宜昌市沙灣路上跨橋總體設計

魏順波，潘 凡

[林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司武漢分公司，湖北 武漢430020]

1 工程概況

沙灣路上跨橋為宜昌市三峽物流產業園連接紫云鐵路的一座跨線橋梁。橋梁上跨白洋大道，全長249.5 m。全橋共分二聯，第一聯為3×30 m預應力混凝土現澆箱梁，第二聯為2×74 m單索面斜拉橋,采用墩、塔、梁固結體系（見圖1）。橋梁景觀功能突出，為當地標志性景觀橋梁之一。

圖1 橋型布置（單位：cm）

2 設計標準

橋梁所在道路為城市次干路，設計速度為30 km/h，橋梁設計荷載采用城-A級，橋面寬9 m[0.5 m（防撞墻）+7.5 m（車行道）+3.0 m（中央分隔帶）+7.5 m（車行道）+0.5 m（防撞墻）]。

3 主橋方案研究

3.1 主橋景觀研究

主橋采用單索面斜拉橋，景觀主題為“揚帆遠航”，主題鮮明，結構新穎。橋塔橫橋向呈人字形，造型似一艘帆船駐足于長江岸邊，與物流中心“開拓進取，傳遞美好”的文化契合（見圖2）。其結構空間高度和體量適宜，具有很好的地標性和識別性。傾斜的塔柱展現出富有動勢的美感，牽連著琴弦般的拉索，極富力量感。

圖2 效果圖

3.2 主橋跨徑研究

橋軸線與白洋大道斜交，斜交角49°。考慮斜交角及遠期白洋大道拓寬的可能性，主橋跨徑采用2×74 m。

3.3 主橋結構研究

由于橋塔形狀為人字形，單側不對稱布置，根據結構受力及施工的便捷性，主塔采用鋼結構制作。考慮經濟性，在初步設計階段對主梁的材料采用了混凝土結構和鋼結構兩種方式的比選。通過計算分析，若主梁采用混凝土結構，因結構自重的增加，將極大增加橋塔彎矩，塔身截面尺寸會增加到夸張的程度，極大影響橋梁造型。最終主梁也采用鋼結構。

3.4 主橋施工方案研究

為減小主梁施工期間對白洋大道行車影響，主梁施工考慮了分段吊裝和頂推兩種方案的比選。兩種方案措施費用相差不大，考慮白洋大道交通量相對較小，頂推工法在當地所用不多，故主梁采用分段吊裝。橋塔施工也采用分段吊裝。

4 主橋設計

4.1 主梁

主梁構造采用鋼箱梁的結構形式（見圖3），材質采用Q345qD。斷面采用單箱多室，車道中心線處標準梁高2.2 m，橋面設2%雙向橫坡，頂板寬19 m，底板寬10.819 m。頂板、底板均采用正交異性板結構；頂板、水平底板、斜向底板厚16 mm（中支點處28 mm），并設置U型縱肋，斜向底板設置T型縱肋。鋼箱梁的橫隔板按2.5 m、3 m兩種間距布置，跨中處橫隔板厚14 mm，梁端處橫隔板厚24 mm，中支點處橫隔板厚36 mm。橫隔板上設置縱、橫向板式加強肋。主梁內共設4道縱腹板，縱腹板厚20 mm，以水平和豎向加強肋進行加勁。

圖3 主梁構造（單位：cm）

4.2 主塔

鋼塔橫向呈人字形，高45 m（橋塔基座頂面至塔頂），塔身向內傾斜。采用鋼箱截面，中間肢截面為矩形箱，截面尺寸2.946 m×1.65 m；外側肢略呈三角形。材質采用Q345qD，基座以上部位板厚28 mm，基座處板厚36 mm；主塔鋼箱每2 m設置一道橫隔板，壁板設置縱向加勁肋（見圖4）。

圖4 主塔構造（單位：cm）

主塔與混凝土基座采用鋼混結合段的方式固結，主塔伸入混凝土內2 m，與混凝土基座通過PBL剪力鍵相連接，主塔與基座結合面四周設置精軋螺紋鋼筋錨固。

4.3 斜拉索

斜拉索采用PES7-85型平行鋼絲索，平行鋼絲標準強度為Rby=1 770 MPa。全橋共設置6對斜拉索，斜拉索在梁底鋼錨箱內單端張拉（見圖5）。

圖5 拉索布置

4.4 基座

主塔基座為主塔與承臺相連的過渡段，高2 m（見圖6）。

圖6 基座構造（單位：cm）

基座下接矩形承臺，承臺厚4 m，平面結構尺寸為22 m（橫橋向）×9 m（順橋向）。承臺基礎采用直徑1.8 m的灌注樁，共8根。

5 主橋計算

5.1 計算模型

主橋采用Midas Civil建立空間桿系有限元模型（見圖7）進行整體靜力分析。

圖7 計算模型

5.2 計算結果

5.2.1 主梁剛度驗算由圖8可知，在活載作用下，主梁跨中豎向位移為45.7 mm。45.7mm＜L/400=74 000/400=185 mm，結構變形滿足規范《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015）中第4.2.3斜拉橋主梁的要求。

圖8 汽車荷載作用下最大豎向變形（單位：mm）

5.2.2 主梁應力驗算

主梁應力包絡圖見圖9～圖11。

圖9 承載能力極限狀態下鋼箱梁頂板組合應力包絡圖（單位：MP a）

圖11 承載能力極限狀態下各荷載組合鋼箱梁剪應力包絡圖（單位：MP a）

由圖9、圖10可知，承載能力極限狀態下，各荷載組合的鋼箱梁最大拉應力為111.1 MPa，最大壓應力為147.7 MPa，小于其抗拉強度設計值270.0 MPa；由圖11可知，鋼箱梁最大剪應力為29.7 MPa，小于抗剪強度設計值155.0 MPa，均滿足規范要求。

圖10 承載能力極限狀態下鋼箱梁底板組合應力包絡圖（單位：MP a）

5.2.3 斜拉索應力驗算

斜拉索采用PES7-85型平行鋼絲索，平行鋼絲標準強度為Rby=1770 MPa。

基本組合下斜拉索最大索力為2 392.4 kN，斜拉索公稱截面積為32.71 cm2。根據規范13.2.1，則γ0×Nd/A=1.1×2 392.4/32.71/100×1 000=804.5＜fd=955.0 MPa；最大應力81.0 MPa，小于疲勞應力允許值160.0 MPa，滿足規范要求。

5.2.4 橋塔應力驗算

承載能力極限狀態下，各荷載組合的橋塔最大拉應力85.1 MPa，最大壓應力109.0 MPa，滿足規范要求。

5.2.5 動力分析

（1）頻率與周期

依據計算報告，全橋結構前6階振型的周期和振型見表1。

表1 基本振型和頻率

（2）馳振穩定性

根據《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/T D60-01—2004）進行計算：馳振臨界風速Vcg=78.7 m/s，設計基準風速Vd=29.23 m/s；Vcg=75.7 m/s＞1.2×Vd=1.2×29.23=35.1 m/s，滿足規范要求。

（3）顫振穩定性

根據《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/T D60-01—2004）進行計算：顫振臨界風速Vcr=132 m/s，顫振檢驗風速[Vcr]=47.7 m/s，Vcr＞[Vcr]，滿足規范要求。

5.2.6 穩定分析

穩定性分析以成橋恒載（結構自重+二恒）、橫向風荷載和汽車活載作為荷載，進行彈性穩定分析，結構彈性屈曲安全系數為101.0，遠大于規范要求的4.0，滿足計算要求；結構失穩模態為橋塔順橋向失穩。

5.3 計算結論

（1）靜力計算結果表明：結構在設計荷載作用下安全可靠，撓度滿足規范要求。

（2）動力特性計算表明：橋梁結構風振滿足要求。（3）主橋穩定性計算分析結果表明：成橋階段結構具有足夠的穩定性，橋梁結構安全可靠。

6 結語

沙灣路上跨橋是一座造型獨特、景觀優美的橋梁。它的橋塔為人字形，橫橋向不對稱布置，不同于常規的斜拉橋。目前該橋已建成通車，運行狀態良好，對同類橋梁有參考意義。