黃茅?？绾Ｍǖ拦こ谈邫诟鄞髽驑蛩桨冈O計

杜 磊，梁立農，孫向東，萬志勇，徐德志

(廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司，廣州 510507)

1 工程概況

黃茅?？绾Ｍǖ榔瘘c位于珠海市平沙前西社區與鶴港高速公路順接，終點于臺山斗山鎮，與西部沿海高速公路相交，對接新臺高速公路，路線全長31.11km。項目對改變粵西沿海地區與灣區核心區域通道單一的現狀，實現大灣區經濟發展向粵西和沿海地區輻射,具有重大意義?？绾６纹矫娌贾萌鐖D1所示。

圖1 黃茅?？绾Ｍǖ揽绾６纹矫娌贾?/p>

項目跨越崖門出海航道東東航道處設置高欄港大橋。根據通航條件專題研究成果及航道批復，東東航道主跨要求不小于700m。這一跨徑結合自然條件，斜拉橋是最合適的橋型。結合航道區域布置及項目跨海段跨徑總體設計，高欄港大橋跨徑布置為110m+248m+700m+248m+110m=1 416m，邊中跨比為0.51?？傮w布置如圖2所示。

圖2 高欄港大橋立面布置

2 主要技術指標

(1)公路等級：高速公路。

(2)設計速度：100km/h。

(3)行車道數：雙向六車道。

(4)設計使用壽命：100年。

(5)主橋寬度：全寬50m。

(6)設計荷載：公路-I級。

(7)設計通航凈空：東東航道(538m×64m)。

(8)通航水位：最高通航水位+3.320m，最低通航水位：-0.788m。

(9)橋址設計基本風速：US10=46m/s。

(10)區域地震動峰值加速度為0.10g，地震設防標準：通航孔橋E1基準-100年超越概率10%，E2基準-100年超越概率4%。

(11)船舶撞擊力：見表1。

表1 高欄港大橋船撞力

3 橋塔設計方案構思及比選

3.1 橋塔設計方案構思

黃茅?？绾Ｍǖ朗峭苿踊浉郯拇鬄硡^基礎設施建設、加強灣區內交通聯系的重大工程之一，建設目標是打造百年平安、綠色、品質工程。因此，橋梁的受力性能及景觀要求較高。

橋塔是斜拉橋最為重要的受力構件之一，其造型也是彰顯橋梁景觀特色的關鍵環節，因此，高欄港大橋的橋塔設計尤為關鍵。常規的橋塔主要有鉆石型、H型、門型、A型、倒Y[1-2]，本項目設計過程中，創新性地提出了獨柱式纖腰橋塔和A型旋動橋塔兩種方案，如圖3所示。本文對兩種方案及其比選進行介紹[3]。

圖3 高欄港大橋橋塔方案三維模型

3.2 方案一(獨塔型方案設計)

方案一為獨柱式纖腰橋塔+分體式鋼箱梁方案。塔底截面為圓形截面，直徑18m，在塔底到高程+69.703m(橋面附近)過渡到圓端形截面，尺寸為13m×10m(順橋向×橫橋向)，壁厚2m。高程+69.703m到+169.203m范圍內過渡到直徑8.5m的圓形，壁厚由2m過渡到1.5m。高程+169.203m到塔頂范圍內過渡到塔頂的直徑11m的圓形，壁厚為1.5m。在塔座以上162.09m處截面最小，形成“纖腰”的視覺效果。

圖4 獨柱式纖腰橋塔方案構造

獨柱塔豎向呈纖腰，外觀簡潔挺拔，個性鮮明，視野通透，圓形截面橋塔寓意著“圓滿融通”，汲取東方傳統文化“圓融精神”，呼應粵港澳大灣區互聯互通、共建共享的戰略，凸顯地域特征。結合橋梁美學，主塔造型以“圓”為基礎，展現扶搖直上的聚力融合之勢，塑造了簡潔大氣的橋梁景觀。

對于造型新穎的獨柱式纖腰橋塔，材料的選擇較為關鍵?？晒┻x擇的材料類型有三種：鋼、鋼筋混凝土、鋼混組合。針對三種材料形式進行比較分析，見表2。推薦采用經濟性稍好的圓端形混凝土橋塔。

圖5 高欄港大橋獨柱式纖腰橋塔方案效果

表2 橋塔材質方案比較

3.3 方案二(A型塔方案設計)

方案二為A型旋動橋塔+整體式鋼箱梁。主塔采用造型獨特的A型旋動索塔，塔柱為扭轉的菱形截面，截面尺寸由塔頂的10m×8m變化至塔底的14m×12m。變化采用直線形漸變，同時對獨柱截面進行90°扭轉，在塔頂以下25m左右范圍融合。

A型塔柱為棱形斷面，風阻系數低，從塔底到塔頂均勻直線型扭轉90°，兩塔柱傾斜在塔頂融合成整體。塔柱側面上的每一條豎直線和橫截面上的每一條邊，在扭轉前后均保持直線，而且塔柱的截面變化與內力的分布是相互協調的。

圖6 A型旋動橋塔方案構造

圖7 A型旋動橋塔截面變化

對于A型旋動橋塔，結合結構構造、受力等因素，推薦采用鋼殼混凝土塔[3]。塔柱壁厚1.5m，索塔節段由內外鋼壁板、豎向及水平加勁肋、豎向及水平角鋼、焊釘、鋼筋及混凝土組成。加勁肋開孔后依次穿過豎向及水平鋼筋，形成鋼筋混凝土榫，實現鋼結構與混凝土協同工作。

除受力合理外，A型旋動橋塔也獨具景觀特色。依次排列的A型旋動橋塔較好地順應了黃茅海山海相望的自然生態格局。橋塔整體造型新穎，線條簡潔、剛勁挺拔，充滿力量感，寓意黃茅?？绾Ｍǖ滥蔷哿?，向海而生，助力粵港澳大灣區的發展永攀高峰。

圖8 A型旋動橋塔節段構造三維模型

圖9 高欄港大橋A型旋動橋塔方案效果

3.4 塔型方案比選

高欄港大橋推薦采用方案一：獨柱式纖腰橋塔+分體式鋼箱梁方案。兩個塔型方案的比選見表3，表中對于豎向撓度，上撓為正，下撓為負；對于縱向變形，負表示指向跨中，正表示遠離跨中。

表3 高欄港大橋橋塔方案比較

4 推薦方案獨柱塔設計的關鍵點

高欄港大橋需克服強臺風、高烈度地震、強海水腐蝕、高船撞力等不利的建設條件，橋塔設計難度較高。針對以上因素，采取了不同的應對措施[4-5]。

4.1 結構縱向結構體系設計

高欄港大橋縱向結構體系的控制目標為：

(1)保證結構在靜力及極限動力荷載作用下的安全度。

(2)改善結構在極限風、地震等偶然荷載作用下的內力和位移反應，減小伸縮縫、支座等裝置的位移量和動力磨損。

在常用的全漂浮體系及塔梁固結體系的基礎上，從約束裝置在結構使用階段發生作用的機理出發，進一步提出永久彈性約束方案和動力阻尼加剛性限位方案共4個方案進行比選。

對于永久彈性約束的剛度值，設計過程中按1e4kN/m～10e4kN/m分13檔計算，綜合結構受力、彈性索自身承載力富余度等因素考慮，確定彈性索剛度為3e4kN/m[3]。對于動力阻尼加剛性限位方案，每個橋塔處設4個阻尼器，經比選，單個阻尼器的速度指數α=0.3，阻尼常數C=3 500kN/(m/s)0.3，剛性限位的限位間隙取45cm，彈簧剛度取400MN/m[6]。

不同結構體系的計算結果見表4和表5，索塔縱向受力較為不利的工況為百年風組合和地震組合。表4所列結果均為標準組合，考慮承載能力極限狀態的相關系數后，百年風組合效應均大于E2地震效應，為結構縱向受力的控制工況。

表4 不同結構體系在靜力百年風荷載+溫度作用下效應比較

表5 不同結構體系在E2地震(縱向+豎向)作用下效應比較

從比較結果來看，安裝永久彈性約束裝置或是阻尼加剛性限位裝置可使梁端水平位移、塔頂水平位移及塔底彎矩均較小，相對較優。其中，動力阻尼器加剛性限位方式一方面改善了結構的動力響應，同時能較快地衰減主梁震動，耗能效果要優于水平彈性約束。加上剛性限位后結構在縱向極限風荷載等作用下的靜力響應也大大減小，梁端位移從漂浮體系的1.793m，降低至0.539m，降幅達70%；塔底彎矩從3 011 462 kN·m降低至1 435 251 kN·m，降幅達52%。經綜合比較，采用動力阻尼器加剛性限位的結構體系[7-8]。

4.2 結構耐久性設計

(1)本項目重度鹽霧區范圍為標高+16m以下，此范圍塔身采用硅烷浸漬及環氧鋼筋。

(2)塔身涂裝體系。索塔涂裝防護體系設計方案見表6。

表6 索塔涂裝防護體系

4.3 防船撞設計

4.3.1 防撞護舷設計

主橋所有承臺設置固定式復合材料防撞護舷，性能滿足《公路橋梁防船撞裝置技術指南》(T/CHTS 20005-2018)相關要求。橋塔船撞力消能后可降至消能前的81.5%左右。

4.3.2 塔身底部構造設計

在塔底3m范圍內設置實心段，實心段頂部向上11m范圍內設置厚度1m的十字隔板，以抵抗潛在的局部撞擊力。細部構造如圖10所示。

圖10 塔柱底部構造設計(單位：cm)

5 結語

針對黃茅海跨海通道工程高欄港大橋的特點，創新性地提出了獨柱式纖腰橋塔和A型旋動橋塔兩種方案，經深入比選，高欄港大橋推薦方案采用獨柱式纖腰橋塔+分體式鋼箱梁方案。

針對強臺風、高烈度地震、強海水腐蝕、高船撞力等不利的建設條件,設計過程中采取了一系列應對措施，如動力阻尼器加剛性限位的縱向結構體系；塔身重度鹽霧區采用環氧鋼筋以及對塔身設置合理的涂裝防護體系；承臺設置防撞護舷、塔身潛在撞擊范圍內設置實心段及防撞隔板等，較好地解決了橋塔設計的關鍵技術問題，可供其他類似工程參考。