門式獨塔自錨式懸索橋總體設計

文/鄧錦平 謝雪峰 華龍海 黃思勇

1 工程概況

赤水灣大橋位于河北省涉縣赤水灣景區，上跨清漳河，道路等級為城市次干道，設計速度40 km/h，汽車荷載為城-A級；設計洪水頻率為100 a一遇，橋位處地震動峰值加速度為0.1g，地震動反應譜特征周期為0.4 s。

2 橋型選擇

2.1 基本原則

1）在滿足橋上使用功能和橋下泄洪、防洪要求的前提下，力求橋梁造型新穎，選用技術上可靠、經濟上合理和施工上可行的方案。

2）在考慮滿足結構受力安全性的同時，還要充分重視景觀設計，力爭造型美觀，在總體上與周圍環境協調、配合，將大橋建設成為標志性建筑。

3）考慮百年一遇的洪水控制橋面最高標高并且控制橋面縱坡在2%以下，以利于非機動車上下橋。

2.2 方案選擇

清漳河河谷地貌的顯著特點是河漫灘寬度較大且橋位西側緊鄰219 縣道與將軍大道的平交口，受地形的限制，橋梁距河底不能高太多。綜合建設方需求及橋位特點，對獨塔自錨式懸索橋、下承式鋼桁架拱橋、獨塔斜拉橋3 個方案進行了綜合比較，最終選擇獨塔自錨式懸索橋作為本橋的實施方案，橋塔采用莊重的中式門塔造型，整體顏色采用紅色，見圖1。

圖1 橋梁效果

3 設計要點

3.1 橋型布置

主橋為獨塔雙索面自錨式懸索橋，跨徑布置為129 m+40 m+40 m+30 m，全長239 m，邊跨設有一個輔助墩。橋梁上跨主河槽后與現狀劉張公路平交，主跨側不具備設置錨跨條件，因此主纜在主跨側直接錨固在鋼箱梁上。

為降低工程造價，主跨129 m 加勁梁采用分離式鋼箱梁斷面，40 m+40 m 邊跨及30 m 錨跨采用混凝土整體式箱梁斷面，鋼混凝土結合面設置在主跨內距主塔中心線3.5 m處。見圖2。

圖2 橋型立面布置

3.2 主梁

主梁順橋向總體布置：125.4 m（鋼箱梁）+3.5 m（預應力混凝土段）+40 m（預應力混凝土梁邊跨）+40 m（預應力混凝土梁邊跨）+30 m（預應力混凝土梁錨跨）。

主跨加勁鋼梁頂面寬32 m，標準斷面為4個封閉式箱形截面，兩側外挑2.8 m懸臂，設1.5%的橋面橫坡，梁底水平，橋梁中線處梁高2.0 m。吊桿橫橋向間距為18 m，錨固于鋼箱梁之間的吊點橫梁上[1]。見圖3。

圖3 鋼梁橫斷面

邊跨為2×40 m 預應力混凝土連續箱梁，道路設計中線處梁高1.97 m，采用單箱八室斷面，混凝土箱梁腹板與主跨鋼梁腹板一一對應。箱梁頂板寬32 m，底板寬26.4 m，兩側懸臂各長2.8 m，與主跨鋼梁外輪廓保持一致，橋面橫坡通過調整腹板高度實現。邊跨連續梁箱梁頂板厚22 cm，底板厚20 cm，跨中腹板厚50 cm，支點處腹板加厚至70 cm。每個吊桿處均設置吊點橫梁，寬0.8 m，預應力混凝土結構。

主纜錨固在主梁上，巨大的纜力通過錨固構造傳遞到整個箱梁斷面，因此錨固構造為本橋的關鍵構造[2]。

主跨主纜錨固構造采用格構式全鋼結構形式，為保證必要的錨固空間，錨固區鋼箱梁梁高增大為2.5 m。梁端14.8 m長梁段采用整體式鋼箱斷面。主纜后錨板為100 mm的抗層狀撕裂鋼板，錨板斜置與主纜中線正交。在錨板后面設置十字交叉的格柵板，與鋼箱梁腹板及頂底板焊接。見圖4。

圖4 格構式全鋼錨固構造

邊跨主纜錨固在混凝土箱梁上，錨墊板與錨固端板之間沿主纜軸線距離為5 m。兩板之間設置φ245 mm×10 mm 索股預埋鋼導管，在橋梁左右側對稱布置。主纜入梁部位采用梁體開槽的做法，根據散索套與散索鞍基座結構尺寸的不同以及入梁角度的不同分別設置不同的槽口尺寸。

根據局部分析計算模型，鋼箱梁錨固區總體應力狀況均滿足規范要求，其中錨固區是應力較大的區域。

為保證鋼箱梁與混凝土之間的可靠連接，平衡結合段處的彎矩、剪力，在鋼混結合處設置一塊60 mm厚的抗層狀撕裂鋼板。過渡段鋼箱梁采用“U”肋上加焊“∏”形加勁的方式，過渡段箱梁長5.3 m，頂板厚20 mm，底板厚20 mm，腹板厚20 mm。

為保證混凝土梁及鋼梁之間的剪力傳遞，同時防止鋼板與混凝土之間的剝離，在鋼箱梁頂、底板上加焊PBL傳剪板，腹板延伸段設有PBL剪力鍵，邊腹板和承壓鋼板上布置了圓柱墩頭剪力釘[3]。見圖5。

根據實體分析模型，鋼混結合段的鋼箱梁部分的整體應力水平一般在50 MPa以下，在PBL板與橫隔板以及腹板與橫隔板局部焊接接縫處會出現應力集中現象，出現149 MPa 的集中應力。混凝土段除去邊界段因為約束的影響導致應力集中外，均處于6 MPa 以下。鋼混結合段的混凝土與鋼板連接的角點處存在應力集中現象，出現6 MPa左右的拉應力，鋼混結合段的其余部位的應力水平均在3 MPa以下。結構設計時在應力集中部位增開振搗孔，確保該處混凝土的振搗密實。

圖5 鋼混結合段構造

3.3 纜索系統

1）主纜。全橋共設2 根主纜，橫橋向的中心間距為18 m。主纜計算跨度為121 m+73 m，綜合考慮全橋的剛度并盡量減小主纜錨固對梁產生的上拔力，通過比選[4]，主跨主纜理論垂度為9.68 m，矢跨比為1/12.5，邊跨主纜理論垂度為3.049 m，矢跨比為1/23.94。主纜采用預制平行鋼絲索股，每股由127 根直徑為5.4 mm 鍍鋅高強鋼絲組成，鋼絲標準抗拉強度≮1770 MPa，單根索股平均無應力長度約228 m，最長索股質量5.3 t。每根主纜由19 股索股組成，主纜空隙率在索夾內取18%，索夾外取20%，索夾外主纜直徑為296.6 mm。

2）吊桿。因本橋主纜直徑較小，吊索不宜采用鋼絲繩，而采用了平行鋼絲，順橋向間距8 m。每一個吊點（一個索夾）設1根吊索。吊索上端與索夾采用銷接式連接，下端與主梁的連接采用了錨于吊桿橫梁上的套筒承壓式。

3）主索鞍。采用全鑄式結構，鞍槽內設豎向隔板，厚5 mm；鞍槽總寬320 mm。在索股全部就位后，頂部用鋅塊填平，再將鞍槽側壁用拉桿夾緊。座板頂面在鞍座兩側設有縱向導向肋，保證索鞍頂推不發生偏轉。

4）索夾及散索套。均采用上下對合的結構形式，用高強螺桿連接緊固。

3.4 主塔設計

主塔為鋼筋混凝土門式結構，由下、中、上塔柱及上、下橫梁5 部分組成，均采用C50 混凝土。塔高（從承臺頂面算起）為57.58 m、橋面以上塔高為45 m，主塔塔柱設計為等截面直塔柱，單側主塔橫橋向寬為11.2 m、順橋向寬為6.0 m。主塔側面布置有直徑10 cm、間距3 m的通風孔，通風孔向外、向下傾斜。

自承臺頂至下橫梁頂為下塔柱，高10.13 m，單側主塔橫橋向等寬11.2 m、順橋等向寬6.0 m，采用單箱單室截面，壁厚為2 m，塔柱底設置2.0 m實體段。

下橫梁頂至上橫梁頂為中塔柱，中塔柱高37.95 m。自上橫梁頂往上14.25 m，單側塔柱由下塔柱的單箱單室截面變化為4個2 m×2 m的實心小柱，小柱最外側角點與下塔柱對齊。小塔柱上設置有2 m厚橫隔板，橫隔板之上，主塔截面又恢復至單箱單室的截面形式。其中，主纜下的內側塔柱壁厚為2 m，塔柱外側壁厚0.8 m，順橋向塔柱壁厚0.7 m。小塔柱上方的橫隔板中設置有人孔，塔柱日常檢修可通過設置于塔壁的爬梯由此進入主塔內部。

上塔柱高9.5 m，為主塔景觀裝飾區，塔頂景觀裝飾采用鋼結構。

3.5 下部結構

橋位處河床質屬第四季沉積物，河漫灘沖積物由礫石層和礫石砂層組成，夾有少量含砂黏土，地基承載力比較好。橋梁基礎采用鉆孔灌注樁，樁尖置于卵石層中，采用摩擦樁設計。橋臺采用鋼筋混凝土U型橋臺與清漳河主河槽擋墻順接。

3.6 抗震設計

根據CJJ 166—2011《城市橋梁抗震設計規范》，懸索橋屬于甲類橋梁，要求在E1地震作用下基本無損傷；在E2地震作用下，只可發生混凝土裂縫開裂過大，截面部分鋼筋進入屈服等輕微損傷，地震后不需修復或簡單修復可繼續使用。

赤水灣大橋為縱向漂浮體系，其縱向剛度較小，縱向地震反應較大，需要設置粘滯阻尼器來減少結構的地震反應，保護主要受力構件[5]。

在塔梁交接處設置兩個阻尼力為3200 kN、行程±150 mm的粘滯阻尼器后，橋塔彎矩及剪力均明顯減小，塔頂和梁端位移也明顯減小。

4 施工組織

自錨式懸索橋采用先梁后纜的施工順序，主梁安裝時采用支架安裝，可利用橋位處的臨時道路作為支架的基礎[6]。主橋施工順序：主梁、主塔施工→纜索系統施工準備工作→安裝塔頂施工門架及起重系統→安裝索鞍下座板→吊裝主索鞍→架設施工貓道→安裝牽引系統及導向滾輪→架設主纜索股→調整主纜線形及錨跨拉力→緊纜→安裝索夾、散索套→轉換改掛貓道→安裝并張拉吊桿→索夾螺栓緊固→橋面二期恒載施工→安裝張拉吊桿、橋面二期恒載施工期間分階段頂推主索鞍→索夾螺栓緊固→主索鞍鎖定→纜索系統防護→安裝主纜纜套及檢修道→安裝主索鞍鞍罩→密封鞍罩及錨跨錨室→進行纜索系統的統一防護涂裝→安裝景觀照明及避雷設施等→拆除貓道。

5 結語

結合建設條件、地形、水文、地震等條件，赤水灣大橋設計時對該橋的主梁、主塔、主纜及其錨固方式、抗震性能進行了分析研究，為今后類似橋梁的設計提供技術參考。