欽州市子材大橋主橋總體設(shè)計(jì)

丁興國(guó)，萬(wàn) 鵬，馬 骉

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海市200092)

欽州市子材大橋主橋總體設(shè)計(jì)

丁興國(guó)，萬(wàn) 鵬，馬 骉

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海市200092)

子材大橋是欽州市跨越欽江的一座特大橋，橋梁全長(zhǎng)488 m。主橋?yàn)槿珉p塔自錨式懸索橋，跨徑布置為65 m+158 m+ 65 m，主梁全寬35.5 m。現(xiàn)先介紹該橋的建設(shè)條件及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，接著從主梁、主塔、纜索系統(tǒng)和索鞍與索夾等方面著重介紹了橋梁的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。其分離式箱梁截面、無(wú)上橫梁主塔，以及配套合理的構(gòu)件保證了大橋設(shè)計(jì)理念的實(shí)現(xiàn)。

自錨式懸索橋;混凝土主梁; 橋式布置; 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 工程概述

21世紀(jì)以來(lái)，得益于對(duì)景觀與橋梁文化的追求，國(guó)內(nèi)外自錨式懸索橋快速發(fā)展，許多城市選用這種橋型作為景觀標(biāo)志[1][2][3]。子材大橋位于欽州市的子材大街上，是連接城西和江東的關(guān)鍵樞紐。從道路規(guī)劃要求和工程所處的地理環(huán)境來(lái)看，工程建設(shè)呼應(yīng)了中心城區(qū)未來(lái)發(fā)展需求，并在一定程度上起到傳承、弘揚(yáng)馮子材的民族精神。目前欽江已建橋梁有連續(xù)梁、拱橋和剛構(gòu)橋。為盡可能地避免雷同感，且充分體現(xiàn)欽州的現(xiàn)代風(fēng)貌與文化歷史相融合的特征，子材大橋選用了穩(wěn)重的、具有現(xiàn)代與古典韻味的自錨式懸索橋。

子材大橋工程中的橋梁長(zhǎng)約488.44 m，兩側(cè)接線引道長(zhǎng)約431.56 m。雙向6車(chē)道規(guī)模，含非機(jī)動(dòng)車(chē)道(近期)和人行道，接線道路與橋梁同寬。主橋跨徑組合為65 m+158 m+65 m，橋?qū)?5.5 m。工程造價(jià)近2億元。子材大橋于2011年11月通車(chē)，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。

2 建設(shè)條件及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 水文與地質(zhì)條件

欽州市屬亞熱帶海洋季風(fēng)氣候，多年平均氣溫22.6℃，極端最低氣溫為-1.8℃，6至8月份極端最高氣溫為37.5℃，年平均降雨量1 869 mm，最大年降雨量為2 211 mm，雨季主要集中在5～9月，約占全年降雨量的80%，最大日降雨量559 mm，多年平均最大風(fēng)速18.97 m/s，臺(tái)風(fēng)最大為12級(jí)。臺(tái)風(fēng)暴雨為該區(qū)主要的自然災(zāi)害。設(shè)計(jì)基本風(fēng)速32.03 m/s。

該工程屬欽江流域，水量豐富，欽州市河段河道較寬，年均徑流量64.37 m3/s，年徑流深900 mm，流量年內(nèi)變頻較大，汛期(4～9月)流量占全年流量的83%。洪水最大水位變幅約為4.5m，欽州10 a一遇的設(shè)計(jì)洪水位為6.92 m。百年一遇的設(shè)計(jì)洪水位為9.15 m。

橋位地處欽江河谷階地地貌區(qū)，地形較平坦。上覆主要為欽江沖積層，巖性為粘性土、砂層、礫砂層。下覆為侏羅系上統(tǒng)粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。

2.2 通航條件

橋址處于河道轉(zhuǎn)彎處，河谷成“V”字型，寬約130 m，河床底標(biāo)高-4.0 m～-4.46 m，河流自北向南流。欽州市內(nèi)欽江現(xiàn)狀河段通航能力較低，隨著欽州港進(jìn)一步發(fā)展，發(fā)揮欽江的水運(yùn)功能，滿(mǎn)足規(guī)劃為III級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)要求，需對(duì)河道進(jìn)行整治。橋位雙向通航孔凈寬不小于130 m、凈高不小于10.0 m。最高通航水位為10 a一遇設(shè)計(jì)洪水位6.92 m (黃海高程)。

2.3 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)道路等級(jí):城市I級(jí)主干路。

(2)設(shè)計(jì)車(chē)速:50 km/h。

(3)荷載等級(jí):城-A級(jí)，并按公路-I級(jí)進(jìn)行驗(yàn)算。

(4)抗震要求:抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，設(shè)計(jì)地震基本加速度為0.05 g，特征周期為0.35 s。

(5)設(shè)計(jì)基本風(fēng)速:百年一遇為32.03 m/s。

(6)環(huán)境類(lèi)別:I級(jí)。

(7)防撞等級(jí):機(jī)動(dòng)車(chē)道防撞護(hù)欄為SB級(jí)。

(8)船只撞擊力:按1 000 t級(jí)船只計(jì)。

(9)橫斷面:3.0 m(人行道)+2.25 m(設(shè)施帶)+3.5 m(非機(jī)動(dòng)車(chē)道)+ 8.5 m(機(jī)動(dòng)車(chē)道)+1.0 m (中央分隔帶) + 8.5 m(機(jī)動(dòng)車(chē)道) +3.5 m(非機(jī)動(dòng)車(chē)道) +2.25 m(設(shè)施帶)+3.0 m(人行道)=35.5 m。

(10)縱坡:該工程縱斷面線形均達(dá)到和滿(mǎn)足城市主干道設(shè)計(jì)速度50 km/h縱斷面線形標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下，橋梁最大縱坡度:4.40%，豎曲線半徑為1 500 m。

3 主橋設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)支承體系

子材大橋?yàn)閮伤藻^式懸索橋，且下塔柱長(zhǎng)度較小(約7 m左右)，塔梁固接會(huì)引起較大的溫度力，對(duì)下塔柱受力不利。塔全高約42 m左右，塔梁分離體系在縱向力作用下不會(huì)引起較大的塔身彎矩及結(jié)構(gòu)位移。因此，該橋采用塔梁分離、三跨連續(xù)半漂浮結(jié)構(gòu)體系(見(jiàn)圖1)。

圖1 主橋總體布置圖(單位:mm)

在主塔橫梁和邊墩頂設(shè)置可縱向滑動(dòng)的GPZ (Ⅱ)支座，以及橫向限位裝置，以共同承受橫橋向風(fēng)力作用。

3.2 主梁設(shè)計(jì)

根據(jù)不同的建設(shè)條件、橋型方案，以及造價(jià)與維護(hù)等因素，自錨懸索橋主梁主要有混凝土梁、鋼箱梁、疊合梁及鋼桁架梁等不同的結(jié)構(gòu)型式[4][5][6]。在150 m主跨范圍，國(guó)內(nèi)較多采用混凝土自錨式懸索橋。

子材大橋主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土雙主箱梁斷面，吊桿中心位置的梁高2.23 m，跨中梁高2.34 m。單肢箱梁梁體寬分別為中跨和邊跨標(biāo)準(zhǔn)單箱單室5.0 m、主塔處的單箱雙室9.2 m，外挑臂長(zhǎng)1.25 m (見(jiàn)圖2)。標(biāo)準(zhǔn)段頂、底板厚度均為35 cm，腹板寬度均為80 cm。橫梁間距6 m，標(biāo)準(zhǔn)中橫梁腹板厚20 cm，下設(shè)50 cm寬的馬蹄，伸入箱體內(nèi)的厚度60 cm。標(biāo)準(zhǔn)橋面板厚度22 cm，為改善其局部受力，設(shè)置間距3 m的小縱梁。在橋塔附近部位，采用雙箱雙室斷面，保證傳力順暢。尾部端橫梁在主纜中心處的梁高為5.0 m，橫向跨中梁高3.5 m，橫截面箱形斷面。在主纜錨固區(qū)布置豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋。主梁采用C50混凝土，縱向預(yù)應(yīng)力、橫梁預(yù)應(yīng)力及橋面板預(yù)應(yīng)力束均采用φS15.24高強(qiáng)低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

圖2 主梁橫斷面圖(單位:mm)

3.3 主塔設(shè)計(jì)

作為懸索橋主要構(gòu)成元素且在力學(xué)上起著重要作用的橋塔，其高聳的形象引人注目，起著象征和標(biāo)志的作用，是全橋景觀中最重要的因素。同時(shí)，主塔方案設(shè)計(jì)在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)受力要求的前提下，還要兼顧造價(jià)和施工等因素。

子材大橋橋面以上主塔高30.9 m，考慮到橫向荷載不是主要控制荷載，因此采用無(wú)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(guī)的審美習(xí)慣，給人挺拔的美感，景觀效果最佳(見(jiàn)圖3)。主梁下方設(shè)橫梁，其斷面尺寸為3.0 m× 2.0 m。塔柱橫橋向保持2.8 m寬度不變，順橋向尺寸自鞍座平臺(tái)以下4.5 m范圍為5.77 m～4.5 m以圓曲線形式漸變，主墩承臺(tái)頂以上7.2 m范圍為4.5 m～6.0 m以直線形式漸變。塔柱采用實(shí)心矩形斷面，橫向間距28.3 m。主塔在橋面下設(shè)置橫梁，橫梁內(nèi)布置預(yù)應(yīng)力鋼束。

圖3 主塔橫斷面圖(單位:mm)

3.4 纜吊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

纜吊系統(tǒng)包括主纜、吊索、索夾、主鞍座、主纜索套、散索套和錨固區(qū)等幾個(gè)組成部分。

主纜線形為分段懸鏈線，中跨理論跨徑158 m，矢跨比1/6。邊跨理論跨徑56.5 m。每根主纜由37個(gè)索股組成正六邊形，每股含127Φ5.3 mm鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，緊纜后主纜為圓形。在梁端錨固處，主纜經(jīng)散索套發(fā)散成37個(gè)索股，錨固在主梁尾部端橫梁上，錨固中心距600 mm。主纜采用熱鑄錨。

中跨共設(shè)25對(duì)吊索，邊跨每邊共設(shè)7對(duì)吊索和1對(duì)吊桿，順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距6 m。每個(gè)吊點(diǎn)布置單根吊索。吊索上端與主纜采用銷(xiāo)鉸式連接，下端與主梁采用承壓方式連接，張拉端位于主梁底部。

主索鞍鞍體為全鑄式結(jié)構(gòu)，材料為ZG310-570。鞍頭上采用M48螺桿，螺桿材料采用40 CrNiMoA，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。

索塔頂設(shè)預(yù)埋底板，為適應(yīng)施工中的縱向相對(duì)移動(dòng)，在鞍體下設(shè)不銹鋼板-聚四氟乙烯板滑動(dòng)副。索鞍在主塔頂安裝就位時(shí)應(yīng)向邊跨側(cè)預(yù)偏，施工時(shí)分次頂推，以釋放中跨側(cè)與邊跨側(cè)主纜不平衡水平力。索鞍底部與預(yù)埋格柵通過(guò)Φ68錨栓和預(yù)埋鋼筋固結(jié)。格柵邊跨側(cè)設(shè)置反力架，頂推索鞍就位后，割除反力架。

為主纜束股錨固的需要，主纜在散索套處轉(zhuǎn)折2.2°。散索套由兩部分組成:鞍體和底座，鞍體相當(dāng)于半徑漸變的索夾，上下對(duì)合結(jié)構(gòu)，底座則通過(guò)Φ68錨栓固定在混凝土主梁上。鞍體在主纜入口略呈喇叭狀以適應(yīng)主纜在施工過(guò)程中的轉(zhuǎn)角變化。

散索套為鑄焊結(jié)合結(jié)構(gòu)，鞍體采用ZG310-570鑄鋼，底座加勁鋼板采用焊接鋼板。緊固件采用M48高強(qiáng)度螺栓，螺桿采用40 CrNiMoA。

3.5 基礎(chǔ)

根據(jù)推薦的樁基持力層的物理力學(xué)特性和擬建主墩所處的河床位置，結(jié)合主橋結(jié)構(gòu)體系、主墩受力情況和控制基礎(chǔ)施工規(guī)模等因素考慮，主墩基礎(chǔ)采用7φ2000鉆孔樁，持力層為微風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖。分離式圓形承臺(tái)直徑15 m，厚度4.0 m。邊墩基礎(chǔ)采用φ1200鉆孔灌注樁樁。

4 結(jié)語(yǔ)

自錨式懸索橋的各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)相互影響，應(yīng)綜合考慮。子材大橋?qū)挾却螅爿d重，景觀要求高等特點(diǎn)，決定了其獨(dú)特的參數(shù)體系。分離式雙箱主梁斷面能較好地滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)受力，纜吊系統(tǒng)設(shè)計(jì)、景觀，以及施工等諸多方面要求。子材大橋經(jīng)過(guò)兩年多的運(yùn)營(yíng)， 各項(xiàng)性能良好，已經(jīng)成為欽州的重要景觀大橋之一，與“八大場(chǎng)館”相映生輝。

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

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[4] 郭文復(fù)，李小剛.預(yù)應(yīng)力混凝土自錨式懸索橋(鏡湖大橋)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介[J].公路，2007，(6):22-25.

[5] 徐召.桃花峪黃河大橋主橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].公路交通科技，2014，(4):227-230.

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U448.25、U442.5

B

1009-7716(2015)11-0082-03

2015-04-10

丁興國(guó)(1965-)，男，上海人，高級(jí)工程師，從事橋梁工程設(shè)計(jì)工作。