水土嘉陵江大橋主橋設計

盧光明，馬振棟，黃 剛

（林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司，重慶市 401121）

1 工程概況

水土嘉陵江大橋位于重慶兩江新區(qū)，跨越嘉陵江，距離嘉陵江與長江匯合口約40 km。橋梁全長972 m，包括主橋及南引橋。主橋為高低塔雙索面斜拉橋，全長776 m,跨徑布置為260 m+388 m+128 m，橋寬32.5 m。主橋總體布置圖見圖1所示。

2 主要技術標準

水土嘉陵江大橋主橋采用如下技術標準進行設計。

（1）道路等級：城市主干道，雙向6 車道；

（2）設計車速：60 km/h；

（3）荷載等級：城-A 級，人群荷載2.4 kN/m2；

（4）橋面寬度：32.5 m=0.75 m(拉索區(qū))+3 m(人行道)+11.5 m(機動車道)+2 m(中分帶)+11.5 m(機動車道)+3 m(人行道)+0.75 m(拉索區(qū))；

（5）橋面縱坡：雙向縱坡0.7%；

（6）設計水位：300 a 一遇204.54 m；

（7）通航標準：內河Ⅲ-（3）級航道，按Ⅲ-（2）級控制；

（8）通航水位：最高通航水位199.83 m，最低通航水位172.2 m；

（9）抗震設計標準：地震基本烈度為6 度，抗震措施為7 度，抗震設計方法為A 類；

（10）設計風速：離地面10 m 高，重現(xiàn)期100 a，10 min 平均最大風速27.5 m/s；

（11）設計基準期：100 a。

3 結構設計

水土嘉陵江大橋主橋為高低塔雙索面斜拉橋，跨徑布置為260 m+388 m+128 m，橋寬32.5 m。主梁采用鋼混疊合梁；橋塔為雙柱型，分高低雙塔，均采用八邊型結構形式；交接墩采用八邊形空心墩；基礎均采用鉆孔灌注群樁基礎。橋塔處主梁與橋塔固結，交接墩及橋臺處設置減隔震支座，并設置防落梁擋塊。

3.1 主梁

斜拉橋主梁截面可采用鋼梁、混凝土梁及鋼混疊合梁，各種截面形式適用范圍不同。不同材料主梁優(yōu)缺點比較詳見表1 所列。

該橋為高低塔斜拉橋，主跨跨徑為388 m，但由于矮塔僅能對主跨128 m 范圍起到支撐作用，因此，單個高塔需滿足260 m 主跨范圍的受力需求；從受力特性上來講，更接近于主跨520 m 的對稱雙塔斜拉橋結構。鑒于上述分析，該橋主跨屬于鋼混疊合梁橋的經(jīng)濟跨徑范圍內。通過比較各種主梁的優(yōu)缺點，綜合考慮施工、運輸?shù)纫蛩?，主梁推薦采用鋼混疊合梁。

主梁采用鋼混疊合梁，中心梁高3.49 m，端部梁高3 m，梁寬32.5 m。標準節(jié)段長度為12 m，橋塔根部節(jié)段長度為10.45 m（高塔）和11.05 m（低塔），端部節(jié)段長度為14.8 m，合龍段長度為6 m。主梁標準橫斷面圖見圖2所示。

疊合梁鋼主梁采用工字型截面，梁高3 m，腹板厚40 mm。標準節(jié)段頂板厚60 mm，寬780 mm，底板厚80 mm，寬1 180 mm；端部及跨中節(jié)段頂板厚40 mm，寬780 mm，底板厚60 mm，寬1 180 mm。橫梁采用工字型截面，間距4m，頂板、底板厚30 mm，寬600 mm，腹板厚16 mm。

混凝土橋面板分為25 cm 和40 cm 兩種厚度。預制橋面板采用C60 混凝土，現(xiàn)澆橋面板采用C60微膨脹細石混凝土。下部鋼主梁拼裝完成后吊裝預制混凝土板，通過現(xiàn)澆橋面板與剪力釘形成鋼混疊合梁。剪力釘采用圓柱頭焊釘，規(guī)格為φ22×160。橋面板布置縱向預應力鋼束，鋼束規(guī)格采用9φs15.2 規(guī)格。

主梁與橋塔采用固結構造，通過對拉預應力鋼束形成整體，共同受力。

表1 不同材料主梁優(yōu)缺點比較表

圖2 主梁標準橫斷面圖（單位：mm）

3.2 橋塔

水土大橋橋塔采用雙柱型，分高低兩塔，兩個塔截面均采用八邊型結構形式。橋塔構造圖見圖3所示。

高塔塔高201 m，其中橋面以上128 m，橋面以下73 m；高塔塔底每肢橫向寬12 m，縱向寬8.5 m，塔頂橫向寬3 m，縱向寬7 m。橋塔截面采用單箱單室，上塔柱拉索區(qū)壁厚為1.2～0.8 m，下塔柱壁厚為1.2～1.0 m。為了減小流水沖擊，下塔柱設置橫向分流構造。

圖3 橋塔構造圖（單位：cm）

低塔塔高154 m，其中橋面以上76 m，橋面以下78 m；低塔塔底每肢橫向寬10.5 m，縱向寬7 m，塔頂橫向寬3 m，縱向寬6 m。橋塔截面采用單箱單室，上塔柱拉索區(qū)壁厚均為0.8 m，下塔柱壁厚為1.2～1.0 m。為了減小流水沖擊，下塔柱設置橫向分流構造。

承臺均采用矩形承臺，厚度為7 m 及6 m。高塔單肢基礎為20 根直徑2.5 m 的鉆孔灌注樁，低塔單肢基礎為12 根直徑2.5 m 的鉆孔灌注樁，按端承樁設計。

3.3 交接墩

交接墩采用八邊形空心墩，墩高64.0 m；橋墩截面尺寸為7 m× 4 .5 m，壁厚0.8m。承臺采用矩形承臺，厚度為4 m。基礎為4 根直徑2 m 的鉆孔灌注樁，按端承樁設計。

3.4 斜拉索

斜拉索采用1 670 MPa 平行鋼絲，雙索面平行布置。斜拉索在主梁索距分別為12 m 及12.6 m，在橋塔上的索距為3 m。高塔每根塔柱設21 對斜拉索，低塔每根塔柱設10 對斜拉索，全橋共124根斜拉索。

全橋最大索力7 792.6 kN，最小索力3 450 kN，應力安全系數(shù)大于2.5。斜拉索的應力幅最大為169.7 MPa，小于規(guī)范要求的200 MPa。

斜拉索采用雙防腐體系（包括鍍鋅和雙層高密度聚乙烯外保護層），以保證其在設計壽命期內免遭腐蝕。

3.5 索梁錨固

索梁錨固結構對比了銷耳錨固形式和錨箱形式。經(jīng)過綜合比選，錨箱形式連接方案內空間狹窄，構件較多，監(jiān)護、檢查較麻煩，維修工作難度較大。銷耳錨固形式受力明確，構造簡單，養(yǎng)護方便，推薦采用銷耳錨固形式。

耳板結構與主梁腹板在腹板中心處對接，耳板板厚為80～60 mm。為保證銷孔孔壁的局部承壓和抗剪承載力，在耳板銷孔的兩側各焊一塊加強板，板厚40 mm。耳板及加強板均采用Q420qE-Z25。

3.6 索塔錨固

索塔錨固結構對比了鋼錨箱結構形式和鋼錨梁結構形式。經(jīng)過綜合比選，鋼錨箱形式構造簡單、受力較為明確，力學性能有保證、施工質量易控制。鋼錨梁受力明確、傳力清晰、力學性能有保證、施工質量易控制，但結構所占空間較大，在單端張拉和換索工況情況下混凝土塔壁出現(xiàn)應力集中，最終推薦采用鋼錨箱結構。

鋼錨箱為箱體結構，箱寬1 800 mm，箱長4 600 mm，節(jié)段高度分別4.8～3.0 m。鋼錨箱的主要結構由錨墊板、承壓板、加勁板、錨箱側拉板、端部側壓板及剪力釘?shù)冉M成。其中側拉板承擔斜拉索水平拉力，板厚50 mm；端部側壓板，板厚40 mm，與側拉板一起構成箱體框架；錨箱承壓板厚40 mm，錨墊板厚50 mm。

4 結構計算分析

主橋的計算分析采用有限元分析程序Midas Civil 建立空間有限元模型進行整體靜力和動力分析。建模分析過程中，對于工字型縱梁、橫梁、橋臺及疊合梁的混凝土部分采用三維梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬。通過設置剛性桿件模擬橋塔與斜拉索之間的連接。主梁及各個構件截面特性按照結構實際尺寸進行取值。主橋各部位邊界條件，根據(jù)結構實際情況進行模擬。

根據(jù)結構體系形成過程及施工方案,按施工步驟進行建模,考慮自重、2 期恒載、溫度、汽車荷載及人群荷載等在內的多種計算荷載，并考慮混凝土收縮徐變、斜拉索張拉引起的結構彈性壓縮等因素，按規(guī)范要求進行荷載組合。

通過對施工階段、成橋階段及運營階段的綜合分析，橋梁各結構截面應力和強度均能滿足規(guī)范要求，結構受力合理。

4.1 主梁計算分析

4.1.1 鋼結構主梁

工字型主梁下緣最大壓應力為219 MPa，最大的拉應力為113 MPa；上緣最大壓應力為195 MPa，最大的拉應力為6.6 MPa。根據(jù)相關規(guī)范要求，Q370 的容許應力為240 MPa，且有外力組合時的提高系數(shù)為1.25，所以容許應力為300 MPa，滿足規(guī)范要求。

4.1.2 混凝土橋面板

混凝土橋面板分為25 cm 和40 cm 兩種厚度,采用C60 混凝土。橋面板的控制斷面分別為塔梁固接處及合攏段。經(jīng)計算，橋面板滿足承載能力極限狀態(tài)要求，在長期組合下未出現(xiàn)拉應力，在短期組合下最大拉應力為1.8 MPa，滿足規(guī)范要求。

4.1.3 主梁撓度

根據(jù)《公路斜拉橋設計細則》（JTG/T D65-01-2007）第4.4.1 條，鋼組合梁在車道荷載（不計沖擊力）作用下的最大豎向撓度應不大于L/400。經(jīng)計算，主梁撓跨比分別為1/722 和1/902，滿足規(guī)范要求。詳見表2 所列。

表2 車道荷載作用下主梁豎向撓度表

4.2 橋塔計算分析

水土大橋橋塔采用雙柱型八邊型結構，橋面以上無塔間橫梁聯(lián)系，受力復雜。對橋塔主要進行施工階段及運營階段的受力分析。

4.2.1 施工階段

主要對最大雙懸臂階段以及成橋階段的橋塔進行分析。兩個施工階段橋塔截面均為全斷面受壓，截面壓應力控制在7.1～9.4 之間。

4.2.2 運營階段

根據(jù)總體計算結果，橋塔的控制斷面為塔柱底部及塔梁固結處。按照各種荷載組合，橋塔的承載能力極限狀態(tài)驗算滿足規(guī)范要求，正常使用極限狀態(tài)驗算裂縫寬度均控制在0.1 mm 以內，滿足規(guī)范要求。

4.3 動力特性分析

動力特性分析采用空間結構的有限單元方法，利用空間梁單元模擬主梁、橋塔及橋墩等，考慮橋塔的P-Δ效應；利用桁架單元模擬斜拉索，考慮到拉索垂度效應對其彈性模量值采用Ernst公式進行了修正；動力特性計算模型及彈性反應譜分析模型，均不考慮支座的摩擦作用，非線性時程分析中考慮了支座的摩擦滑動效應。水土大橋的動力特性詳見表3 所列。

表3 水土大橋動力特性表

5 施工關鍵技術

該工程河段處于三峽水庫變動回水區(qū)，枯水季為水庫特性，汛期為天然河道，具有水庫和天然河道的雙重特性?？紤]下部結構在枯水期施工，樁基礎采用鉆孔灌注樁，橋塔承臺采用雙壁鋼圍堰法施工。

主塔塔柱利用體內勁性骨架，輔以自升式塔吊，采用爬模法施工。節(jié)段鋼梁在工廠加工，船運至施工平臺，利用橋面吊機吊裝拼裝，完成拼裝后掛設斜拉索。放置預制混凝土板，通過現(xiàn)澆濕接縫完成節(jié)段施工。張拉斜拉索。

6 結語

水土嘉陵江大橋根據(jù)實際地形特點，采用高低塔斜拉橋，具有優(yōu)美的外形，與周圍環(huán)境、地理位置和規(guī)劃理念相協(xié)調，使橋梁與濱江城市環(huán)境景觀相得益彰，融為一體，將為重慶兩江新區(qū)增添一道靚麗的風景線。

[1] 林元培.斜拉橋［M］.北京:人民交通出版社，2004.

[2] 聶建國.鋼-混凝土組合結構橋梁［M］.北京:人民交通出版社，2011.

[3] JTG/T D65-01-2007,公路斜拉橋設計細則［S］.

[4] JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規(guī)范［S］.

[5] JTG D61-2005，公路圬工橋涵設計規(guī)范［S］.

[6] JTGD62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范［S］.

[7] JTG D63-2007，公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范［S］.

[8] GB50917-2013，鋼-混凝土組合橋梁設計規(guī)范［S］.