跨海單索面鋼混組合梁斜拉橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

楊成峰，王少勛，高恩全

（1.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，浙江 杭州310030；2.舟山市交通工程試驗(yàn)檢測(cè)中心有限公司，浙江 舟山316021）

0 引言

近幾十年來(lái)，城市化進(jìn)程越來(lái)越快，與之密切相關(guān)的現(xiàn)代交通也得到了飛速的發(fā)展。現(xiàn)代交通的發(fā)展離不開(kāi)道路設(shè)施的建設(shè)，而橋梁結(jié)構(gòu)作為道路交通的咽喉，起到了至關(guān)重要的作用。斜拉橋以其強(qiáng)大的跨越能力、良好的抗風(fēng)性能、成熟的施工工藝以及優(yōu)美的景觀效果越來(lái)越多的應(yīng)用于橋梁建設(shè)中，斜拉橋修建數(shù)量急劇增加，跨徑也不斷增大。

斜拉橋已成為跨越海峽一種重要的橋型結(jié)構(gòu)，鋼混組合梁斜拉橋作為其中的一種類(lèi)別，也得到了快速的發(fā)展。鋼混組合梁斜拉橋充分利用了鋼結(jié)構(gòu)良好的抗拉性能和混凝土結(jié)構(gòu)良好的抗壓性能，基于混凝土橋面板良好的受壓性能，改善了主梁的抗壓、抗彎性能以及主梁的整體剛度；很好地解決了鋼箱梁橋面鋪裝易損壞的問(wèn)題；自重較混凝土梁輕，大大提升斜拉橋的跨越能力；解決了混凝土梁易開(kāi)裂、耐久性差的缺點(diǎn)。因此，鋼混組合梁斜拉橋在世界范圍得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

本文依托舟山市富翅門(mén)大橋，針對(duì)跨海單索面鋼混組合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)體系及受力特點(diǎn)，對(duì)主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工技術(shù)、抗風(fēng)穩(wěn)定性以及結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)等關(guān)鍵問(wèn)題開(kāi)展了探討分析。

1 工程概況

舟山市富翅門(mén)大橋[2]起點(diǎn)接甬舟高速富翅互通，設(shè)富翅門(mén)大橋跨富翅門(mén)水道，終點(diǎn)順接舟山329國(guó)道，并設(shè)岑港互通順接寧波舟山港主通道工程。富翅門(mén)大橋按雙向四車(chē)道高速公路等級(jí)設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)段橋面全寬27.5 m，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)公路-Ⅰ級(jí)，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速40.5 m/s，地震基本烈度Ⅶ度。通航等級(jí)為500噸級(jí)，通航凈空寬度180 m，凈高21 m。

橋位區(qū)氣候條件復(fù)雜，災(zāi)害天氣頻繁，臺(tái)風(fēng)登陸頻繁，風(fēng)力大、風(fēng)況復(fù)雜；地形條件復(fù)雜，水下地形呈“V”型，最大水深達(dá)56 m；橋位與航道軸線存在一定夾角，且位于航道彎道處。通過(guò)綜合比選，設(shè)計(jì)確定了跨越能力大、抗風(fēng)性能好、造型美觀的雙塔單索面鋼混組合梁斜拉橋方案，跨徑組合57 m+108 m+340 m+108 m+57 m，總體布置見(jiàn)圖1。

圖1 富翅門(mén)大橋主橋總體布置（單位：m）

2 鋼混組合梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

組合梁斜拉橋主要斷面形式[3]有肋板式鋼混組合梁、分離式雙箱鋼混組合梁、半封閉鋼箱組合梁以及單箱三室鋼混組合箱梁。由于肋板式鋼混組合梁、分離式雙箱鋼混組合梁、半封閉鋼箱組合梁均僅適用于雙索面斜拉橋，而本橋由于岑港側(cè)邊跨變寬的限制采用了單索面的形式，故主梁采用了單箱三室鋼混組合箱梁結(jié)構(gòu)。該斷面受力特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)整體性好、抗扭性能佳，具有良好的抗風(fēng)性能。組合箱梁結(jié)構(gòu)為封閉截面，相對(duì)于開(kāi)口截面，具有良好的抗腐蝕、耐久性性能，能有效減少后期的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，所以較多的應(yīng)用于跨海橋梁中。

鋼混組合梁采用單箱三室箱形截面，見(jiàn)圖2。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段主梁頂板寬27.5 m，底板寬16.24 m，中心線處梁高3.5 m，頂面設(shè)置2%雙向橫坡。主梁由鋼主梁和混凝土橋面板兩部分組成。

圖2 主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面（單位：m）

鋼主梁中心線處梁高2.95 m，底板寬16.24 m，頂板全寬20.3 m，由斜腹板、縱隔板、底板組成開(kāi)放式單箱三室結(jié)構(gòu)。斜腹板厚度為20 mm，縱隔板厚度為24 mm，底板厚為16 mm。斜腹板與底板上均設(shè)置開(kāi)口寬300 mm、高280 mm，板厚6 mm的U型肋，標(biāo)準(zhǔn)間距為700 mm。縱腹板上縱向設(shè)置L型肋，板厚10 mm，間距為400 mm。在斜腹板與縱隔板頂上分別設(shè)置寬度為800 mm和3 600 mm的主梁面板，板厚24 mm。

混凝土橋面板兩側(cè)懸臂長(zhǎng)度各為4 m，懸臂板端部厚度為20 cm，邊腹板頂80 cm寬和中箱直腹板360 cm寬的厚度為55 cm，邊箱跨中頂板厚度為28 cm，長(zhǎng)度455 cm，兩邊板厚變化段長(zhǎng)度150 cm。

2.2 主梁節(jié)段預(yù)制拼裝設(shè)計(jì)

為減少海上施工作業(yè)、提高施工質(zhì)量，主梁采用節(jié)段預(yù)制、懸臂拼裝施工[4]，在預(yù)制梁場(chǎng)完成鋼結(jié)構(gòu)的制作加工、混凝土頂板的澆注，并預(yù)留混凝土板的現(xiàn)場(chǎng)澆注寬度。

鋼主梁由專(zhuān)業(yè)公司加工制作，混凝土橋面板在鋼主梁上現(xiàn)澆生產(chǎn)，船運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)。為減少鋼混組合梁混凝土收縮、徐變?cè)斐苫炷灵_(kāi)裂，影響結(jié)構(gòu)耐久性，結(jié)合梁整體節(jié)段施工完成后應(yīng)至少存梁6個(gè)月后方可進(jìn)行安裝，同時(shí)在主梁橋面板C60海工混凝土內(nèi)添加纖維素纖維。

主梁節(jié)段濕接縫采用UHPC超高性能混凝土，相比傳統(tǒng)混凝土濕接縫，每節(jié)段施工周期可由13 d縮短為8 d，大幅提升懸臂拼裝工效。

2.3 變寬段結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

富翅門(mén)大橋接岑港互通，受互通設(shè)置限制，富翅門(mén)大橋岑港側(cè)邊跨位于互通變寬段，主梁相應(yīng)變寬至35.5 m。變寬段構(gòu)造新穎、受力復(fù)雜，有必要通過(guò)有限元軟件進(jìn)行受力狀態(tài)分析。采用ANSYS空間有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析，等寬段采用梁?jiǎn)卧M，變寬段采用殼、實(shí)體單元進(jìn)行精細(xì)化空間模擬，見(jiàn)圖3。

圖3 主梁變寬段模型

有限元分析結(jié)果表明，底板、底板U肋、腹板以及混凝土頂板全斷面受壓，底板最大壓應(yīng)力為66 MPa，腹板最大壓應(yīng)力為84 MPa，橫隔板最大拉應(yīng)力為85 MPa，混凝土頂板最大壓應(yīng)力7.4 MPa,結(jié)構(gòu)受力良好。

3 抗風(fēng)穩(wěn)定性分析

主橋具有主跨跨徑大、結(jié)構(gòu)阻尼低、主梁為單索面布置等的特點(diǎn)，橋位所在的舟山地區(qū)為亞熱帶海洋季風(fēng)季候，夏秋多臺(tái)風(fēng)，全年多大風(fēng)，氣象條件十分復(fù)雜。因此，橋梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng)及抗風(fēng)穩(wěn)定性，是影響本橋施工安全和運(yùn)營(yíng)安全的重要問(wèn)題。

3.1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

采用Midas/civil分析軟件建立有限元模型，主梁、橋塔采用空間梁?jiǎn)卧M，其中主梁采用組合梁截面，斜拉索采用空間桿單元模擬。計(jì)算主要對(duì)橋梁施工中最大懸臂階段、運(yùn)營(yíng)階段進(jìn)行抗風(fēng)穩(wěn)定性分析。結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性是抗風(fēng)穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)，故首先要進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析[5]。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)模型計(jì)算分析，動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 成橋階段結(jié)構(gòu)自振模態(tài)表

表2 最大懸臂狀態(tài)結(jié)構(gòu)自振模態(tài)表

3.2 抗風(fēng)穩(wěn)定性分析

根據(jù)橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范，動(dòng)力特性計(jì)算所得扭轉(zhuǎn)頻率和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速等計(jì)算顫振穩(wěn)定性指數(shù)[6]If=計(jì)算顫振穩(wěn)定性指數(shù)成橋狀態(tài)為3.4，最大懸臂狀態(tài)為3.1。

當(dāng)顫振穩(wěn)定性指數(shù)If＜2時(shí)，可按抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范7.5.4條規(guī)定計(jì)算橋梁顫振臨界風(fēng)速，當(dāng)顫振穩(wěn)定性指數(shù)處于2≤If＜4時(shí)，可按規(guī)范7.5.4條規(guī)定計(jì)算橋梁顫振臨界風(fēng)速，也可通過(guò)節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)或虛擬風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)，當(dāng)顫振穩(wěn)定性指數(shù)4≤If＜10時(shí)，應(yīng)進(jìn)行主梁氣動(dòng)選型，并通過(guò)節(jié)段模型試驗(yàn)或全橋氣動(dòng)模型試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)。

本橋顫振穩(wěn)定性指數(shù)處于2≤If＜4范圍，可按照抗風(fēng)規(guī)范第7.5.4條、7.5.8條規(guī)定計(jì)算顫振臨界風(fēng)速及顫振穩(wěn)定性檢驗(yàn)Uf＞γfγtγαUd。成橋狀態(tài)為Uf=125 m/s＞71 m/s，最大懸臂狀態(tài)Uf=129 m/s＞71 m/s。計(jì)算表明成橋階段和最大懸臂階段顫振臨界風(fēng)速大于橋址處的顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，橋梁抗風(fēng)穩(wěn)定性能滿足規(guī)范要求。

4 海洋環(huán)境的結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)

4.1 鋼結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)

（1）防腐措施可以針對(duì)組合梁鋼箱不同部位，選擇不同的方法[7]。對(duì)于鋼箱外表面，采用金屬噴涂重防腐，設(shè)計(jì)使用年限須達(dá)到30～40 a。鋼箱梁底設(shè)置養(yǎng)護(hù)行車(chē)，便于運(yùn)營(yíng)期間檢查和維護(hù)以及施工期間梁底作業(yè)。

（2）鋼箱內(nèi)壁構(gòu)造復(fù)雜，表面積大，箱體密閉，空氣不流通。設(shè)計(jì)考慮采用除濕防腐，使箱內(nèi)空氣相對(duì)濕度保持在50%以下，鋼結(jié)構(gòu)表面長(zhǎng)期處于干燥空氣環(huán)境中，防止鋼板表面銹蝕。

4.2 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)

（1）結(jié)構(gòu)混凝土均采用海工耐久性混凝土，對(duì)海工混凝土的材料選擇、配置要求作詳細(xì)規(guī)定，檢測(cè)指標(biāo)參見(jiàn)表3。

表3 海工耐久混凝土抗氯離子滲透性要求（12 W齡期）

（2）浪濺區(qū)和水下混凝土摻加阻銹劑、海水耐蝕劑。嚴(yán)格控制鋼筋保護(hù)層厚度，保留施工用鋼護(hù)筒作為永久結(jié)構(gòu)等措施，來(lái)增加鉆孔灌注樁的防腐性能。

（3）上部梁板及橋墩墩身、蓋梁、承臺(tái)等表面進(jìn)行防腐蝕涂裝。

4.3 鋼-混凝土結(jié)合部位的耐久性設(shè)計(jì)

為了提高鋼-混凝土結(jié)合部位的密封性能，全橋所有結(jié)合面周邊均填充硫化型橡膠密封劑。同時(shí)，覆蓋混凝土的鋼梁上翼緣上表面兩側(cè)部分涂裝環(huán)氧玻璃鱗片漆，環(huán)氧玻璃鱗片漆具有優(yōu)異的耐水和耐化學(xué)品滲透，高附著力和機(jī)械強(qiáng)度，能有效抵抗界面的錯(cuò)動(dòng)，且具有良好的防腐性能。

4.4 維護(hù)和檢修設(shè)施

在橋梁運(yùn)營(yíng)期間應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定期的維護(hù)和檢修。檢修和維護(hù)通道就是對(duì)該工作能夠得以進(jìn)行的基本保證，檢修和維護(hù)通道在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)統(tǒng)一考慮，主梁內(nèi)設(shè)置檢修通道，主梁外側(cè)設(shè)置橋檢車(chē)，主塔內(nèi)設(shè)置爬梯、電梯等。

5 結(jié) 語(yǔ)

富翅門(mén)大橋是甬舟高速進(jìn)入舟山本島的主要門(mén)戶，橋址區(qū)建設(shè)條件惡劣，對(duì)結(jié)構(gòu)質(zhì)量和耐久性要求高。受互通設(shè)置限制，主橋岑港側(cè)邊跨橋面寬度由27.5 m漸變?yōu)?5.5 m，提出適用于單索面的單箱三室鋼混組合箱梁截面，該斷面結(jié)構(gòu)具有良好的抗風(fēng)性能和耐久性能。大橋踐行工廠化設(shè)計(jì)理念，為減少海上施工作業(yè)、提高施工質(zhì)量，主梁采用節(jié)段工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)懸臂拼裝施工，并在國(guó)內(nèi)首次將超高性能混凝土應(yīng)用到跨海鋼混組合梁斜拉橋濕接縫，每節(jié)段施工周期由傳統(tǒng)混凝土的13 d縮短為8 d，大幅提升懸臂拼裝工效。建立有限元計(jì)算模型，對(duì)橋梁施工中最大懸臂階段、運(yùn)營(yíng)階段進(jìn)行抗風(fēng)穩(wěn)定性分析，表明大橋具有良好的抗風(fēng)性能。針對(duì)大橋所處的海洋環(huán)境，采取多項(xiàng)設(shè)計(jì)措施，全方位提升海洋環(huán)境下的橋梁結(jié)構(gòu)耐久性。