重慶筍溪河大橋鋼桁梁懸索橋設(shè)計(jì)

李 林，陳奉民，鄭升寶，李忠評

(中鐵長江交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，重慶 401121)

筍溪河大橋位于重慶市江津區(qū)柏林鎮(zhèn)水滸村，跨越四面山筍溪河，為典型的山區(qū)峽谷地貌，地形陡峭，起伏很大，橋面至河谷高差超過280 m,為重慶第一高橋，也是重慶江津至貴州習(xí)水高速公路項(xiàng)目關(guān)鍵控制性工程。大橋全長1 578 m，主橋?yàn)閱慰?60 m簡支鋼桁梁懸索橋[1]，橋面寬度按照雙向4車道高速公路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)速度80 km/h，設(shè)計(jì)荷載公路-Ⅰ級，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速[2]29.3 m/s。

1 總體設(shè)計(jì)方案

橋位區(qū)為不對稱”V”型山谷，地形起伏較大，江津岸較陡峭，習(xí)水岸稍平緩，橋面設(shè)計(jì)高差距離地面高差較大，最大達(dá)到280 m，河谷寬度約550 m，欲跨越此河谷，只有懸索橋和斜拉橋才是最合適的橋型方案[3]。

斜拉橋方案主橋?yàn)檫B續(xù)梁結(jié)構(gòu)，邊跨和中跨比例需在一定的合理范圍，江津岸主塔需設(shè)置在陡坡上，該邊坡裂隙發(fā)育，地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)較大，處治費(fèi)用高；習(xí)水岸主塔雖地形地質(zhì)條件較好，但習(xí)水岸邊跨在平曲線范圍內(nèi)，對結(jié)構(gòu)不利，施工難度大。

懸索橋方案主跨在直線上，跨越能力大[3]，一跨跨過不良地質(zhì)段，鋼桁梁能較好地適應(yīng)山區(qū)艱難的運(yùn)輸條件[4]，纜索吊裝對施工場地要求較低，適應(yīng)性強(qiáng)。經(jīng)綜合必選，最終確定660 m單跨鋼桁梁懸索橋方案作為實(shí)施方案。

大橋平面線形及縱斷面設(shè)計(jì)由線路總體確定[5]，主橋及江津岸引橋位于直線段上，習(xí)水岸引橋部分位于半徑為650 m的圓曲線及其緩和曲線上，主橋縱斷面為1.35%的單向縱坡。橋梁全長 1 578.0 m，橋跨布置為7×40 m(T梁)+660 m(懸索橋)+(90+90)m(T構(gòu))+11×40 m(T梁)；主橋兩岸主塔均位于地質(zhì)較好的平緩之地，錨碇均采用重力式錨碇，為避免習(xí)水岸曲線段上引橋?qū)﹀^碇和主纜影響，對12#引橋橋墩特殊設(shè)計(jì)，由4個(gè)墩柱優(yōu)化為3個(gè)墩柱并調(diào)整墩柱間距避開沖突位置。全橋總體布置見圖1。

單位: m

2 結(jié)構(gòu)支承體系設(shè)計(jì)

支承體系設(shè)置是否合理，不僅影響結(jié)構(gòu)安全，還影響結(jié)構(gòu)耐久性和使用壽命。根據(jù)本橋受力特點(diǎn)，為消除單向縱坡的不利影響、減小梁端位移、提高結(jié)構(gòu)抗震性能，在梁端橋塔處設(shè)置新型復(fù)合型粘滯性阻尼器，低速狀態(tài)下有一定彈性剛度，高速狀態(tài)時(shí)高阻尼耗能。鋼桁梁兩端在主塔中橫梁上設(shè)置豎向支座拉壓球型鋼支座(抗壓3 600 kN、抗拉1 000 kN)，在鋼桁梁上、下弦桿與塔柱側(cè)面設(shè)置橫向抗風(fēng)球型鋼支座，兼橫向抗風(fēng)支承及抗震橫向限位功能。

3 橋塔設(shè)計(jì)

橋塔采用鋼筋混凝土塔柱結(jié)構(gòu)，外形為門形框架[1，4-5]。江津岸橋塔，根據(jù)實(shí)際地形地質(zhì)情況，為便于承臺施工，兩塔柱采用不等高型式，左側(cè)塔柱高139.7 m，右側(cè)塔柱高129.7 m，塔柱承臺之間不設(shè)系梁。習(xí)水岸橋塔，塔柱為等高設(shè)計(jì)，塔柱高190.7 m，塔柱之間設(shè)3道橫梁。塔柱采用箱梁截面，橫橋向尺寸為5.6 m，順橋向尺寸由塔頂?shù)?.0 m，按照1/155的坡率線性增大到塔柱底。

基礎(chǔ)為分離式承臺樁基[6]，承臺上均設(shè)置3 m厚塔座。江津岸橋塔承臺尺寸為18 m×20.8 m×6.0 m，每個(gè)承臺布置9根Φ2.8 m鉆孔樁基礎(chǔ)；習(xí)水岸橋塔承臺尺寸為20 m×22.4 m×6.0 m，每個(gè)承臺布置12根Φ2.5 m鉆孔樁基礎(chǔ)。江津岸橋塔見圖2(a)，習(xí)水岸橋塔見圖2(b)。

(a)江津岸橋塔

4 纜索系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 主纜設(shè)計(jì)

主纜計(jì)算跨度為(215+660+268)m，成橋狀態(tài)下中跨主纜垂跨比采用1∶10。

主纜采用預(yù)制平行鋼絲束股[7]，2根主纜的中心間距28.0 m，每根主纜由106束91根Φ5.1 mm高強(qiáng)鋼絲索股組成。考慮20%空隙率，主纜束股擠緊后外徑為560 mm。主纜鋼絲采用極限抗拉強(qiáng)度為1 770 MPa的高強(qiáng)度鍍鋅鋼絲。單束索股采用91根Φ5.1 mm高強(qiáng)鋼絲，為規(guī)則的正六邊形截面，錨頭采用熱鑄錨。單根索股長約1 197.42 m，運(yùn)輸重量約17 t，主纜采用PPWS法施工。

4.2 吊索

吊索縱向水平間距8.0 m，橫向水平間距28.0 m。每一吊點(diǎn)設(shè)置1根吊索，吊索為擠包護(hù)層扭絞型拉索，截面為91絲Φ5.3 mm低松弛鍍鋅平行鋼絲束，鋼絲極限抗拉強(qiáng)度為1 770 MPa。兩端鑄以熱鑄錨，材質(zhì)選用40 Cr。上端錨頭頂部做成耳板與索夾連接，下端錨頭采用球型螺母和墊板錨固于加勁梁上的錨箱以適應(yīng)運(yùn)營時(shí)吊索與主梁間的相對轉(zhuǎn)動，并可通過調(diào)節(jié)下端的螺母位置對吊索長度進(jìn)行調(diào)整。吊索采用雙層PE護(hù)套進(jìn)行防護(hù)。吊索構(gòu)造見圖3。

單位：m

4.3 索夾及纜套

索夾采用銷接式，選用上、下兩半對合的型式。上、下索夾連接采用M27高強(qiáng)度螺桿，兩端配M27的螺母、墊圈，接縫處嵌以橡膠防水條防水。主纜纜套為喇叭形管狀鋼套，纜套沿縱向分為上下兩半，兩半之間采用螺栓夾緊連接,纜套安裝在封閉索夾和主鞍罩之間。

4.4 主索鞍及散索鞍

主索鞍鞍體采用全鑄型結(jié)構(gòu)，鞍體下設(shè)不銹鋼板-聚四氟乙烯板滑動副，以適應(yīng)施工中的相對移動。塔頂設(shè)有格柵底座，以安裝主索鞍。格柵懸出塔頂以外，以便安置控制鞍體移動的千斤頂，鞍體就位后將格柵的懸出部分割除。為減輕吊裝運(yùn)輸重量，將鞍體分成兩半，半鞍體吊裝重量不超過40 t，吊至塔頂后用高強(qiáng)度螺栓拼接。索鞍構(gòu)造見圖4。

(a)主索鞍立面

散索鞍為擺軸式，鞍體采用鑄焊結(jié)合的結(jié)構(gòu)方案，鞍槽用鑄鋼鑄造，鞍體由鋼板焊成。

5 鋼桁梁及橋面板設(shè)計(jì)

5.1 加勁梁型式選擇和橋面板比選

懸索橋鋼桁梁主桁型式均集中在華倫桁梁[8]，唯一的變化是有無豎桿。若有豎桿對抗扭更有利，大節(jié)段吊裝更方便，絕大多數(shù)懸索橋均采用此型式；若無豎桿則通透性更好，但節(jié)段吊裝時(shí)需要增加臨時(shí)豎桿等措施，適合對景觀有特別要求的橋梁，施工較復(fù)雜。本橋?yàn)樯絽^(qū)懸索橋，為施工方便，同時(shí)增加抗風(fēng)抗扭能力，主桁采用帶豎桿華倫梁。

鋼桁梁橋面板有多種，目前大多數(shù)懸索橋按材料可分為2大類：1)組合梁橋面板；2)正交異性鋼橋面板；正交異性鋼橋面按照橋面板是否參與結(jié)構(gòu)第一體系受力，又可分為2類：(1)板-桁分離結(jié)構(gòu)；(2)板-桁結(jié)合結(jié)構(gòu)。本橋在橋面系選擇時(shí)進(jìn)行了細(xì)致比選，組合橋面板與正交異性鋼橋面板相比，橋面鋪裝相對簡單，但自重比鋼橋面大得多，主纜承受的恒載重量增加約40%，雖然橋面鋪裝及橋面板費(fèi)用節(jié)省，但纜索系統(tǒng)、錨碇系統(tǒng)、主塔均有不同程度增加，本橋綜合費(fèi)用增加約4 100萬，且需要大量橋面板預(yù)制場地，工期也更長。

板桁分離鋼桁梁受力明確，技術(shù)成熟，為國內(nèi)外絕大多數(shù)懸索橋首選；板桁結(jié)合型加勁梁，橋面板不僅參與直接承受車輪荷載，還直接參與整體受力，受力復(fù)雜，在斜拉橋和拱橋等剛度較大橋型結(jié)構(gòu)中運(yùn)用較多，大跨懸索橋剛度較低，板桁結(jié)合型鋼桁梁受力更為復(fù)雜，其設(shè)計(jì)理論及方法緩慢，應(yīng)用較少，其關(guān)鍵技術(shù)尚需進(jìn)一部研究和驗(yàn)證。另外，板桁結(jié)合加勁梁，現(xiàn)場需要較大的場地，工地需要大量焊接，焊縫質(zhì)量控制難度更大。

綜合本橋所處的建設(shè)條件，橋面系選擇為經(jīng)濟(jì)性更好、技術(shù)更成熟、場地要求低、質(zhì)量容易控制的板桁分離鋼橋面板。

5.2 鋼桁梁及橋面板設(shè)計(jì)

鋼桁架由主桁、橫梁、上下平聯(lián)、下弦檢修道等組成。主桁為帶豎腹桿的華倫式結(jié)構(gòu)[8-12]，由上弦桿、下弦桿、豎腹桿和斜腹桿組成，上、下平聯(lián)采用交叉型。橫梁為桁架結(jié)構(gòu)，計(jì)算跨度28 m，由上、下橫梁及斜腹桿組成。為加強(qiáng)抗風(fēng)穩(wěn)定性，在主桁橫梁上弦中心處設(shè)置抗風(fēng)穩(wěn)定板，板高1 000 mm，厚度16 mm。

主桁桁高5.5 m，桁寬28 m，節(jié)間長度4 m。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長度16 m，由4個(gè)節(jié)間組成，每個(gè)節(jié)間4 m。每2個(gè)節(jié)間設(shè)置1個(gè)吊點(diǎn)，并設(shè)置1道橫梁。由于主桁桿件受力不大，弦桿、斜桿和豎桿均采用制造簡單、拼裝方便的‘H’形截面。

橋面板采用鋼正交異性板橋面，左右分為2幅，每幅寬13 350 mm。橋面板由頂板、U肋、縱梁等組成。頂板厚16 mm，“U”形縱向加勁肋，間距600 mm，高280 mm，板厚8 mm；每幅橋面板設(shè)3道縱梁，縱梁高900 mm，腹板厚14 mm，下翼緣500 mm×20 mm，腹板上端與頂板焊連；沿橋縱向每8 m范圍內(nèi)設(shè)4道橫肋，橫肋高900 mm，腹板厚12 mm，下翼緣340 mm×16 mm。加勁梁標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖5。

單位：m

5.3 加勁梁及橋面板施工方案

加勁梁采用整節(jié)段，纜索吊裝施工[4，9，12]。加勁梁劃分為標(biāo)準(zhǔn)段、跨中段和端節(jié)段，一共41個(gè)節(jié)段，吊裝重量約120 t～180 t。橋面板分左幅、右幅，一共82個(gè)節(jié)段，節(jié)段吊裝重量約30 t～40 t、鋼桁梁及橋面板為Q345D鋼材，用鋼量約11 000 t。

加勁梁由跨中向兩端逐次吊裝，吊裝完成7個(gè)節(jié)段，將已完成的梁段上弦剛接，下弦不連接，以后每吊裝一節(jié)段，均上弦剛接下弦不連接。鋼桁梁吊裝完成后，安裝橋面板支座，然后由1/4跨向兩側(cè)對稱吊裝橋面板，吊裝完成、線形調(diào)節(jié)滿足要求后將鋼桁梁下弦連接，完成剛接。

6 錨碇系統(tǒng)設(shè)計(jì)

兩岸錨碇均采用嵌巖重力式錨碇，錨座基礎(chǔ)利用中風(fēng)化巖層作為基礎(chǔ)持力層，江津岸側(cè)錨碇長60.7 m，寬43 m，混凝土方量約57 900 m3，土石挖方約16.7萬m3；習(xí)水岸錨碇長54.0 m，寬43 m，混凝土方量約50 830 m3，土石挖方約13萬m3。

主纜錨固系統(tǒng)采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線索與合金鋼錨固連接器組合形式，主纜束股經(jīng)散索鞍散開后，由合金鋼錨固連接器連接到錨體內(nèi)的預(yù)應(yīng)力鋼束上。分單錨桿連接器和雙錨桿連接器，單錨桿對應(yīng)于1根16束Φs15.20 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線，雙錨桿對應(yīng)于1根31束Φs15.20 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

7 主橋重難點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大橋設(shè)計(jì)過程中遇到一系列重難點(diǎn)問題，通過結(jié)構(gòu)分析和專題研究，優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，主要有以下幾方面。

1)抗風(fēng)穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

筍溪河大橋跨度大、自振頻率低，對風(fēng)的作用敏感，極易發(fā)生強(qiáng)烈的抖振、渦振，甚至出現(xiàn)導(dǎo)致全橋失穩(wěn)的顫振。因此，施工和運(yùn)營中的抗風(fēng)安全是本橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素之一[2，13]。該橋兩岸為懸崖峭壁，地勢險(xiǎn)峻，與沿海和平原地區(qū)的自然風(fēng)相比，山區(qū)峽谷有陣風(fēng)強(qiáng)烈、湍流強(qiáng)度大、風(fēng)攻角大、風(fēng)速沿橋軸線分布不均勻等特點(diǎn)，抗風(fēng)穩(wěn)定性極為復(fù)雜。在鋼桁梁節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)中[2]，發(fā)現(xiàn)在成橋狀態(tài)風(fēng)攻角為+3°、-5°時(shí)的顫振臨界風(fēng)速分別為46.97 m/s和39.32 m/s，均低于該橋的顫振檢驗(yàn)風(fēng)速47.8 m/s，不符合規(guī)范要求，且顫振屬于發(fā)散型振動，必須調(diào)整結(jié)構(gòu)氣動外形或增設(shè)氣動措施，提高結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能使其滿足要求。通過對結(jié)構(gòu)氣動外形的抗風(fēng)性能進(jìn)行多次試驗(yàn)和分析，最后將原來整幅式橋面板優(yōu)化為分幅式橋面板，同時(shí)在鋼桁梁上橫梁中間設(shè)置風(fēng)穩(wěn)定板，并再次進(jìn)行抗風(fēng)性能試驗(yàn)，顫振臨界風(fēng)速50.3 m/s大于本橋的檢驗(yàn)風(fēng)速47.8 m/s，其余各項(xiàng)抗風(fēng)性能也滿足規(guī)范要求[2]。原設(shè)計(jì)橋梁橫斷面見圖6，抗風(fēng)優(yōu)化后橋梁橫斷面見圖7。

單位：cm

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2)主橋橋面單向縱坡設(shè)計(jì)

大多數(shù)懸索橋以主橋跨中為變坡點(diǎn)設(shè)置凸形豎曲線和雙向縱坡，主纜在橋塔支承處IP點(diǎn)等高，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是以橋跨中心線為對稱軸，上部結(jié)構(gòu)左右半跨為對稱結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)和施工相對較容易。但本項(xiàng)目路線總體設(shè)計(jì)時(shí)，本橋靠近省界終點(diǎn)，受重慶和貴州簽署的路線接線協(xié)議限制，路線接線標(biāo)高已經(jīng)確定，故本橋縱坡設(shè)計(jì)時(shí)只能單向坡，坡率為1.35%。

單向坡帶來的不利因素是：(1)由于橋梁跨度大，導(dǎo)致兩岸橋塔處主橋設(shè)計(jì)標(biāo)高相差9 m；(2)在恒載和可變荷載、偶然荷載綜合作用下，梁端縱向位移與常規(guī)情況相比偏大。為克服不利影響，若仍然按照常規(guī)做法，兩岸橋塔頂部IP點(diǎn)按高程相同進(jìn)行設(shè)計(jì)，上塔柱高差將達(dá)到9 m，不僅剛度相差較大，而且因主塔高度增加導(dǎo)致造價(jià)增加。經(jīng)深入結(jié)構(gòu)分析，本橋在國內(nèi)同類橋中首次采用IP點(diǎn)不等高設(shè)計(jì)[13-14]，不僅結(jié)構(gòu)受力滿足要求，主塔高度也減少9 m，節(jié)省造價(jià)數(shù)百萬。同時(shí)為克服單向縱坡導(dǎo)致多種荷載組合作用下橋梁縱向位移過大，采用新型高阻尼、長行程、帶彈性剛度復(fù)合阻尼裝置，較好控制了梁端位移，增強(qiáng)了伸縮裝置的耐久性，同時(shí)也提高了結(jié)構(gòu)抗震性能。

3)鋼桁梁連接方案設(shè)計(jì)

加勁梁在吊裝過程中主纜變形大，非線性效應(yīng)非常明顯，需要特別注意鋼桁梁桿件局部受力和梁段的位移變化，同時(shí)考慮吊裝過程中的抗風(fēng)安全。常規(guī)的鋼桁梁連接方法主要有鉸接法、逐次鋼接法、分段鋼接法[15]，合理的連接順序不僅可以減少桿件的施工附加應(yīng)力，還能加快施工進(jìn)度，確保安全。通過分析上述3種常用連接方法可知，逐次剛接法上下弦桿附加應(yīng)力太大，超過材料強(qiáng)度，不可行；設(shè)鉸的分段鋼接法，桿件受力不均，鉸處受力較大，需臨時(shí)加強(qiáng)，施工復(fù)雜；絞接法，各桿件受力較小，連接方便，但施工較慢。經(jīng)過反復(fù)試算分析，優(yōu)化了鉸接法，提出適合本橋的連接方案，提高了施工效率和質(zhì)量。

其具體連接方案是：前15個(gè)鋼桁節(jié)段安裝時(shí)，上弦鉸接，下弦不連；之后鋼桁節(jié)段安裝，上弦剛接，下弦不連；鋼桁梁及橋面板吊裝完成，梁段線形達(dá)到成橋線形后，剛接下弦和橋面板。在施工工程中采用本連接方案，施工非常順利，橋面線形控制精度也很高。

4)橋塔橫向不等高塔柱設(shè)計(jì)

江津岸橋塔所處位置橫坡陡峭，上下游塔柱處高差相差較大，2個(gè)塔柱高度相差10 m，橋塔兩塔柱采用不等高設(shè)計(jì)，承臺不設(shè)系梁。橋塔不等高塔柱能更好地適應(yīng)地形地質(zhì)條件，減少開挖，降低防護(hù)工程量，節(jié)省造價(jià)，保護(hù)環(huán)境，見圖2(a)。

8 結(jié)束語

本文以筍溪河大橋?yàn)槔榻B了該橋的方案設(shè)計(jì)、主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)中遇到的重難點(diǎn)問題，主要認(rèn)識如下：

1)山區(qū)峽谷地帶，地形復(fù)雜，交通運(yùn)輸艱難，施工場地狹小，在600 m以上大跨度的橋型中，選擇鋼桁梁懸索橋方案具有良好的適應(yīng)性。

2)山區(qū)大跨懸索橋抗風(fēng)穩(wěn)定性是控制設(shè)計(jì)因素之一，橋面板采用分幅式設(shè)計(jì)并設(shè)置抗風(fēng)中央穩(wěn)定板對大橋的抗風(fēng)穩(wěn)定性十分有利。

3)主塔采用IP點(diǎn)不等高設(shè)計(jì)及梁端設(shè)置高阻尼、長行程、帶彈性剛度的粘滯性復(fù)合阻尼裝置能較好地解決單向縱坡的不利影響，提高大橋的結(jié)構(gòu)受力性能。

4)鋼桁梁連接方案采用改進(jìn)的鉸接法，既減小了施工附加應(yīng)力，又提高了施工效率。

5)主塔因地制宜，橫向采用不等高設(shè)計(jì)，既減少了開挖、節(jié)省了造價(jià)，又保護(hù)了環(huán)境。

筍溪河大橋2014年底完成施工圖設(shè)計(jì)，2015年開工，經(jīng)過3年的建設(shè)，于2018年6月份建成通車，通車3年多來運(yùn)營良好，該橋的建成經(jīng)驗(yàn)可供同類工程參考。