)下彎矩(不包含預(yù)應(yīng)力效應(yīng),單位：kN·m)

圖6 正常使用極限狀態(tài)下主梁上緣應(yīng)力圖之一(單位：MPa)

圖7 正常使用極限狀態(tài)下主梁上緣應(yīng)力圖之二(單位：MPa)

拉索選型：PES7-241，破斷力15 489 kN，安全系數(shù)大于2.5。拉索應(yīng)力幅值約80 MPa，小于250 MPa，疲勞不控制設(shè)計(jì)。

5.3 動(dòng)力分析

建立動(dòng)力計(jì)算模式，對(duì)主橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力特性分析。計(jì)算時(shí)以重力工況為初始條件，成橋設(shè)計(jì)索力以單元溫度的形式輸入。

由分析結(jié)果可知，全橋一階橫向振動(dòng)振型為主塔橫向側(cè)彎，對(duì)應(yīng)振動(dòng)頻率為0.97 Hz，周期為1.03 s。全橋一階豎向振動(dòng)振型為主梁豎彎，對(duì)應(yīng)頻率為1.10 Hz，周期為0.91 s。內(nèi)灣橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性詳見(jiàn)表1。

表1 內(nèi)灣橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

5.4 穩(wěn)定性分析

在恒載+活載作用下，全橋整體穩(wěn)定性前五階穩(wěn)定系數(shù)如表2所示。

表2 內(nèi)灣橋前五階整體穩(wěn)定系數(shù)表

6 結(jié)束語(yǔ)

(1)本橋位于浙江寧波象山大目灣新城的重要水域位置，其橋位所在區(qū)域?yàn)楝F(xiàn)代化的景觀區(qū)，針對(duì)本橋特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用了現(xiàn)代、簡(jiǎn)潔、有力、挺拔的橋塔造型和清晰而有韻律的拉索布置，以較小的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)代價(jià)取得了很好的景觀效果。

(2)索輔梁橋是一種較為新穎的結(jié)構(gòu)體系，對(duì)于主梁本身具有很可觀的抗彎、抗扭能力及剛度的橋梁，采用索輔梁橋的結(jié)構(gòu)體系可以充分發(fā)揮主梁和斜拉索的各自功能，具有一定的推廣價(jià)值。

[1] 林元培.斜拉橋[M].北京：人民交通出版社，2004

[2] Tang Manchung Rethinking bridge a new configuration[J].Civil Engineering Magazine,2007,77(7):38-45