江灣大橋主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與靜力分析

曹旭華，陳海斌，彭志苗，陳 偉

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510010）

1 工程概況

曲江大道起于韶關(guān)武江區(qū)西河鎮(zhèn)張屋嶺村，接規(guī)劃濱江路，路線往南，以江灣大橋跨越北江，經(jīng)韶關(guān)冶煉廠及韶冶四村，沿回龍山往南，穿越回龍山后設(shè)府前大橋跨越韶贛高速，于曲江區(qū)馬壩鎮(zhèn)山車村落地，終點(diǎn)與韶關(guān)市曲江區(qū)環(huán)城公路相交，接曲江區(qū)府前西路，路線全長(zhǎng)約5.944 km。曲江大道為城市主干路，設(shè)計(jì)時(shí)速主線為60 km/h，匝道為40 km/h。其中江灣大橋總長(zhǎng)為1 027 m，主橋跨徑組合為33 m+102 m+183 m=318 m的獨(dú)塔斜拉橋，啞鈴型承臺(tái)，迎水面采用圓形，于孟洲壩樞紐上游約3.2 km處跨越北江干流，江面寬度約450 m。橋型布置見圖1。

2 建設(shè)條件

2.1 水文與地質(zhì)條件

江灣大橋橫跨北江，地表水和地下水豐富，北江為泥砂質(zhì)河床，受北江潮汐影響，北江寬約400 m，深約10 m。所處北江流域由于北部地勢(shì)較高，流域暴雨主要由靜止鋒、西南槽及西南低空急流等天氣形成。洪水基本由暴雨形成，發(fā)洪時(shí)間為4～9月，洪峰出現(xiàn)最多的時(shí)段為5～7月，其中出現(xiàn)次數(shù)以6月最為集中。

擬建場(chǎng)地基巖主要為石炭系的灰?guī)r，從本次鉆探深度范圍統(tǒng)計(jì)，場(chǎng)地處巖溶發(fā)育。大部分溶洞頂板較薄，洞體穩(wěn)定性差，溶洞頂板受外力作用時(shí)易發(fā)生坍塌。

2.2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級(jí)和設(shè)計(jì)速度

城市主干路，設(shè)計(jì)速度60 km/h。

（2）通行凈空、航道等級(jí)

根據(jù)《韶關(guān)市曲江大道江灣大橋工程通航論證報(bào)告》，北江河道道通航等級(jí)為內(nèi)河Ⅲ級(jí)，設(shè)置單孔雙向通航，本橋位通航凈寬160 m，凈高10 m。

（3）荷載等級(jí)、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期、結(jié)構(gòu)安全等級(jí)等

汽車荷載等級(jí)：城市-A級(jí)；

設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100 a；

設(shè)計(jì)使用年限：100 a；

設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)；

設(shè)計(jì)洪水頻率：300 a一遇；

設(shè)計(jì)風(fēng)速：按百年一遇27.2 m/s的設(shè)計(jì)風(fēng)速；

撞擊力：主塔和過渡墩橫橋向?yàn)?00 kN，縱橋向船只撞擊力取橫橋向的50%。

3 主橋設(shè)計(jì)

3.1 橋型及總體布置

江灣大橋主橋?yàn)?3 m+102 m+183 m=318 m的拱塔斜拉橋，采用三跨連續(xù)半漂浮體系，塔梁分離，空間密索型布置；過渡墩、輔助墩和主塔處均采用縱（雙）向活動(dòng)抗震球形鋼支座，并在索塔橫梁上橫向設(shè)抗風(fēng)支座傳遞風(fēng)荷載，索塔與主梁間安裝縱向沖擊荷載阻尼約束裝置和水平彈性束。

圖1 江灣大橋總體布置圖（單位：m）

主橋橫斷面布置為：風(fēng)嘴（1.0 m）+人非機(jī)動(dòng)車道（3.25 m）+拉索區(qū)（1.50 m）+防護(hù)欄（0.5 m）+車行道（15.50 m）+防護(hù)欄（1.0 m）+車行道（15.50 m）+防護(hù)欄（0.5 m）+拉索區(qū)（1.50 m）+人非機(jī)動(dòng)車道（3.25 m）+風(fēng)嘴（1.0 m）=44.5 m。

3.2 主梁設(shè)計(jì)

主梁鋼箱梁采用整體式扁平流線型斷面，其鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面布置見圖2。

圖2 主橋鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面（單位：cm）

考慮施工性能，全橋鋼箱梁劃分為A～H共8種類型，25個(gè)梁段。其中A、B類梁段為索塔附近無索區(qū)梁段，F(xiàn)類梁段為17號(hào)軸過渡墩附近的梁段，均在支架上安裝，最大起吊重量約263 t；C、D為標(biāo)準(zhǔn)梁段，長(zhǎng)度為12 m，采用橋面吊機(jī)，最大起吊重量約為348 t；H梁段主跨跨中合龍段長(zhǎng)度為7.0 m，起吊重量約為186 t；G梁段邊跨合龍段長(zhǎng)度為10.0 m，起吊重量約為294 t；E梁段為鋼混結(jié)合梁段，長(zhǎng)度為5.0 m，起吊重量約為266 t。

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面見圖3，采用單箱五室截面，由于鋼箱梁與混凝土箱梁鋪裝層高度不同，為保證結(jié)構(gòu)整體外觀高度相同，混凝土箱梁梁高采用4.0 m（沿中心線處）。混凝土箱梁斷面全寬44.5 m，頂面寬42.5 m，底面寬26.1 m。考慮邊跨配重需要，混凝土梁段頂板厚度采用32 cm，底板厚度為30 cm，腹板厚為50 cm。

圖3 預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面（單位：cm）

3.3 主塔設(shè)計(jì)

（1）主橋采用拱形主塔，塔高109.5 m，橋面以上高92 m，塔上索距2.0 m。塔柱采用矩形斷面，其中上下塔柱采用空心箱型截面，斷面。塔柱順橋向采用直線線型，上塔柱順橋向?qū)挾葹?.5 m，順橋向即拉索面的壁厚為1.2 m，下塔柱自橫梁開始向塔底逐漸加寬，塔底寬度12.0 m。塔柱橫橋向采用曲線變化線型，其中橋面以下外側(cè)、內(nèi)側(cè)采用圓弧線型，橋面以上塔柱內(nèi)外側(cè)均采用橢圓線型，塔頂段通過倒圓的方式逐步調(diào)整塔的斷面尺寸。橋塔、橫梁均采用C50混凝土。考慮防撞的需要，下塔柱底部為壁厚2.0或2.5 m單箱單室箱型截面。下塔柱底部1.195 m高范圍內(nèi)設(shè)計(jì)成實(shí)心斷面。在索塔上塔柱的錨索區(qū)布置體內(nèi)環(huán)向預(yù)應(yīng)力束，以平衡由斜拉索引起的水平分力。環(huán)向預(yù)應(yīng)力采用15-?s15.2、12-?s15.2的鋼絞線。主塔構(gòu)造見圖 4。

圖4 主塔構(gòu)造圖（單位：cm）

（2）橋塔設(shè)置一道下橫梁，中線處橫梁高度為6.0 m，采用空心矩形斷面，頂、底板厚度均為0.8 m，橫梁中設(shè)置兩道橫隔板，橫隔板厚度1.2 m，橫梁下緣與主塔相交處采用曲線順接。下橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，所有預(yù)應(yīng)力錨固點(diǎn)均設(shè)在塔柱外側(cè)，采用深埋錨工藝。

（3）塔柱、橫梁側(cè)壁每5.0 m設(shè)置通風(fēng)孔，橫梁底部及塔柱空心段底部設(shè)置泄水孔，通風(fēng)孔和泄水孔采用Φ160×6 mmPVC管材制成。拉索在塔上采用扇形布置，每個(gè)索塔共錨固13對(duì)拉索。考慮到后期養(yǎng)護(hù)的需要，上、下游塔柱內(nèi)均設(shè)電梯和爬梯。

3.4 斜拉索設(shè)計(jì)

主橋?yàn)楠?dú)塔雙索面斜拉橋，斜拉索在混凝土箱梁上錨固于對(duì)應(yīng)于箱梁橫隔板處斜底板下緣，共7對(duì)14根斜拉索，斜拉索在混凝土梁上的順橋向間距為6 m，塔上的豎向間距為2.0 m；斜拉索在鋼箱梁上錨固于鋼箱梁邊腹板的錨箱上，主塔北側(cè)共6對(duì)，12根斜拉索，南側(cè)共13對(duì)，26根拉索，斜拉索在鋼箱梁上的順橋向間距為12 m，塔上的豎向間距為2.0 m。斜拉索長(zhǎng)度最長(zhǎng)的約為178 m。

斜拉索采用250型高強(qiáng)度環(huán)氧涂層鋼絞線斜拉索，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 860 MPa，采用拉索群錨錨固體系 。 斜拉索規(guī)格包括 91?s15.2、73?s15.2、55?s15.2和43?s15.2四種。斜拉索在混凝土主梁和塔上的錨固方式均采用混凝土錨墊塊的錨固方式，在鋼箱梁采用鋼錨箱的錨固方式。

3.5 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

（1）主塔基礎(chǔ)

主塔墩基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，每個(gè)塔柱下設(shè)14根 ?2.5 m的鉆孔灌注樁，樁尖進(jìn)入中風(fēng)化或微風(fēng)化巖，承臺(tái)采用圓端啞鈴型。平面總尺寸為62.8m（橫橋向）×20.75 m（順橋向），承臺(tái)厚5.0 m。承臺(tái)頂設(shè)1.0 m厚的塔座，承臺(tái)底設(shè)2.0 m厚C25封底混凝土。樁基采用水下C35混凝土。

（2）輔助墩基礎(chǔ)

輔助墩采用左右分離的花瓶墩，結(jié)構(gòu)尺寸為橫橋向?qū)?.5 m，縱向?qū)?.5 m，設(shè)0.2 m圓弧倒角。采用圓端型承臺(tái)，平面尺寸為8.6 m×8.6 m，高3.0 m，設(shè)1.0 m封底混凝土。承臺(tái)間設(shè)系梁，截面為3.0 m×3.0 m的矩形截面。樁基采用2×4根?2.0 m鉆孔灌注群樁基礎(chǔ)。樁基采用水下C35混凝土。

（3）過渡墩基礎(chǔ)

14號(hào)軸過渡墩采用左右幅分離的花瓶墩，墩底截面尺寸為橫橋向?qū)?.5 m，縱橋向?qū)?.2 m，設(shè)0.2 m圓弧倒角。采用圓端型承臺(tái)，倒角半徑為1.0 m，平面尺寸為8.6 m×8.6 m，高3.0 m，設(shè)0.2 m的C25素混凝土墊層。承臺(tái)間設(shè)系梁，截面為3.0 m×3.0 m的矩形截面。樁基采用4根?2.0 m鉆孔灌注群樁基礎(chǔ)。樁基采用水下C35混凝土。

17號(hào)軸過渡墩采用左右幅分離的花瓶墩，墩底截面尺寸為橫橋向?qū)?.5 m，縱橋向?qū)?.4 m，設(shè)0.2 m圓弧倒角。采用圓端型承臺(tái)，并在上下游的位置設(shè)置流線型防撞面，平面尺寸為11.95m×8.6 m，高3.0 m，設(shè)1.0 m封底混凝土。承臺(tái)間設(shè)系梁，截面為3.0 m×3.0 m的矩形截面。樁基采用5根?2.0 m（樁頂部分直徑為2.3 m）鉆孔灌注群樁基礎(chǔ)。樁基采用水下C35混凝土。

4 主要計(jì)算結(jié)果

江灣大橋主橋采用大型橋梁有限元軟件Midas/Civil建立全橋分析模型，并按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）和《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D65-01—2007）進(jìn)行荷載組合和結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。主塔計(jì)算模型見圖5。

圖5 主塔計(jì)算模型

4.1 斜拉橋索力計(jì)算結(jié)果

分析表明，成橋后斜拉索頻遇組合的最大應(yīng)力為658 MPa，滿足規(guī)范規(guī)定安全系數(shù)為2.5的要求，即容許應(yīng)力不大于1 860/2.5=744 MPa的要求，成橋索力見圖6。

圖6 成橋索力

4.2 主梁計(jì)算結(jié)果

整體分析結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁縱向預(yù)應(yīng)力配置合理，在運(yùn)營(yíng)階段混凝土梁受力良好，主梁處于全截面受壓狀態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)組合主梁最大壓應(yīng)力為11.4 MPa，小于規(guī)范要求的最大容許壓應(yīng)力 17.75 MPa，見圖 7。

圖7 頻遇組合預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

鋼箱梁最大壓應(yīng)力為59.3 MPa，最大拉應(yīng)力為18.1 MPa，均小于270 MPa的鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，見圖8。

圖8 承載能力極限狀態(tài)組合鋼箱梁應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

主孔鋼箱梁車道荷載作用下的最大豎向撓度為135 mm，剛度滿足《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D65-01—2007）中組合梁在主孔采用鋼箱梁時(shí)在車道荷載作用下的最大豎向撓度不大于l/400即457.5 mm的要求。

4.3 主塔計(jì)算結(jié)果

主塔整體分析和局部分析結(jié)果表明，主塔受力合理，錨固區(qū)預(yù)應(yīng)力配置合理，在各種不利工況下均能滿足規(guī)范要求。頻遇組合主塔豎向應(yīng)力見圖9。

圖9 主塔豎向應(yīng)力圖（單位：MPa）

5 結(jié) 語

江灣大橋主橋?yàn)閲?guó)內(nèi)目前寬度最大的拱塔組合梁斜拉橋，在設(shè)計(jì)中吸收借鑒了國(guó)內(nèi)超寬斜拉橋的成功經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)經(jīng)過計(jì)算分析優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的構(gòu)造體系，使得結(jié)構(gòu)更加安全合理。江灣大橋主橋的建設(shè)，對(duì)超寬異型獨(dú)塔斜拉橋的設(shè)計(jì)和施工都有一定的借鑒作用。