系桿拱橋與連續(xù)梁的組合體系橋設(shè)計(jì)

祁偉超

(大連理工大學(xué)土木建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 大連市 116024)

1 工程概況

盤錦遼東灣新區(qū)位于遼寧省盤錦市大洼縣境內(nèi)，地處遼東灣東北部，松遼平原南部的遼河口三角洲南端，大遼河入海口右岸，與營(yíng)口市主城區(qū)僅一河之隔，其地理坐標(biāo)為北緯40°41′10″，東經(jīng)122°6′30″。現(xiàn)狀陸域土地面積198.7km2，建成區(qū)面積為34.4km2，灘涂及淺海約63.3km2，通過填海造地加以利用，將形成109km的海河岸線。

盤錦遼東灣新區(qū)跨內(nèi)湖中橋工程，位于盤錦市遼東灣新區(qū)正邦路上，起點(diǎn)位于向明河南岸，向南跨越含章湖，在赤蓬島上落地，并通過匝道橋與玉露洲島相連。橋梁具體位置如圖1所示。

圖1 盤錦遼東灣新區(qū)跨內(nèi)湖中橋布置圖

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 方案構(gòu)思

在滿足通航凈空的要求下，綜合考慮美觀、施工、造價(jià)等因素，以及遼東灣新區(qū)橋梁博物館的總體設(shè)計(jì)理念，跨內(nèi)湖中橋工程主橋提出系桿拱橋與連續(xù)梁的組合體系橋方案，橋梁結(jié)構(gòu)美觀、新穎。

2.2 平面設(shè)計(jì)

按照規(guī)劃，跨內(nèi)湖中橋位于盤錦市遼東灣新區(qū)正邦路上，工程起點(diǎn)ZK0+000.000m位于向明河南岸，向南跨越含章湖，在赤蓬島上落地，終點(diǎn)里程ZK2+310.400m，并通過匝道橋與玉露洲島相連，建成后將成為盤錦市遼濱沿海經(jīng)濟(jì)區(qū)未來交通網(wǎng)的重要組成部分。

根據(jù)規(guī)劃道路走向，中橋工程主線平面線形位于直線段內(nèi)，主線全長(zhǎng)2310.4m，北側(cè)引堤長(zhǎng)191m，北側(cè)引橋長(zhǎng)1200m，主橋長(zhǎng)386m，南側(cè)引橋長(zhǎng)360m，南側(cè)引堤長(zhǎng)173.4m。為了解決大橋及大陸與玉露洲島的連接，還設(shè)置了四個(gè)匝道橋。

2.3 立面設(shè)計(jì)

(1)島嶼主干路凈空要求：高度5m。

(2)島嶼岸邊的環(huán)島公路凈空要求：高度3m。

(3)內(nèi)河通航凈空要求：最高通航水位1.0m，高度5m，寬度18m。

(4)內(nèi)湖通航凈空要求：最高通航水位1.0m，高度8m，寬度80m。

根據(jù)《城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范》，綜合考慮各控制因素的要求，主線最大縱坡3%，匝道4%；凸形豎曲線最小半徑2000m，凹形豎曲線最小半徑1800m；主線最小坡長(zhǎng)175.8m，匝道最小坡長(zhǎng)15m。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)體系

中橋主橋采用系桿拱橋與連續(xù)梁的組合體系，跨徑布置為31m+62m+200m+62m+31m=386m，橋面縱坡為3.0%，系桿拱橋主跨為200m，吊桿順橋向間距8.7m。邊跨和次邊跨采用不等跨混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，連續(xù)梁跨徑布置為62m+31m，混凝土主梁支座采用隔震支座，中橋橋型立面布置圖見圖2，中橋橫斷面圖見圖3及圖4。

圖2 盤錦市遼東灣新區(qū)內(nèi)湖中橋立面布置圖(單位:cm)

圖3 A-A斷面(單位:cm)

圖4 B-B斷面(單位:cm)

主跨采用系桿拱橋結(jié)構(gòu)，拱橋主梁采用整體鋼箱梁結(jié)構(gòu)，鋼梁與拱肋橫梁連接處設(shè)置四組縱向阻尼限位裝置和兩組橫向限位裝置，拱橋鋼主梁豎向支座采用拉壓支座。拱橋拱肋由上肢拱、主拱、邊拱和輔助拱四部分組成，除邊拱采用混凝土矩形截面結(jié)構(gòu)外，其余均采用全焊鋼箱結(jié)構(gòu)。跨中部分上肢拱與主拱重疊，上肢拱與主拱分離部分通過立柱連接，兩片主拱之間通過風(fēng)撐連接。混凝土拱肋支撐于剛構(gòu)上，通過牛腿與剛構(gòu)相連，牛腿處支座采用普通板式橡膠支座，為了防止支座脫空牛腿處設(shè)置了豎向鋼拉桿。

3.2 主梁

主梁分鋼箱梁和混凝土兩部分。系桿拱橋部分主梁為鋼主梁，橋面橫坡為雙向1.5%，由箱梁頂面的坡度形成，梁底水平；連續(xù)梁采用混凝土箱梁，橋面橫坡為雙向1.5%，由箱梁頂面的坡度形成，梁底水平，鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖見圖5所示。

鋼主梁采用正交異性鋼橋面板鋼箱梁。箱梁頂板寬度41.6m，設(shè)1.5%雙向橫坡，底板寬度43.123m，橫向?yàn)槠狡拢淞褐行木€處外輪廓梁高3.59m；標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段加勁梁頂板厚度16mm，底板厚度12mm，腹板厚度12mm，牛腿處底板厚度16mm；頂板U形加勁肋厚8mm，上口寬300mm，下口寬170mm，高280mm，間距595mm；底板U形加勁肋厚6mm，上口寬250mm，下口寬400mm，高260mm，間距850mm；加勁扁鋼厚14mm，高160mm；標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段橫隔板間距2.9m，吊點(diǎn)處橫隔板厚12mm，非吊點(diǎn)處橫隔板厚10mm，支座處橫隔板厚20mm。

混凝土連續(xù)梁跨徑布置為31m+62m=93m，全橋共兩聯(lián)。梁高3.5m，橋面寬度34.5m。橋面設(shè)1.5%雙向橫坡，箱梁底寬28.5m，橫向?yàn)槠狡拢瑑蓚?cè)翼緣懸臂長(zhǎng)均為3m，混凝土梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖見圖6所示。

圖5 鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位：cm)

圖6 混凝土梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位：cm)

標(biāo)準(zhǔn)段箱梁頂板厚度26cm，底板厚度24cm，腹板厚度50cm，箱梁頂板、底板、腹板至中橫梁、端橫梁附近分別加厚為56cm、54cm、90cm，中橫梁寬度為3.5m，端橫梁寬度為2.0m。

箱梁采用縱、橫雙向預(yù)應(yīng)力體系。縱向預(yù)應(yīng)力采用19Φs15.2、12Φs15.2、9Φs15.2三種類型，頂板束采用12Φs15.2及9Φs15.2，腹板束采用19Φs15.2，底板束采用12Φs15.2，錨具采用張拉端錨具、固定端錨具及深埋錨具，錨下張拉控制應(yīng)力為σk=1340MPa。19Φs15.2、12Φs15.2、9Φs15.2鋼絞線分別采用內(nèi)徑100mm、90mm、80mm的塑料波紋管成孔。底板所有鋼束均為單端張拉，固定端采用P錨，錨下張拉控制應(yīng)力為σk=1340MPa；腹板及頂板束均為兩端張拉，錨下張拉控制應(yīng)力為σk=1340MPa。

端部橫梁預(yù)應(yīng)力束采用19Φs15.2，兩端張拉錨固，錨下張拉控制應(yīng)力為σk=1340MPa，采用內(nèi)徑100mm的塑料波紋管成孔。中部橫梁預(yù)應(yīng)力束采用19Φs15.2，錨具為深埋錨具且兩端張拉錨固，錨下張拉控制應(yīng)力為σk=1340MPa，采用內(nèi)徑100mm的塑料波紋管成孔。

3.3 拱肋

主橋拱肋由上肢拱、主拱、邊拱和三角剛構(gòu)四部分組成，除邊拱肋、輔助拱肋采用混凝土矩形截面結(jié)構(gòu)外，其余均采用全焊鋼箱結(jié)構(gòu)。跨中部分上肢拱與主拱重疊，上肢拱與主拱分離部分通過立柱連接，兩片主拱之間通過風(fēng)撐連接。

邊拱采用二次拋物線，矢跨比1/3.804；主拱采用二次拋物線，矢跨比為1/3.0；上肢拱采用兩端圓曲線和中間二次拋物線組合，南側(cè)圓曲線半徑為600m，北側(cè)圓曲線半徑為950m；輔助拱采用兩端直線和中間圓曲線組合，圓曲線半徑9.5m。

主拱采用矩形鋼箱截面，截面寬度3.0m，截面高度4.0m。頂、底板厚度30～28mm，頂?shù)装寮觿爬吆?0mm，高240mm，腹板厚度26mm，腹板加勁肋厚20mm，高240mm。邊拱采用矩形混凝土截面，截面寬度4.0m，截面高度3.0m。

上肢拱采用矩形鋼箱截面，截面寬度2.0m，截面高度2.5m。頂、底板、腹板厚度均為12mm，加勁肋厚度12mm，高度140mm，鋼混結(jié)合段肋加厚加高。

立柱采用矩形鋼箱截面，截面寬度1.962m，截面高度2.5m。頂、底板、腹板厚度均為12mm，加勁肋厚度12mm，高度140mm。

風(fēng)撐采用矩形鋼箱截面，截面寬度2.5m，截面高度2.572～2.6m。頂、底板、腹板厚度均為26mm，加勁肋厚度16mm，高160mm。

三角剛構(gòu)邊跨側(cè)拱肋采用二次拋物線，矢跨比1/4.161，主跨側(cè)拱肋采用二次拋物線，矢跨比1/3.804。三角剛構(gòu)拱肋采用空心矩形截面，截面寬度4.0m，截面高度3.0m，頂、底厚度30cm，腹板厚度55cm。三角剛構(gòu)主梁采用單箱單室箱梁截面，主梁高度3.5m，橫坡為1.5%，頂、底板厚度30cm，腹板厚度40cm，三角剛構(gòu)構(gòu)造圖見圖7所示。主梁縱向預(yù)應(yīng)力采用19Φs15.2、9Φs15.2兩種類型，采用兩端張拉，錨下張拉控制應(yīng)力為σk=1340MPa。

圖7 三角剛構(gòu)構(gòu)造圖(單位：cm)

3.4 吊桿錨固系統(tǒng)

吊桿錨固系統(tǒng)分為拱肋錨固系統(tǒng)和主梁錨固系統(tǒng)，本橋充分考慮若干年后更換吊桿的安全性及方便性，采用雙吊桿錨固形式，拱肋吊桿錨固系統(tǒng)構(gòu)造如圖8所示，錨固區(qū)范圍，N1鋼板厚度為26mm，N2鋼板厚度為20mm，N3鋼板厚度為20mm，與拱肋腹板、底板熔透焊接。吊桿力通過N1、N2、N3鋼板擴(kuò)散至鋼拱肋上，傳遞到基礎(chǔ)，拱肋錨固系統(tǒng)具有受力明確的特點(diǎn)。

主梁錨固系統(tǒng)采用吊耳板錨固形式，主梁吊耳板是直接承受吊桿力的重要構(gòu)件，其軋制方向應(yīng)為主受力方向豎直方向，材料采用S355N的Z向板，主梁吊桿錨固系統(tǒng)構(gòu)造如圖9所示。耳板與傳力鋼板的對(duì)接焊縫應(yīng)嚴(yán)格按AWS D1.5中受拉焊縫要求進(jìn)行打磨，并要求100%X射線、100%超聲波、100%磁粉探傷，吊耳銷孔等消除焊接應(yīng)力后再加工。

圖8 拱肋錨固系統(tǒng)圖(單位：cm)

圖9 主梁錨固系統(tǒng)圖(單位：cm)

3.5 系桿及吊桿

系桿采用成品15-37型鋼絞線索，全橋共12根，放置于吊桿橫梁上的鋼托架處。系桿沿橋面僅有豎向彎折。系桿鋼絲束外設(shè)雙層PE護(hù)套，兩端均采用冷鑄錨。系桿單根成橋索力為2000kN。拱肋上需要預(yù)留出孔洞，以便系桿穿過。混凝土邊拱索管入口處及鋼箱梁端橫隔板處均設(shè)置有拉索密封系統(tǒng)，其要求應(yīng)符合《新型拉索密封系統(tǒng)》(Q/IMAA05-2013)的要求。系桿張拉完成后要及時(shí)安裝錨頭防護(hù)套并注滿防腐油脂，混凝土邊拱索管內(nèi)注入發(fā)泡材料。

吊桿采用平行鋼絲吊桿和鋼絲繩吊桿兩種。主拱采用鍍鋅高強(qiáng)平行鋼絲吊桿，充分考慮后期橋梁換索施工，各吊點(diǎn)均采用雙吊桿形式設(shè)計(jì)，全橋共36對(duì)，共72根，其中靠近拱座處的第1對(duì)和第2對(duì)吊桿采用Φ7-85型，其余吊桿均為Φ7-61型。鋼絲束外設(shè)雙層PE護(hù)套，吊桿張拉端位于拱肋端，采用冷鑄錨，梁端采用U型叉耳式錨頭。吊桿在拱肋索管出口處設(shè)置減震器。

3.6 鋼混結(jié)合段

盤錦遼東灣新區(qū)內(nèi)湖中橋全橋共計(jì)28個(gè)鋼混結(jié)合段，包括主拱肋拱腳與拱座連接處共4個(gè)、立柱與拱座連接處共4個(gè)、上肢拱肋與主梁連接處共4個(gè)、橫撐及K撐與混凝土拱肋連接處共16個(gè)。鋼混結(jié)合段受力復(fù)雜，合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要，下面主要介紹主拱肋及立柱鋼混結(jié)合段設(shè)計(jì)。

主拱肋拱腳處鋼混結(jié)合段采用承壓傳力結(jié)構(gòu)形式，鋼混結(jié)合段主要由定位型鋼、上下承壓板、預(yù)應(yīng)力鋼束組成，其構(gòu)造如圖10所示。定位型鋼的作用為方便結(jié)合段的安裝；上下承壓板的作用為力均勻傳遞至基礎(chǔ)；預(yù)應(yīng)力鋼束的作用為了保證拱腳完成受壓。鋼混結(jié)合段其傳力途徑分3步：第1步，通過鋼拱肋頂、底、腹板、加勁肋傳至承壓板；第2步，通過承壓板傳至拱座；第3步驟，通過拱座傳至基礎(chǔ)。主要施工流程：通過定位型鋼精確定位結(jié)合段；預(yù)埋預(yù)應(yīng)力鋼筋線；澆注一期拱腳混凝土；張拉預(yù)應(yīng)力鋼束；澆注二期拱腳混凝土。

圖10 主拱肋拱腳處鋼混結(jié)合段示意圖

立柱鋼混結(jié)合段同樣采用承壓傳力結(jié)構(gòu)形式，鋼混結(jié)合段主要由PBL剪力鍵、承壓板、預(yù)應(yīng)力鋼束、剪力釘組成，承壓板下方灌注C50補(bǔ)償收縮混凝土，其構(gòu)造如圖11所示。鋼拱肋通過PBL剪力鍵和剪力釘與混凝土更好地形成整體，PBL剪力鍵和剪力釘主要承擔(dān)剪力，PBL剪力鍵設(shè)置12個(gè)直徑6cm孔徑，孔徑穿直徑25mm的鋼筋，剪力釘布置在承壓板下方，規(guī)格為Φ22×180mm，布置間距150mm。鋼混結(jié)合段其傳力途徑分3步：第1步，通過立柱頂、底、腹板、加勁肋傳至承壓板；第2步，通過承壓板傳至混凝土；第3步，通過混凝土傳至基礎(chǔ)。主要施工流程：定位鋼混結(jié)合段節(jié)段；澆注C50補(bǔ)償收縮混凝土；張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋線。

圖11 立柱鋼混結(jié)合段示意圖

3.7 基礎(chǔ)

Z39和Z44處承臺(tái)均為矩形承臺(tái)，外側(cè)承臺(tái)平面尺寸4.8m×4.8m，高2.0m，每個(gè)承臺(tái)下布置1根直徑3.0m鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)70m，內(nèi)側(cè)承臺(tái)平面尺寸8.4m×8.4m，高4.0m，每個(gè)承臺(tái)下布置4根直徑2.0m鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)70m。

Z40和Z43處承臺(tái)均為矩形承臺(tái)，外側(cè)承臺(tái)平面尺寸17.0m×10.75m，高4.0m，每個(gè)承臺(tái)下布置6根直徑2.5m鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)80m，內(nèi)側(cè)承臺(tái)平面尺寸8.4m×8.4m，高4.0m，每個(gè)承臺(tái)下布置4根直徑2.0m鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)70m。

Z41和Z42處承臺(tái)均為矩形承臺(tái)，外側(cè)承臺(tái)平面尺寸17.5m×17.0m，高5.0m，每個(gè)承臺(tái)下布置9根直徑2.5m鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)80m，內(nèi)側(cè)承臺(tái)平面尺寸8.4m×8.4m，高4.0m，每個(gè)承臺(tái)下布置4根直徑2.0m鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)70m。

4 結(jié)論

盤錦遼東灣新區(qū)內(nèi)湖中橋主橋采用系桿拱橋與連續(xù)梁的組合體系，跨徑布置為31m+62m+200m+62m+31m=386m，橋梁具有設(shè)計(jì)獨(dú)特、結(jié)構(gòu)形式新穎、造型美觀等特點(diǎn)，重點(diǎn)從拱肋、主梁、吊桿錨固系統(tǒng)、系桿及吊桿、鋼混結(jié)合段、基礎(chǔ)等方面介紹橋梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)，合理解決設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)受力。盤錦遼東灣新區(qū)內(nèi)湖中橋已于2016年建成通車(見圖12)，建成后成為盤錦市地標(biāo)性建筑，取得良好的社會(huì)效應(yīng)。

圖12 建成的盤錦遼東灣新區(qū)內(nèi)湖中橋