長(zhǎng)安街西延永定河特大橋主橋總體設(shè)計(jì)方案

張為

（北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司第一設(shè)計(jì)所，北京市 100082）

1 概述

長(zhǎng)安街西延永定河特大橋位于“神州第一街”長(zhǎng)安街與北京“母親河”永定河交匯處。主橋橋型采用國(guó)際方案征集第一名，橋梁結(jié)構(gòu)型式為高低拱形鋼塔、橫梁連接分離鋼箱斜拉剛構(gòu)組合體系橋，橋梁中線與河道中線斜交57.40°角。高塔處采用塔梁墩固結(jié)，矮塔處為塔梁固結(jié)，梁底設(shè)單向活動(dòng)支座。

主橋全長(zhǎng)639 m，北半側(cè)橋跨徑組合（50+133.34+279.66+120+56）m=639 m，南半側(cè)橋跨徑組合（50+158.44+279.66+94.9+56）m=639 m。雙向八車(chē)道，道路等級(jí)為城市主干路，橋梁標(biāo)準(zhǔn)寬度47 m，局部全寬54.90m（高塔處），橋梁面積31 174 m2。索塔采用全鋼結(jié)構(gòu)，高塔橋面以上高約112 m，南北塔傾斜角分別約為61°和71°。主梁采用全焊接分離式變截面鋼箱，中間橫梁連接，橫梁間距3 m，車(chē)行道部分為正交異性鋼橋面板。中跨主梁寬度從54.9 m、47 m、53.7 m漸變，梁高從10.51 m至3.3 m漸變，邊跨主梁寬度為47 m，梁高3 m。斜拉索采用豎琴式漸變距離布置，塔上索間距2.90～7.26 m，梁上索間距 3.76～14.4 m。永定河大橋平、立面圖如圖1所示。

2 總體結(jié)構(gòu)體系比較

大橋特殊的橋型使得結(jié)構(gòu)體系對(duì)總體結(jié)構(gòu)受力影響較大，需要多方比選，審慎確定合理體系。

2.1 中墩約束體系比選

（1）體系一——高塔塔梁墩固結(jié)、矮塔塔梁固結(jié)、塔底部設(shè)單向活動(dòng)支座體系。優(yōu)點(diǎn)在于通過(guò)矮塔底設(shè)單向活動(dòng)支座釋放溫度力對(duì)主梁結(jié)構(gòu)受力的影響，充分利用高塔的高度和傾角平衡主跨荷載，塔梁固結(jié)處理有利于發(fā)揮剛構(gòu)效應(yīng)，利用主梁剛度承擔(dān)外荷載。不足之處在于全橋地震力主要由高塔處承擔(dān)。

（2）體系二——高塔塔梁墩固結(jié)，矮塔塔梁分離，梁底設(shè)單向活動(dòng)支座體系。優(yōu)點(diǎn)主要是充分利用兩處橋塔縱向剛度，較體系一結(jié)構(gòu)整體縱向剛度大，同時(shí)又避免體系溫差對(duì)主梁影響，而且施工過(guò)程中矮塔無(wú)須臨時(shí)固結(jié)，施工工藝簡(jiǎn)單。不足在于矮塔雙支自由長(zhǎng)度大、剛度弱，需要加強(qiáng)，主梁穿過(guò)矮塔構(gòu)造較復(fù)雜。

（3）體系三——高塔、矮塔均塔梁固結(jié)，塔底設(shè)支座。優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)體系明確，外部連續(xù)梁內(nèi)部超靜定，地震力作用分散。不足是橋梁邊主跨需要重新調(diào)整以適應(yīng)結(jié)構(gòu)體系的改變，由于邁步產(chǎn)生的橋面左右不對(duì)稱(chēng)力系問(wèn)題更加突出，鋼塔施工過(guò)程中存在體系轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，控制難度加大。

綜述選用體系一為實(shí)施方案。

圖1 永定河大橋主橋平、立面圖

2.2 跨中設(shè)鉸方案比選

為減小斜橋面內(nèi)平轉(zhuǎn)造成的矮塔底單向活動(dòng)支座體系影響，進(jìn)行跨中剛性鉸方案比選研究。通過(guò)研究嘉紹大橋經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本橋特點(diǎn)，進(jìn)行了相應(yīng)構(gòu)造設(shè)計(jì)和計(jì)算分析。結(jié)論表明：設(shè)鉸后導(dǎo)致跨中無(wú)索區(qū)增加較多；兩側(cè)分離鋼箱內(nèi)小鋼箱及支座需傳遞全斷面內(nèi)力；剛性鉸各配套構(gòu)造及設(shè)施復(fù)雜；矮塔固結(jié)后地震力增加較多等問(wèn)題；經(jīng)綜合比較仍采用原方案。圖2為跨中剛性鉸方案縱斷面。

圖2 跨中剛性鉸方案縱斷面（單位：mm）

2.3 矮塔底單雙支座體系比選

單支座體系優(yōu)點(diǎn)在于支座傳力直接明確，缺點(diǎn)在于支點(diǎn)反力較大且集中，對(duì)于加勁構(gòu)造要求較高；矮塔根部的主梁間連接橫梁由于兩側(cè)主梁的剛度差異較大，導(dǎo)致橫梁兩端存在較大差異變形，增加了橫梁的彎曲正應(yīng)力。

矮塔底橫向設(shè)雙支座，由于雙支座相對(duì)于單支座增加了橫向支撐寬度，對(duì)于橫梁而言減少了橫橋向變形，改善了與主梁連接處的局部應(yīng)力，也增加了主梁的抗扭能力。

由于本橋?yàn)樾睒颍绻p支座垂直于橋梁中線布置，支座反力很不均勻，對(duì)于主梁而言增加了附加扭矩。雙支座順斜交方向布置，可使兩個(gè)支座反力較均勻，并改善此處橫梁受力，對(duì)主梁扭轉(zhuǎn)也起到較好的約束作用。

3 橋梁建筑景觀設(shè)計(jì)

橋梁景觀設(shè)計(jì)應(yīng)分析周邊環(huán)境，考慮首都文化歷史背景，注重城市景觀組織，合理處理與周邊景觀的銜接。從主橋到引橋、梯道的橋梁景觀效果應(yīng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)，互相呼應(yīng)。

橋梁景觀環(huán)境設(shè)計(jì)包括主橋主體、主橋基礎(chǔ)防沖刷基座、蓮石湖段景觀水系改造、梯道、夜景照明設(shè)計(jì)、六環(huán)跨線橋、引橋、引橋橋下空間、欄桿和燈桿等附屬、橋下輔路和河堤路交通系統(tǒng)、道路綠化帶景觀等。主橋建筑景觀效果如圖3所示。

圖3 主橋建筑景觀效果

4 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 主塔設(shè)計(jì)

主橋橋塔采用全鋼結(jié)構(gòu)傾斜拱形塔，兩塔肢的塔柱中心線在塔底與基座連接處的順橋向間距均為25.1 m，形成同一塔柱的兩塔肢非一致傾斜。高塔在橋面以上垂直塔高約為112.195 m，整塔傾斜角度約為66°，單側(cè)塔柱傾斜角度南側(cè)約為61.251°，北側(cè)約為71.127°；塔柱根部設(shè)有拱形門(mén)洞供人行步道及機(jī)動(dòng)車(chē)通過(guò)。矮塔橫斷面如圖4所示。

圖4 矮塔橫斷面示意圖（單位：mm）

主塔斷面在門(mén)洞位置為分離式單箱三室，門(mén)洞頂過(guò)渡區(qū)為單箱多室，塔中部為單箱單室結(jié)構(gòu)，中部錨區(qū)被鋼錨箱腹板分割為三部分，塔頂漸變?yōu)閱蜗鋯问摇Ｖ魉M隔板在塔梁結(jié)合部采用水平設(shè)置，橋面以上漸變?yōu)榇怪庇跇蛩S線，橫隔板間距2 m。鋼塔節(jié)段間除壁板加勁肋采用高強(qiáng)螺栓栓接外，其余均采用焊接。

高塔沿塔軸線方向壁板厚度設(shè)置四種板厚，翼緣板部分從底部到頂部板厚依次變化為52～34 mm，其加勁肋厚度依次為40～28 mm，加勁肋對(duì)應(yīng)高度依次為320～224 mm。

4.2 主梁設(shè)計(jì)

永定河特大橋主橋7#～12#墩共五孔，邊孔采用整體斷面鋼梁，中間三孔為分離斷面鋼梁。主梁體系采用兩側(cè)分離鋼箱梁，中間為正交異性橋面板及大橫梁、小縱梁連接體系；頂板縱向加勁肋布置原則為：行車(chē)道范圍采用U形肋，其他位置采用球扁鋼。中跨主梁寬度從54.9 m、47 m、53.7 m漸變，梁高從10.51 m至3.3 m漸變，邊跨主梁寬度為47 m，梁高3 m。局部橋面系及結(jié)合部模型植入整體計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 局部橋面系及結(jié)合部模型植入整體計(jì)算模型

主縱梁中孔鋼梁由跨中單箱四室變化至塔根部單箱五室。中孔主縱梁頂板厚46～30 mm，腹板厚40～16 mm，底板厚56～30 mm，加勁肋按照剛性肋原則設(shè)置；中孔主縱梁腹板板厚塔根部40 mm，跨中16 mm。大橫梁間距3 m，與主縱梁鋼箱內(nèi)橫隔板一一對(duì)應(yīng)；大橫梁間設(shè)置三道通長(zhǎng)小縱梁，小縱梁梁高1.75 m，小縱梁設(shè)置位置避開(kāi)輪跡線；大橫梁與小縱梁均設(shè)置拼接板，將其分為上下兩部分，上部分與橋面板工廠預(yù)制。

4.3 高塔錨固設(shè)計(jì)

鋼塔與基座連接方式國(guó)內(nèi)外一般采用埋入式和螺栓錨固承壓板兩種方式。

埋入式連接方式由于連接處結(jié)構(gòu)剛度突變，在大偏心荷載作用下兩者間連接易出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)、脫離、開(kāi)裂等病害，對(duì)結(jié)構(gòu)安全不利；螺栓錨固方式是通過(guò)預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)螺桿等將底座板錨固在混凝土塔柱頂，適合以彎矩或軸力為主的受力結(jié)構(gòu)。結(jié)合本工程塔底大偏心受壓的受力特點(diǎn)，選用承壓板+螺栓錨固的方案。

鋼塔柱箱底設(shè)置150 mm厚承壓板，混凝土頂面與承壓鋼板底面之間設(shè)置50 mm水泥砂漿壓漿層。承壓面上設(shè)置70 mm材質(zhì)為40CrNiMoA的預(yù)應(yīng)力錨桿，錨桿沿?cái)嗝鎯?nèi)四周布置，下端錨固在混凝土基座內(nèi)，錨桿長(zhǎng)8 m，間距600 mm，每個(gè)錨桿預(yù)張拉力1 300 kN。為抵抗地震作用水平剪力，承壓板底設(shè)置多點(diǎn)槽鋼剪力鍵。承壓板底平面度要求±5 mm；高塔基座頂面高程允許偏差±3mm。高塔錨固構(gòu)造三維模型如圖6所示。

圖6 高塔錨固構(gòu)造三維模型

4.4 矮塔塔梁結(jié)合段暨支座體系設(shè)計(jì)

含塔梁結(jié)合節(jié)段、大噸位支座相關(guān)錨固及加勁構(gòu)造、矮塔臨時(shí)鎖定鋼拉桿錨箱、塔底橫向抗震鋼牛腿擋塊、支座更換預(yù)留構(gòu)造等。

總體構(gòu)造采用塔柱腹板及翼緣板、主梁腹板和頂?shù)装宀迦虢Y(jié)合段。除中跨主梁原有6個(gè)腹板延伸進(jìn)入塔梁結(jié)合段外，在支座中心附近新增一個(gè)主梁腹板延伸進(jìn)入中跨主梁內(nèi)，共計(jì)7個(gè)腹板，腹板間距1.774～3.0 m，腹板厚度40 mm、50 mm、52 mm，同時(shí)在支座位置增設(shè)6個(gè)順橋向縱隔板（承壓板），縱隔板之間及與腹板之間間距0.85～1.05 m。橫橋向共設(shè)4道通長(zhǎng)橫隔板和4道支座影響范圍局部橫隔板，橫隔板間距0.965～1.404 m，厚度 40 mm、45 mm。

臨時(shí)固結(jié)在主梁底部采用高強(qiáng)拉桿和臨時(shí)砂筒以及永久豎向支撐支座共同提供豎向拉壓力，形成力偶抵抗施工過(guò)程中兩個(gè)方向的彎矩。順橋向水平力通過(guò)永久豎向支撐支座增加順橋向的臨時(shí)鎖定裝置實(shí)現(xiàn)。

矮塔南肢1#節(jié)段底板正投影圖如圖7所示。

圖7 矮塔南肢1#節(jié)段底板正投影圖

4.5 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

8#墩高塔塔肢下設(shè)12.85 m高多面體基座（即為墩柱），兩基座外形呈反對(duì)稱(chēng)關(guān)系。基座頂面尺寸16.85 m（橫橋向）×14.9 m（順橋向）。高塔一肢塔柱的承臺(tái)尺寸為30 m×26.5 m，承臺(tái)厚6.0 m，布置24根直徑2.0 m的鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)40 m。

9#墩矮塔采用塔梁固結(jié)，在矮塔底設(shè)橫向固定、縱向活動(dòng)球型鋼支座QZ 75000DX/Z±200/R0.02。7#、10#輔助墩均采用樁柱式橋墩，橫向設(shè)3個(gè)墩柱，每個(gè)墩柱頂設(shè)一個(gè)抗拉型球型鋼支座 QZ12000DX/Z±200/R0.02。

5 主橋施工方案

根據(jù)本橋鋼塔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮運(yùn)輸、加工及安裝起重能力等因素，將鋼塔和鋼梁劃分為若干吊裝節(jié)段進(jìn)行加工、焊接、涂裝等作業(yè)，最后在支架上安裝、連接形成整體。節(jié)段劃分考慮吊裝設(shè)備能力、結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)等。吊裝重量塔底節(jié)段在600 t左右，塔頂節(jié)段控制在200 t以?xún)?nèi)，主縱梁工廠制作段約170個(gè)，最大預(yù)制段重量120 t。

橋塔為空間異形傾斜大斷面鋼塔，為施工控制重點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外目前鋼塔施工基本分為轉(zhuǎn)體施工、支架施工和無(wú)支架懸拼施工三種方案。

對(duì)于本橋而言，由于塔柱截面大、高度高且兩側(cè)塔柱不共面為空間異形，轉(zhuǎn)體過(guò)程中被轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的重心軌跡是空間線形，繞單軸轉(zhuǎn)動(dòng)的鉸，轉(zhuǎn)動(dòng)期間姿態(tài)控制十分困難，另外轉(zhuǎn)體重量很大，施工難度和風(fēng)險(xiǎn)均很大。

無(wú)支架懸拼方案由于塔柱雙肢傾斜角不一致，且塔柱為空間異形，通過(guò)設(shè)置預(yù)拱度方式實(shí)現(xiàn)成橋線形雙肢協(xié)調(diào)難度很大，很難實(shí)現(xiàn)塔柱的線形控制。

推薦采用支架拼裝方案。采用鋼管支架搭設(shè)懸臂拼裝輔助支架，索塔的拼裝過(guò)程中的自重主要由自身的強(qiáng)度和剛度承擔(dān)，支架提供拼裝過(guò)程的臨時(shí)支撐力，及提供調(diào)整索塔線形的豎向力。

6 BIM系統(tǒng)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)應(yīng)用

國(guó)內(nèi)第一次運(yùn)用BIM系統(tǒng)CATIA軟件進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)，綜合考慮加工制作、運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)的全壽命需求，實(shí)現(xiàn)了智能化、自動(dòng)化、精細(xì)化設(shè)計(jì)，引領(lǐng)了市政領(lǐng)域橋梁設(shè)計(jì)新理念發(fā)展。在設(shè)計(jì)手段、流程、管理模式上均進(jìn)行了創(chuàng)新探索，形成以下主要應(yīng)用成果：空間曲面的形成及展開(kāi)；復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的可視化設(shè)計(jì)和沖突檢查；參數(shù)化、知識(shí)化工程設(shè)計(jì)；三維模型與計(jì)算模型的完美銜接；先進(jìn)的骨架+模板智能建模技術(shù)。大橋BIM應(yīng)用實(shí)例如圖8所示。

圖8 大橋BIM應(yīng)用實(shí)例

7 結(jié)語(yǔ)

BIM技術(shù)對(duì)大橋?qū)嵤┨峁┝擞辛Φ募夹g(shù)支撐，探索市政橋梁工程全壽命周期的BIM技術(shù)應(yīng)用。包括設(shè)計(jì)加工模型的對(duì)接技術(shù)；加工、實(shí)施階段使用三維掃描技術(shù)進(jìn)行曲板加工驗(yàn)收、節(jié)段驗(yàn)收、節(jié)段數(shù)字預(yù)拼裝。充分利用設(shè)計(jì)BIM模型解決大橋建造過(guò)程中的支架設(shè)計(jì)、吊裝方案設(shè)計(jì)，乃至施工控制，是本項(xiàng)目?jī)?yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。