襄陽龐公大橋主橋設(shè)計(jì)研究

潘 韜 李 奇 舒思利 易倫雄

(中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430056)

1 工程概況

龐公大橋是襄陽市第八座漢江大橋，位于漢江大橋下游約800 m處，工程起于長(zhǎng)征路大慶路路口，止于星光大道龐公路路口，路線全長(zhǎng)2.6 km。根據(jù)GB 50139-2014 《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》[1]的選址規(guī)定，結(jié)合大橋橋位處的水域?qū)挾群蛢砂妒杞馄矫娌贾?，?jīng)過橋梁方案綜合比選，主橋采用三塔兩跨2×378 m鋼板結(jié)合梁懸索橋，不僅能很好地適應(yīng)地形條件及滿足通航要求，還能減小主纜截面、降低錨碇尺寸、減小施工難度。主橋橋型布置見圖1。

圖1 龐公大橋主橋橋型立面布置圖(單位：m)

大橋按照城市主干路、雙向六車道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)車速60 km/h，設(shè)計(jì)荷載按城-A級(jí)汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)，人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值為2.4 kN/m2。

2 總體布置

根據(jù)錨碇的布置要求，主纜跨度布置為95 m+378 m+378 m+158 m，考慮到本橋?yàn)閮煽缛宜鳂?，主纜矢跨比宜取較大值，以保證中塔頂主纜抗滑移安全[2]，因此本橋矢跨比取為1/9。

主梁分兩跨簡(jiǎn)支梁布置，以避免中塔處主梁出現(xiàn)較大負(fù)彎矩，從而大幅降低混凝土橋面板在運(yùn)營(yíng)荷載作用下的拉應(yīng)力[3]。在中塔處梁端設(shè)橫向活動(dòng)支座約束豎向位移和縱向位移；在邊塔處梁端段多向活動(dòng)支座，僅約束豎向位移。主梁與各主塔間設(shè)橫向抗風(fēng)支座。

主橋橋面寬34.5 m，設(shè)置雙向六車道，兩側(cè)設(shè)非機(jī)動(dòng)車道及人行道，人行道欄桿外側(cè)設(shè)吊索錨固區(qū)。

3 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 主纜

主纜采用預(yù)制平行鋼絲束股法(PPWS)形成，每根主纜由61股索股組成，每根索股由127絲直徑為5.2 mm的鋅鋁合金鍍層高強(qiáng)鋼絲組成，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa。2個(gè)主跨和襄城側(cè)邊跨主纜橫向間距為35.5 m，受用地條件限制，樊城側(cè)邊跨主纜理論散索點(diǎn)橫向間距為67.014 m。

3.2 吊索

吊索橫向間距為35.5 m，吊索順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距為9 m，主塔最近的吊索距主塔中心線13.5 m。每個(gè)吊點(diǎn)布2根吊索，吊索由109根直徑5 mm鋅鋁合金鍍層高強(qiáng)鋼絲組成，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1 770 MPa。

3.3 索鞍

主索鞍為全鑄鋼結(jié)構(gòu)，為肋傳力結(jié)構(gòu)形式，采用鑄鋼ZG270-480H鑄造。中塔頂鞍座順橋向長(zhǎng)4.9 m，橫橋向?qū)?.5 m。樊城側(cè)邊塔頂鞍座順橋向長(zhǎng)4.57 m，橫橋向?qū)?.6 m。襄城側(cè)邊塔頂鞍座順橋向長(zhǎng)4.37 m，橫橋向?qū)?.5 m。

散索鞍采用擺軸式結(jié)構(gòu)，為鑄焊組合式。鞍槽用鑄鋼鑄造，材料為ZG270-480H，鞍體由鋼板焊成。

3.4 主梁

加勁梁分兩孔簡(jiǎn)支梁關(guān)于中塔中心線對(duì)稱布置，采用鋼板梁-混凝土橋面板結(jié)合梁，梁全寬34.5 m，橋梁中心線處梁高3.2 m，斷面布置見圖2。鋼梁采用Q345qD，由2片縱梁及布置于其間的橫梁組成，縱、橫梁均為工字形截面。鋼梁中心高為3 m，頂面設(shè)雙向橫坡，坡度為2%，2片縱梁中部中心距為33.7 m。橋面板采用厚20 cm的C55混凝土，通過設(shè)在鋼梁頂面直徑22 mm、高150 mm的剪力釘與鋼梁連接成為整體。

圖2 1/2主梁橫斷面布置(單位：cm)

主梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)9.0 m，邊塔處梁端節(jié)段長(zhǎng)8.5 m，中塔處梁端節(jié)段長(zhǎng)為7.4 m。鋼梁節(jié)段間頂板焊接，腹板和底板用M30高強(qiáng)度螺栓連接。鋼橫梁與鋼縱梁頂板焊接，腹板和底板用M24高強(qiáng)度螺栓連接。鋼橫梁和鋼縱梁運(yùn)送到現(xiàn)場(chǎng)后組拼成鋼梁節(jié)段。橋面板分塊預(yù)制，橫向分2塊，標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制塊縱向?qū)?.0 m，橫向?qū)?6.25 m，存放6個(gè)月后與鋼梁節(jié)段結(jié)合。主梁逐節(jié)段吊裝上橋，節(jié)段間用臨時(shí)連接件連接；單個(gè)節(jié)段吊裝重量約2 700 kN。所有節(jié)段吊裝上橋后，節(jié)段間鋼梁換為永久連接，再澆注節(jié)段間濕接縫混凝土。

3.5 主塔

1) 中主塔采用鋼-混組合門形框架結(jié)構(gòu)，其中下塔柱和下橫梁為混凝土結(jié)構(gòu)，上塔柱及上橫梁為鋼結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意見圖3。

圖3 橋塔結(jié)構(gòu)示意圖(單位：cm)

橋塔下塔柱高27.581 m，采用單箱單室截面，縱向?qū)挒?0 m、橫橋向?qū)挒? m。在鋼-混結(jié)合面以下2.5 m范圍內(nèi)采用超高性能混凝土，其余部位采用C55號(hào)混凝土，下塔柱根據(jù)整體分析結(jié)果設(shè)豎向預(yù)應(yīng)力。

上塔柱高42.219 m，在塔頂以下4.9 m區(qū)間及混凝土塔頂以上12 m區(qū)間采用單箱多室的整體鋼塔柱截面，中間區(qū)域由對(duì)稱布置的4個(gè)小箱形截面鋼柱及鋼柱間斜撐組成，斜撐為工字形截面。上塔柱底部與混凝土下塔柱結(jié)合處設(shè)鋼-混結(jié)合段，混凝土下塔柱內(nèi)設(shè)置的預(yù)應(yīng)力鋼絞線穿過承壓板上預(yù)留孔洞錨固在承壓板上，將混凝土下塔柱與鋼結(jié)構(gòu)上塔柱緊密連接為一體。

下塔柱頂部主塔中心處設(shè)1道混凝土結(jié)構(gòu)箱形截面橫梁，設(shè)雙向橫坡坡度為2%。上、下游塔柱頂部之間設(shè)置1道鋼結(jié)構(gòu)上橫梁，采用變高桁架式結(jié)構(gòu)。

2) 邊塔亦采用鋼-混組合門形框架結(jié)構(gòu)，由上、下塔柱及上橫梁組成，其中下塔柱為混凝土結(jié)構(gòu)，上塔柱及上橫梁為鋼結(jié)構(gòu)。

下塔柱高14.174 m，采用正方形截面，縱向、橫橋向?qū)捑鶠?.28 m。上塔柱高47.726 m，由對(duì)稱布置的4個(gè)箱形截面鋼柱及鋼柱間斜撐組成。斜撐為工字形截面，焊接于鋼柱外側(cè)。

鋼塔柱底部與混凝土下塔柱結(jié)合處設(shè)鋼-混結(jié)合段，混凝土下塔柱內(nèi)設(shè)置的預(yù)應(yīng)力粗鋼筋穿過承壓板上預(yù)留孔洞錨固在加勁肋頂部設(shè)置的墊板上，將混凝土下塔柱與上塔柱鋼柱緊密連接為一體。

上、下游塔柱頂部之間設(shè)置1道鋼結(jié)構(gòu)上橫梁，采用變高桁架式結(jié)構(gòu)。

3.6 主塔基礎(chǔ)

主塔基礎(chǔ)采用鉆孔樁深基礎(chǔ)，按摩擦樁設(shè)計(jì)，中主塔基礎(chǔ)采用18根直徑2.5 m的鉆孔灌注樁，邊主塔基礎(chǔ)采用18根直徑1.8 m鉆孔灌注樁。

3.7 錨錠及基礎(chǔ)

樊城側(cè)錨碇基礎(chǔ)采用外徑35 m、壁厚1.0 m的圓形地下連續(xù)墻加環(huán)形鋼筋混凝土內(nèi)襯支護(hù)結(jié)構(gòu)。基底置于中密～密實(shí)卵礫石層，基底標(biāo)高+48.0 m。襄城側(cè)錨碇基礎(chǔ)采用“∞”形地下連續(xù)墻基礎(chǔ)，基底標(biāo)高+45.0 m，其構(gòu)造示意見圖4。

圖4 襄城側(cè)錨錠基礎(chǔ)(單位：cm)

4 靜力主要計(jì)算結(jié)果

4.1 計(jì)算模型

采用非線性有限元軟件BNLAS建模進(jìn)行整體靜力分析和計(jì)算。主纜用懸鏈線索單元進(jìn)行模擬，吊索以膜單元進(jìn)行模擬，主塔和加勁梁用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，考慮加勁梁豎曲線、橋面橫坡等情況，加勁梁截面特性按照換算截面考慮[4]，有限元模型見圖5。其邊界約束條件為：樁底固結(jié)，主纜在錨固點(diǎn)固結(jié)；主梁在主塔處設(shè)上、下游豎向拉壓支座，約束主塔處主梁的豎向位移，并通過上、下游豎向支座的聯(lián)合作用，約束主梁的扭轉(zhuǎn)；主梁與主塔間設(shè)側(cè)向抗風(fēng)支座。

圖5 主橋有限元離散模型

4.2 荷載

按照橋梁實(shí)際施工階段，建立結(jié)構(gòu)模型，分析主橋在各施工過程及運(yùn)營(yíng)階段的應(yīng)力和變形情況。計(jì)算過程中考慮了恒載、汽車，人群荷載、基礎(chǔ)沉降、溫度荷載、風(fēng)荷載等各項(xiàng)作用，并按規(guī)范規(guī)定將各項(xiàng)作用進(jìn)行組合。

4.3 計(jì)算結(jié)果

4.3.1主纜抗滑

中塔主纜抗滑計(jì)算主要加載位置工況及相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 中塔主纜抗滑加載位置工況計(jì)算結(jié)果

對(duì)于大跨三塔懸索橋，主纜抗滑的控制活載工況為：1個(gè)主跨滿布活載，另一個(gè)主跨空載。這種設(shè)計(jì)工況為極小概率事件。進(jìn)行大跨度三塔懸索橋設(shè)計(jì)時(shí)，考慮對(duì)上述加載工況的活載合理取值，如考慮另一主跨施加一車道活載等方式。同時(shí)，對(duì)于大跨度三塔懸索橋，由于主纜拉力中恒載所占比重很大，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，K可在1.5～2之間取值(實(shí)際K≥1.2已足夠安全)[5]，主纜抗滑移安全性均有保證。

4.3.2位移結(jié)果

加勁梁在汽車荷載和人群荷載及橫向風(fēng)荷載作用下?lián)隙冉Y(jié)果見表2。

表2 加勁梁撓度結(jié)果

由表2可見，在汽車荷載和人群荷載及橫向風(fēng)荷載作用下，加勁梁的撓度均滿足規(guī)范規(guī)定的影響撓度不宜大于1/250，橫向位移不大于1/150的要求。

4.3.3應(yīng)力結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，施工與運(yùn)營(yíng)階段主纜、吊索、主梁、主塔應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，其中運(yùn)營(yíng)階段主纜最大應(yīng)力為691 MPa，安全系數(shù)為2.69；吊索最大拉應(yīng)力為589 MPa，安全系數(shù)為3.00；鋼主梁最大拉應(yīng)力為125.45 MPa，最大壓應(yīng)力為81.64 MPa；混凝土橋面板最大拉應(yīng)力為2.45 MPa，最大壓應(yīng)力為4.12 MPa；中塔鋼塔柱最大壓應(yīng)力為230.7 MPa，最大拉應(yīng)力為146.1 MPa，混凝土塔柱的最大壓應(yīng)力為20.3 MPa，最大拉應(yīng)力為1.1 MPa；邊塔鋼塔柱最大壓應(yīng)力為186 MPa，最小壓應(yīng)力為71.7 MPa，混凝土塔柱最大壓應(yīng)力為15.6 MPa，未出現(xiàn)拉應(yīng)力。

5 主要技術(shù)特點(diǎn)

1) 超高性能混凝土的使用。針對(duì)中主塔鋼-混結(jié)合段構(gòu)造與受力比較復(fù)雜的情況,在鋼-混結(jié)合面以下2.5 m范圍內(nèi)采用UHPC作為鋼-混可靠連接的加強(qiáng)措施，該混凝土不僅具有良好的力學(xué)性能，其抗拉、抗壓強(qiáng)度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)混凝土[6]。同時(shí)該混凝土與常規(guī)混凝土在施工澆筑連接面的黏結(jié)強(qiáng)度也超過常規(guī)混凝土，能與常規(guī)混凝土非常好地形成一個(gè)整體。

2) 鋼-混疊合塔。龐公大橋作為2×378 m的三塔鋼板結(jié)合梁懸索橋，中塔剛度對(duì)結(jié)構(gòu)的整體剛度及主纜抗滑移均有重要作用，中塔設(shè)計(jì)是三塔懸索橋設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，同時(shí)本橋的恒活載比不大，因此對(duì)中塔結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度要求更高。通過對(duì)鋼-混疊合塔的鋼、混段高度比例的調(diào)整、鋼塔形式的比選、鋼塔截面等的優(yōu)化，使中塔結(jié)構(gòu)滿足主橋設(shè)計(jì)的要求。

3) 主纜耐久性設(shè)計(jì)。大橋主纜防腐措施通過鋼絲表面鍍層、主纜表面重防腐涂層和注入干燥空氣除濕等3道工序來予以保證。目前國內(nèi)已建成懸索橋主纜鋼絲通常采用鍍鋅層防腐，但已有研究認(rèn)為，鍍鋅鋁合金鋼絲耐腐蝕性能優(yōu)于鍍鋅鋼絲。為延長(zhǎng)大橋的使用壽命，主纜采用鍍鋅鋁合金高強(qiáng)鋼絲材料。

4) “∞”字形地連墻基礎(chǔ)。該基礎(chǔ)的平面面積小，截面慣性矩大，半徑小，墻體環(huán)向應(yīng)力小，可實(shí)施性高。因?yàn)槭苡玫貤l件的限制，采用該結(jié)構(gòu)能有效節(jié)約襄城側(cè)的場(chǎng)地平面布置，減少征地拆遷的范圍。

6 結(jié)語

襄陽龐公大橋主橋采用三塔兩跨懸索橋，加勁梁采用鋼板梁-混凝土橋面板結(jié)合梁形式。大橋采用了UHPC超高性能混凝土鋼-混接頭、鋼-混疊合塔、鋅鋁合金鍍層纜索、“∞”字形地連墻錨碇基礎(chǔ)等特殊材料與工藝。大橋于2016年10月開工建設(shè)，2019年11月主橋順利合龍，已于2020年6月建成通車。龐公大橋的建成將有效緩解襄城與樊城兩城區(qū)之間的過江壓力，緩解過江通道兩側(cè)道路的交通擁堵。