深水基礎自錨式懸索橋設計與施工

吳巨軍, 趙林強, 李茜茜

(1.杭州市城建設計研究院有限公司，杭州 311400； 2.浙江工業大學 工程設計集團有限公司，杭州 310014)

前倉大橋是浙江省青田縣東赤大道跨越甌江的控制性工程，主橋采用(45+120+45)m預應力混凝土自錨式懸索橋，如圖1所示，橋位處甌江常水位2.7 m，寬約196 m，場地屬于典型的山間河谷地貌，河槽沖刷下切較深，河床最低高程約-24.5 m。由于橋位處常年采砂，河底僅覆蓋約1 m厚的砂礫層，下臥即為中風化花崗巖，花崗巖硬度較高，其單軸極限抗壓強度約62 MPa～91 MPa。該工程為城市次干路，雙向4車道，設計速度40 km/h，兩側設置慢行道，設計荷載等級為城-A級。

圖1 前倉大橋實景

1 主要技術難題

1) 主橋基礎工程位于深水、急流、裸巖中，選擇合理的基礎形式和施工工藝對結構安全和建設成本影響較大。

2) 自錨式懸索橋需采用“先梁后纜”施工順序，深水河道上混凝土主梁的支架搭設難度大。

3) 自錨式懸索橋結構特點與地錨式懸索橋差異較大，施工控制與體系轉換比較復雜。

2 主橋結構設計

2.1 橋型方案

甌江上已經有斜拉橋和拱橋，考慮一橋一景需求，主橋采用3跨預應力混凝土自錨式懸索橋，跨徑布置為(45+120+45)m。主橋邊中跨比例為0.37，采用較小的邊中跨比例有助于提升全橋整體剛度[1]。主纜矢跨比1/5.5，采用較大矢跨比既可凸顯立面曲線，又能增加自錨式懸索橋結構整體剛度[2]。加勁梁為預應力混凝土結構，寬30 m，梁高2.2 m。吊索縱向標準間距5.0 m。橋塔塔身采用鋼筋混凝土框架結構，因水深較大采用高樁承臺，鋼管混凝土嵌巖樁基礎支撐于巖質河床上。在塔、墩位置設置豎向支座，支座縱向可滑動，總體結構為半飄浮體系[3]。主橋立面布置如圖2所示。

單位：m

自錨式懸索橋的特點是主纜錨固在加勁梁上，主纜通過散索套后發散錨固在梁端，主纜錨固入射角約29°，主纜錨固大樣如圖3所示。主纜錨固產生的水平向分力相當于對加勁梁提供了“免費預應力”；產生的豎向分力主要由端橫梁的自重來平衡，如不能平衡則需要配置錨跨。錨固區范圍內端橫梁尺寸適當放大，并采用鐵砂混凝土增加自重以抵消主纜豎向分力。同時，端橫梁設置牛腿，引橋直接支撐在端橫梁上，進一步增加了壓重荷載安全儲備。經計算，本橋不需設置錨跨，從而簡化了橋梁造型和結構布置。

單位：m

2.2 加勁梁

加勁梁采用C50預應力混凝土縱橫梁體系，高跨比1/54.5，底面水平，頂面設置1.5%雙向橫坡。加勁梁設置4道縱梁以匹配橫斷面吊桿布置，塔柱兩側各設一根縱梁，縱梁采用寬度1 m實體斷面，為改善縱梁受力，內設預應力鋼束。加勁梁頂板厚度0.25 m，外側懸臂長度4.45 m。中橫梁基本間距5 m，與吊桿對應設置，橫梁跨中高度2 m，按照1.5%橫坡向兩側遞減，腹板厚0.4 m，吊桿區腹板加厚為0.7 m，腹板內布置橫向預應力束。加勁梁標準斷面如圖4所示。

單位：cm

2.3 橋塔

橋塔主要由靜力工況控制設計，自錨式懸索橋初始平衡狀態下塔柱彎矩接近零[4]，以承受軸壓為主，因此塔身尺寸可設計得較為纖細。橋塔高45 m，橫橋向采用門式框架造型，在塔頂以及主梁下方設置高2.5 m橫梁，順橋向采用單柱形。單個塔柱由下塔柱、上塔柱組成，塔柱的4個角設置裝飾凹槽，整體造型簡潔大方，富有細節；塔柱尺寸自上而下放大，以取得視覺穩定感。主鞍座直接安裝在塔頂預埋鋼板上，無多余的塔尖造型。橋塔構造如圖5所示。

(a) 橫橋向 (b) 順橋向

2.4 橋塔深水基礎

深水基礎設計是本橋關鍵技術問題之一，橋梁深水基礎形式主要有大直徑鉆孔樁基礎、沉井基礎、設置基礎等。鉆孔樁基礎設備要求簡單，適應性好，成孔速度快，造價相對較低，是我國最主要的深水基礎形式；沉井基礎主要應用于超大跨徑橋梁工程，特點是承載力高，穩定性好，抗震、抗撞性能比較優越；設置基礎是國外深水大跨橋梁的主要基礎形式，對設備要求較高，國內采用不多。

根據甌江水文條件、地質情況及施工工藝要求，橋塔采用嵌巖高樁承臺基礎，樁長35.5 m，水中自由長度約24.5 m，位于河底砂礫石覆蓋層約1 m，嵌入河床底部中風化花崗巖約10 m。考慮深水條件下樁基施工工藝特點，設計采用Φ220 cm鋼管混凝土樁[5]，即在壁厚20 mm空鋼管內設置鋼筋籠，并澆筑C40混凝土，三者形成整體而共同工作的構件，從而大大提升了樁基的強度、剛度、延性和承載力[6]。橋塔樁基橫斷面如圖6所示。

單位：cm

采用鋼管混凝土樁基是由建橋條件決定的，是組合結構應用于深水基礎的結構創新：

1) 樁長的70%處于水中，成孔和成樁均需要在鋼護筒保護下進行，考慮流速及基巖硬度因素，鋼護筒必須采用較大的壁厚，用鋼量較大，且很難進行水下回收，不如直接按鋼管混凝土組合結構進行設計、計算，更符合結構受力真實情況。

2) 青田境內的甌江，屬于典型的山溪性河流，流速快，洪水時還夾帶砂礫、石子，對混凝土表面有較大的沖刷侵蝕作用，從而影響樁基結構安全。采用鋼管混凝土樁基可有效保護核心鋼筋混凝土結構，避免沖刷侵蝕。

3) 樁基位于常水位以下，鋼管氧化腐蝕相對比較緩慢；設計采用了犧牲陽極保護法延緩鋼管腐蝕，陽極材料采用鋁合金，設置在承臺以上塔柱內側，可定期更換。

單個橋塔承臺平面尺寸13.3 m×8.5 m，厚3.5 m，左右承臺之間采用系梁連結；單個承臺設置6根Φ220 cm鋼管混凝土樁。橋塔基礎平面布置如圖7所示。

單位：cm

2.5 纜吊系統

主纜由3跨組成，邊跨和中跨的理論跨徑分別為45 m、120 m，中跨理論垂跨比為1/5.5。主纜在橫斷面上布置為平行雙纜面，采用預制平行鋼絲索股逐根架設(PPWS)，每根主纜內含37股平行鋼絲索股，每股內含91絲Φ5 mm的鋅鋁合金鍍層鋼絲，單根主纜共3 367絲，豎向排列成尖頂的正六邊形，鋅鋁合金鍍層鋼絲標準強度σb=1 770 MPa。通過緊纜后主纜為圓形，索夾處直徑320.4 mm(孔隙率18%)，索夾間直徑324.4 mm(孔隙率20%)。設計重視主纜防腐設計，鋅鋁合金鍍層鋼絲的抗腐蝕性能是常規鍍鋅鋼絲的2倍以上[7]。主纜外防護采用“磷化底漆+9501B不干性密封膏+鍍鋅低碳鋼絲纏繞+表面涂裝”的組合防腐體系，如圖8所示。

單位：cm

吊索采用豎直形式，基本間距5 m，采用22根Φ15.2 mm環氧噴涂鋼絞線索體，標準強度1 860 MPa。吊索上端通過叉耳板與索夾銷接，下端采用錨頭直接錨固在主梁上，錨頭球形螺母和梁底預埋錨墊板之間設球鉸以適應吊索變形。

主索鞍采用全鑄式肋傳力結構，材料為ZG275-485H鋼，由鞍體和座板組成，高2.06 m，長4.1 m，承纜槽底部立面圓弧半徑為2.93 m。座板頂面設置縱向限位裝置以保證鞍體在施工頂推時保持直線。索股架設就位后，頂部用鋅塊擠密壓緊，加蓋不銹鋼板保護罩。

索夾由2個壁厚40 mm鑄鋼半圓構件，通過高強螺栓上下對合連接而成，索夾主體由ZG20Mn鋼鑄造。為保證在高強螺栓作用下索夾能箍緊主纜，在上下兩半間預留20 mm空隙。為避免索夾下滑，應按計算要求設置合理的高強螺栓數量，并施加一定的預緊力，抗滑移安全系數不小于3.0，保證索夾抱緊主纜。

該橋采用固定式散索套，散索套采用ZG20Mn鑄鋼整體鑄造，基座采用ZG275-485H鑄鋼整體鑄造，散索套與基座之間通過銷鉸連接以適應運營期間主纜的微小線形變化。

3 主橋結構靜力計算

靜力分析采用空間有限元程序Midas/Civil，根據有限位移理論建立空間有限元模型，考慮幾何非線性迭代求解結構初始內力和初始線形，采用等效線性化方法進行內力、應力和整體剛度驗算。主纜、吊索分別采用索單元及桁架單元建模，其余采用梁單元建模；主纜與塔頂、梁端的約束采用剛性連接[8]。總體計算模型如圖9所示。

圖9 主橋有限元計算模型

運營階段基本組合下，主要構件有限元分析結果表明：

1) 加勁梁剛度及應力：活載作用下主跨跨中最大撓度129 mm(已計入撓度長期增長系數)，撓跨比1/930<1/600；最大壓應力14.6 MPa，最大拉應力0.52 MPa，加勁梁應力按照A類預應力混凝土構件控制，滿足規范要求。

2) 橋塔應力：運營狀態塔柱最大壓應力12.7 MPa, 最小壓應力1.8 MPa，滿足規范要求。

3) 采用疊加法計算鋼管混凝土樁基截面應力，鋼管及管內混凝土均未出現拉應力，鋼管最大壓應力138.2 MPa，管內混凝土最大壓應力7.3 MPa，滿足規范要求。

4) 主纜、吊索強度安全系數：主纜最大內力 35 845 kN, 強度安全系數3.1>2.5(規范允許值)；吊索最大內力1 635 kN，強度安全系數3.5>3.0(規范允許值)。

4 主橋施工方案

青田縣前倉大橋屬于自平衡體系，總體上采用“先梁后纜”的順序施工[9]，即先在支架上完成主梁，后架設主纜，再張拉吊索完成體系轉換。

4.1 橋塔施工

橋塔位于甌江主航道外側，橋塔樁基施工采用鋼管樁固定式水上平臺，鋼管樁頂部采用型鋼及貝雷梁拼裝成整體工作平臺，橋塔樁基鋼護筒埋設采用“跟進法[10]”。

橋塔施工流程如下：1) 下放鋼護筒，精準定位后臨時固定。2) 采用比護筒內徑略小的錘頭沖擊鉆孔，錘頭規格為10 t五爪合金鋼鉆錘，待引孔至一定深度后，采用大功率振動錘震動鋼護筒，切削巖體下沉；為使鋼護筒能夠順利切削堅硬的花崗巖且底口不發生卷邊，鋼護筒底部2 m范圍增加壁厚，并在底口增設合金鋼刃腳。3) 重復上述工序，邊鉆孔邊下沉直至設計樁底標高。4) 在振動錘輔助下，上拔鋼護筒，控制鋼護筒嵌入基巖約3 m，以確保不漏漿為原則即可，上拔鋼護筒的目的是確保下部樁基混凝土能與周邊花崗巖緊密結合。5) 用大型浮吊安裝鋼筋籠，并灌注C40水下混凝土使得鋼護筒、鋼筋籠、管內混凝土形成統一受力的鋼管混凝土樁基。6) 在鋼套箱保護下施工橋塔承臺。7) 采用爬模法[11]施工塔身。

4.2 加勁梁施工

加勁梁采用臨時墩-貝雷梁支架現澆施工，考慮到深水基礎臨時墩施工難度大、成本高，貝雷梁結構采用雙層布置[12]，支架縱向加大跨度至36 m，主跨水中僅設置2排臨時墩，邊墩利用在橋塔承臺上設置的鋼管立柱，如圖10所示。每個水中臨時墩由6根直徑920 mm鋼管樁組成，鋼管壁厚12 mm，采用大型駁船作為水上施工平臺，利用大型履帶吊配合振動錘“釣魚法”[13]插打施工。鋼管樁下部灌注混凝土、鄰近鋼管樁互相連接形成“板凳樁”[14]，通過這些措施提高臨時墩整體剛度和穩定性。臨時墩施工完畢后，頂部架設雙層貝雷梁支架現澆施工混凝土加勁梁。

單位：m

4.3 體系轉換

體系轉換是自錨式懸索橋施工難點，早年參照系桿拱橋，采用分批循環張拉逼近設計吊索力的方法，該法本質上是一種線性思路，與自錨式懸索橋非線性大變形的受力和變形特征并不匹配，效率低下，控制精度不高。

本橋引入了無應力狀態控制法，該法原理是：在結構外荷載、結構體系、支承邊界條件、單元無應力長度、無應力曲率一定的情況下, 其對應的結構內力和位移是唯一的, 與結構的形成過程無關。自錨式懸索橋的主纜、吊索無應力狀態量只和成橋狀態相關，不會隨溫度、臨時荷載及其他吊索索力的變化而變化，是穩定的物理量，比用索力控制有更高的可靠性。混凝土橋塔及加勁梁收縮、徐變引起的無應力長度和曲率的變化應通過預拱、預加長、預加高消除，則計算時可近似看做彈性體，能夠滿足工程精度要求。

前倉大橋采用無應力狀態法作為理論指導，以主纜線形和吊索無應力長度作為控制目標, 對成橋目標進行自動逼近，僅用了28次吊索張拉，4次索鞍頂推即完成全橋體系轉換。為了控制初始平衡狀態下塔柱彎矩接近零，在主纜空纜狀態，主索鞍采用預偏技術施工[15]，將主索鞍向邊跨側預偏210 mm，然后隨著吊索加載進程，分次向跨中頂推主索鞍，在成橋平衡狀態時主索鞍和橋塔中心剛好對齊，從而獲得了合理的受力狀態和成橋線形。

5 結束語

1) 前倉大橋設計與施工表明，自錨式懸索橋能夠適應山間河谷的深水基礎。

2) 鋼管混凝土樁基施工方便，對設備要求不高，組合結構樁基強度、剛度、承載力等力學性能優異，是深水基礎一種有潛力的解決方案。

3) 采用無應力狀態控制法作為施工控制指導思想，在自錨式懸索橋的體系轉換中取得了高效、精確的效果。

大橋自2018年5月竣工通車以來，運營情況良好，已成為青田縣甌江上的標志性建筑。