松原天河大橋主橋設計與關鍵技術問題研究

康仕彬

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 20092）

松原天河大橋主橋設計與關鍵技術問題研究

康仕彬

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 20092）

松原天河大橋主橋為空間主纜組合梁自錨式懸索橋，北汊橋主跨為266 m。詳細介紹了橋梁的建設條件、方案構思、橋型總體設計和具體結構設計，并針對主纜矢跨比、空間纜索索夾定位、結構抗震性能等關鍵技術問題的研究論證做了簡要介紹。

橋梁工程；橋梁設計；自錨式懸索橋；空間主纜；抗震設計

1　工程概況

天河大橋橋址位于松原大橋下游約2.9 km處。大橋分南北汊兩座主橋，北汊橋跨徑布置為（40+100+266+100+40）m，南汊橋跨徑布置為（40+100+100+40）m，均為組合梁空間自錨式懸索橋，北汊橋橋型布置圖見圖1。

該橋建設標準為城市主干道，設計行車時速60 km/h。橋面全寬27.5 m，近期按雙向4車道劃線，遠期可改為雙向6車道，設計荷載為城—A級。

松原市屬中溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫5.4℃，最低氣溫-37.4℃，最高氣溫36.9℃，極端最高氣溫38℃。年平均風速為3.4 m/s，最大風速24 m/s。第二松花江屬于季節性封凍河流，一般11月中旬結凍封江，翌年4月中旬解凍，最大凍深為203 cm。

根據《松原市天河大橋工程場地地震安全性評價報告》，該場地內上部存在飽和砂土層，液化等級屬嚴重液化，一般液化影響深度為8～9 m。主橋所處地表面50年超越概率10%的地震最大加速度峰值為201 gal，50年超越概率2%的地震最大加速度峰值為369 gal。

2　橋型總體設計

2.1河床斷面特征

該橋橋位走廊帶河道屬寬淺、游蕩性河道，地勢平坦，河道寬闊，橋址區南北岸設有百年一遇防洪大堤，兩岸堤防間距離2.45 km。橋位河段具有廣闊的河漫灘、河心洲發育，土質松散，河道主槽在橋位處偏向北側，緊貼北岸防洪大堤，河面寬度枯水期約250 m，南側主河槽寬度約40 m，河流比降0.13～0.17‰，流速1～1.5 m/s。

2.2總體布跨方案的確定

橋址區通航等級為內河Ⅳ級，建議航道寬度不小于150 m。結合橋址區的水文情況，北汊河道水面寬度約500 m，其中江心島至北岸為深槽區域，寬度約200 m，水深約3～7 m，較適宜通航，可按北汊通航方案布置橋孔。考慮采用大跨徑橋梁一跨跨越北汊主河槽范圍，主孔徑需在200 m以上，較適宜的橋型為自錨式懸索橋或斜拉橋，主橋長度500～600 m，以覆蓋主河道寬度且適當留有富余。考慮到其上下游已有斜拉橋及部分斜拉橋型，故北汊橋采用雙塔自錨式懸索橋方案，跨徑布置為40 m+ 100 m+266 m+100 m+40 m=546 m。正常水位條件下，南汊主河槽寬度約40 m，壅水壩建成后南汊水面寬度約300 m，考慮到蓄水后的景觀因素，南汊橋采用獨塔空間索面自錨式懸索橋方案與北汊通航主橋遙相呼應，跨徑布置為40 m+100 m+100 m+40 m= 280 m。其余范圍內河道水深較淺，河床變遷較明顯，不考慮通航，僅按一般橋梁滿足行洪需求。

2.3空間自錨式組合梁懸索橋的適應性

該橋橋寬30.5 m，主跨為266 m，如采用H型索塔、平面索面，索塔的高寬比約為2∶1，橋梁結構比例不協調。因此該橋主塔采用在傳統A型索塔的基礎上賦予其一定的曲線要素和動感，形似漢字“人”字，傳遞“積極向上”的寓意；主纜采用空間主纜，跨中和邊跨分開后在塔頂收攏，結構顯得緊湊，挺拔。

橋位處于8度區，從抗震角度來說，主梁采用全鋼結構是有利的，計算結果表明如果主梁采取全鋼結構后，主纜規格可以減小，基礎規模可以降低，整個方案造價和組合梁方案不相上下。但是本地冬季氣溫很低，采用全鋼結構后橋面鋪裝很難處理，而且對鋼材和焊接質量的要求較高；另一方面，全鋼結構的主橋結構剛度較小，對行車舒適性和結構耐久性不利，綜合考慮主梁采用組合梁結構較優。

圖1　北汊主橋橋型布置（單位：cm）

3　結構設計［1］

該橋分北汊橋和南汊橋兩個主橋，本文主要介紹北汊橋的設計，南汊橋和北汊橋邊跨類似。

3.1主塔

索塔造型見圖2。索塔為混凝土結構，塔柱為變截面箱型斷面，索塔高度82 m，其中橋面以上塔高69 m，兩塔柱橫橋向間距由43.5 m漸變至9.8 m。橋塔截面縱向尺寸31.5 m以上為6.5 m，31.5 m以下由6.5 m漸變至10.5 m；橫橋向自索塔根部至上橫梁交接處由5.5 m漸變至3 m。塔柱設置兩根橫梁，加勁梁下方設置一道橫梁，均為預應力混凝土結構。塔頂采用鋼裝飾結構以滿足造型要求。

圖2　北汊主橋效果圖

3.2加勁梁

橋面加勁梁采用縱、橫梁體系。箱形縱梁高2.75 m，寬2 m，梁高根據頂推過程中跨50 m航道的受力要求控制，三道小縱梁主要做為橋面支撐，不參與加勁梁總體受力。橫梁分為主橫梁和副橫梁，主橫梁為吊索橫梁，在縱系梁外挑，橫梁間距4 m，為工字形截面。鋼材采用Q345qE，以滿足松原地區-40℃以下的工作溫度。鋼梁上擱置C50鋼筋混凝土橋面板，標準板厚250 mm。橋面板與縱系梁、小縱梁之間采用圓頭焊釘剪力鍵連接。

加勁梁采用頂推施工，先頂推鋼梁就位，然后再安裝混凝土橋面板，最后架設主纜張拉吊桿。

3.3加勁梁尾端構造

主纜中心線與縱梁中心線橫向偏差4.2 m，為了保證主纜軸力可靠均勻地傳遞至加勁梁，加勁梁尾端采用混凝土梁結構以增加局部剛度。錨墩頂的主梁重量根據主纜豎向分力計算確定。

3.4主纜

全橋共設2根主纜，平行布置。預制索股兩端錨頭采用冷鑄錨，每根主纜由35股預制平行鋼絲索股組成，每股預制平行鋼絲索股由127根直徑5.1 mm的鍍鋅高強鋼絲組成正六邊形。主纜鋼絲采用標準強度1 770 MPa的鍍鋅高強鋼絲，設計彈性模量為2.0 MPa×105 MPa。主纜設計安全系數不小于2.5。成橋狀態中跨矢跨比為1/5，邊跨根據主邊跨水平力平衡的原則確定其線形。

主纜索股架設后經索股調整，用緊纜機擠壓成圓形，并用高碳薄扁鋼條夾緊主纜。在完成索股安裝、懸掛吊索、加勁梁線形調整后進行主纜纏絲，采用4的鍍鋅低碳鋼絲，用纏絲機纏繞，最后再進行防護處理。

3.5索夾及吊索

索夾分為內索夾和外索夾，內索夾通過高強螺栓固定在主纜上，外索夾類似于套筒套在內索夾上，可以繞主纜軸向轉動，這樣主纜局部就不會產生扭矩，有利于結構的耐久性。吊索采用PE防護的預制平行鍍鋅高強鋼絲，每個吊點處布置2根吊桿，縱橋向并排布置，便于今后更換。

根據受力大小及特殊變形要求，吊索分為標準吊索和特殊吊索，標準吊索間距8 m，每股由557 mm鋼絲組成，安全系數不小于3。邊跨尾索和索塔兩側第1根吊索每股由737 mm鋼絲組成。

圖3　主梁標準橫斷面（單位：mm）

為了減小吊索在錨杯口處的彎折疲勞，吊索錨杯口處設置氯丁橡膠澆注的緩沖器。另外，為了減少主梁縱向位移對吊桿的轉角影響，下錨點采用球型面墊板和螺母。

3.6鞍座

塔頂索鞍分為上座體與下座體，上部鞍槽為鑄件，下部為厚板焊接結構。鞍座分前后兩部分，吊裝就位后兩部分采用M30的高強度螺栓連接。為了減輕施工時調整鞍座位置的頂推摩阻力，鞍座下方設四氟聚乙烯滑板，并作潤滑處理。

3.7主墩

主墩承臺為分離式，每個塔柱下一個八邊形承臺，承臺厚5m，在兩個承臺之間設置了一道系梁，使兩個承臺共同作用。

橋墩基礎采用鉆孔灌注樁基礎，考慮施工定位、沖刷、砂土液化以及抗震需要，樁基施工時從地面以下設置15 m長鋼護筒，護筒直徑較樁徑大30 cm。主墩采用32根2.0 m直徑的摩擦樁，持力層選擇在⑨層泥巖，樁長70 m。

3.8支撐體系

主梁在主塔橫梁、錨墩上全橋共設置8個豎向支承支座，所有支座均為縱向活動；在每個主塔處設置2個橫向抗風支座。鑒于橋位處地震烈度較大，結構豎向支承采用抗震球鋼支座，縱向限位采用間隙元內設橡膠緩沖裝置的擋塊，此外，主梁在主塔處各設置2個縱向阻尼器。

4　關鍵技術研究

松原天河大橋是國內首座跨度達266 m的空間主纜組合梁自錨式懸索橋，針對該橋的建設條件，設計特點和難點，開展了大量的關鍵技術問題研究。

4.1主纜的垂跨比研究

自錨式懸索橋主跨垂跨比的選擇主要考慮的因素有主纜力、加勁梁軸向力、主纜錨固構造及整體豎向剛度等。

主纜拉力的大小將直接影響主纜截面面積，從而影響整個主纜的造價。另外，主纜錨固在加勁梁的兩端，加勁梁承擔主纜傳遞來的巨大軸向壓力，所以需控制主纜拉力確保加勁梁的應力指標在合理范圍內。

自錨式懸索橋垂跨比的變化對結構剛度影響較大，對主跨主纜垂跨比分別采用1/6、1/5.5、1/5進行了分析比較。

表1　不同垂跨比的比較

根據上表，可以看出垂跨比1/5的主纜內力最小，結構剛度和受力也較好，造價合理。

4.2空間纜索懸索橋施工控制研究［2，3］

該橋主纜從空纜到成橋位置變動非常大，是典型的非線性大位移問題。這就要求空纜時索夾安裝位置必須計算的非常精確，否則一方面會導致主纜局部受扭，主纜密封性可能會受到影響，另一方面如果吊索位置安裝誤差過大，吊索錨頭局部有彎折也會對結構的耐久性和安全性不利。

為真實反映結構的變形和受力狀態，采用大型通用有限元軟件SAP2000建立空間有限元模型，模型中針對吊索和主纜采用桁架單元模擬，計算中采用非線性靜力分析，考慮了P-Delta（主要是軸向剛度）和大位移的影響。有限元模型如圖4。

圖4　北汊主橋有限元模型

計算結果表明，索夾最大位移發生在中跨26號索夾，從空纜到成橋，順橋向位移為0，豎向位移為0.698 m，橫橋向位移達12.634 m，索夾轉角為16.50°。各索夾的計算位移和轉角如圖5所示：

圖5　索夾位移和轉角

4.3結構抗震性能研究［4］

由于該橋所處橋址地震烈度大，場地條件差，橋梁抗震設計是控制該橋造價重要因素。線性反應譜分析結果表明主梁位移在E2地震下縱向位移可達0.646 m，主塔彎矩達1.00e6 kN·m，必須采取一定的抗震措施來降低地震響應，設計中考慮采用抗震支座和阻尼器來進行減隔震。非線性動力時程分析計算模型考慮支座摩擦和粘滯性阻尼器的減隔震耗能作用，并對阻尼器進行參數分析，以選擇合適該橋的阻尼器參數。

阻尼器參數分析結果見上表，當單個阻尼系數取C=3 000時，主橋縱橋向各項地震響應均得到很好的控制，故推薦單個阻尼器阻尼系數C=3 000，速度指數為0.3，每個主塔處設置兩個。設置阻尼器后，主塔最大彎矩值降低了20%，梁端位移減小了48%，減隔震效果顯著。

表3　阻尼系數變化對主橋縱橋向地震響應影響表

5　結　語

松原天河大橋是目前國內最大跨徑的空間主纜組合梁自錨式懸索橋，很好的適應了該橋橋址的建設條件。該橋在空間主纜索夾定位、高寒區組合梁構造和鋼混結合段設計、高烈度區自錨式懸索橋減隔震設計等方面積累了新的經驗，可為以后設計同類橋梁參考。

［1］孟凡超.懸索橋［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［2］周泳濤.自錨式懸索橋空間纜索分析與計算［J］.公路交通科技，2007，24（3）：51-54.

［3］梁智.自錨式懸索橋施工監控研究［J］.城市道橋與防洪，2005（2）: 84-87.

［4］康仕彬.自錨式懸索橋地震特性及減震方法研究［D］.上海:同濟大學，2008

U448.25

B

1009-7716（2016）07-0096-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.029

2016-04-30

康仕彬（1983-），男，湖南常德人，工程師，從事橋梁設計工作。