楊灣河特大橋總體設計

李邦映

(1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司 合肥市 230088; 2.公路交通節能與環保技術及裝備交通運輸行業研發中心 合肥市 230088)

1 工程概況

楊灣河特大橋是G347安九二期望江至宿松段一級公路上的一座特大橋，是項目的主要控制性工程之一，在楊灣閘下游240m處跨越楊灣河，距入江口1.2km。

橋位處地貌單元為沖擊平原，微地貌單元為河流和沖溝，河流堤岸間距197m，橋位周邊現為村莊、農田。橋位區范圍內無活動斷裂和新構造活動痕跡，地質構造條件穩定；場地各土層分布較穩定，巖面起伏較小，均勻性較好，特殊性巖土主要有填土和軟土，軟土深度達到3～8m，基巖為中風化泥質砂巖，埋深50～63m。

2 主要技術標準

(1)道路等級：雙向四車道一級公路。

(2)設計車速：80km/h。

(3)汽車荷載：公路-I級[1]。

(4)設計基準期：100年。

(5)橋面寬度：27.0m。

(6)通航等級：Ⅶ級，最高和最低通航水位分別為16.31m和4.80m，通航凈高不小于4.5m。

(7)基本地震動峰值加速度：0.05g，抗震設防烈度為Ⅵ度。

(8)環境類別：Ⅰ類。

3 總體設計

3.1 方案構思

防洪和通航兩方面的要求基本決定了楊灣河特大橋主跨跨徑。防洪方面，項目處于長江華陽河蓄滯洪區內，楊灣河為興建楊灣閘時開挖的新河，河槽窄深，連接長江，河道兩側堤防均為同馬大堤，堤后設30m寬壓浸臺，橋梁建設不得影響堤防安全，河道內側無法設置橋墩，需要一孔跨越。通航方面，楊灣河航道規劃等級為Ⅶ級，在現有楊灣閘附近存在規劃船閘，規劃引航道位于堤防外側，橋跨布置時既要避讓主航道，也需要預留引航道位置。為滿足防洪和通航要求，根據現場地形并考慮承臺尺寸和施工需求，主跨跨徑不小于362m，實際取為365m，一孔跨越河道和壓浸臺。

橋梁方案的經濟性在該項目中要求較高，同時橋位周邊人口較為密集，對景觀有一定要求，通過方案比選，考慮造價、施工、運營養護等因素，并征得各方同意后，最終選擇經濟合理、簡潔美觀、易于施工、便于養護的混凝土斜拉橋。

由于邊跨位于河道外，邊跨跨徑的考慮因素主要是結構受力平衡和造價經濟，邊跨采用160m跨徑，邊、中跨比為0.4384，在兩側邊跨分別設置一座輔助墩，以增加橋梁的整體剛度。

經進一步研究后，楊灣河特大橋推薦采用(60+100+365+100+60)m混凝土斜拉橋，見圖1和圖2。

3.2 主梁

圖1 橋型布置圖(單位：m)

圖2 橋梁效果圖

相比箱形斷面，肋板式截面雖然抗彎和抗扭剛度比較低，但構造較為簡單，施工較為方便，工期能夠縮短[1]，因此主梁采用肋板式截面，見圖3，全寬27.5m，與跨徑之比達1/13.32；主梁外邊緣處高2.4m，與跨徑之比達1/152.08；頂板厚度為0.3m，設置了雙向2%橫坡。標準段主縱梁單側底寬2m，為增加主梁橫橋向剛度、降低順橋向開裂的幾率，在頂板中間增設了一道小縱梁。邊跨現澆段主梁由于壓重需要，為避免加寬主縱梁或采用板式結構，采用雙邊箱截面。

主梁普通節段長度均為8m，采取懸澆方式施工；72.7m長邊跨和0#、1#塊均采用支架現澆。考慮到斜拉橋掛籃懸澆施工的空間需求，中跨合龍段比邊跨合龍段長1m，長度達到3m，采用吊架現澆施工。

圖3 主梁肋板式截面圖(單位：cm)

橫梁與斜拉索基本對應，標準間距均采用8m，按照馬蹄型截面設計，橫梁最小厚度達0.4m。在主梁邊跨現澆段，為對應斜拉索布置和增加壓重，橫梁間距調整為5.2m，腹板厚變為0.5m。主塔牛腿和各墩位置對應橫梁寬度均采用2.4m。

主梁采用C55混凝土。

3.3 主塔

主塔立面造型采用花瓶式，總高110m，上塔柱高59m，保持豎直；中、下塔柱高分別為39m和12m，斜率均為1∶0.0962，為了節約造價、利于施工、縮短工期、便于維護，主塔采用了箱形截面，斜拉索在塔端采用側壁方式錨固。主塔立面圖見圖4。

上塔柱順、橫橋向寬度分別為7m和4m，塔壁厚度分別為1.2m和0.8m，截面四周設0.5m×0.5m倒角。中、下塔柱均按照變截面設計，中塔柱在順橋向由上而下從7m線性加寬到8.5m，橫橋向保持4m寬不變，塔壁厚度與上塔柱相同；下塔柱在順橋向由上而下從8.5m線性加寬到10m，橫橋向由4m線性加寬到7m，塔壁厚度在順橋向由1.2m加大到1.6m，在橫橋向由0.8m加大到1.2m。塔底設2m厚基座。

中、上塔柱過渡位置附近設置了上橫梁，箱形截面，截面高、寬和箱室壁厚分別采用5m、5.4m和0.8m。由于下塔柱較矮，為減小溫度效應的影響，不設下橫梁，通過設置牛腿安放豎向支座和阻尼，牛腿橫橋向長4.115m，順橋向寬4m，端部高4m、根部高5.5m。

主塔每根塔柱下設順橋向寬22.95m、橫橋向寬16.7m、高6m的矩形承臺，承臺之間設置寬7m的系梁，單座主塔下共設置了26根直徑2.5m的摩擦樁。

圖4 主塔立面圖(單位：cm)

塔柱和承臺、樁基分別采用C50、C35和C30水下混凝土。

3.4 斜拉索

斜拉索按照扇形進行布置，橫向雙索面，在主梁上的間距從主跨到邊跨分別采用8m和5.2m，在主塔上的間距由下到上分別采用2m和1.5m，錨固在主梁底部和主塔內壁混凝土齒塊上。

斜拉索采用公稱直徑15.2mm、標準強度1860MPa的單絲涂覆環氧涂層鋼絞線。斜拉索在單塔、單索面處共22對，全橋共88對，型號有31、34、37、43、55、61、73七種。

通過對全橋斜拉索自振頻率的計算，在主梁位置均設置了阻尼減振裝置。

3.5 輔助墩、過渡墩

輔助墩為分離式矩形柱式墩，墩柱橫橋向中心間距為21m，截面寬度在順、橫橋向分別為3m和2.8m。輔助墩基礎采用寬8.5m正方形承臺，厚度達到3m，單座橋墩下設置了4根直徑2m的摩擦樁。

過渡墩采用柱式墩，橫橋向共設置四根矩形墩柱，中心間距采用6.6m，順、橫橋向分別寬2.4m和2.2m，為平衡受力，墩柱中心向主橋側偏0.35m，為便于與引橋上部結構順接過渡，蓋梁頂部設置了L型階梯。過渡墩基礎采用順、橫橋向分別寬8.5m和23.5m、高3m的啞鈴型承臺，單個承臺下設置了8根直徑2m的摩擦樁。

4 結構計算

斜拉橋的整體計算通過建立有限元空間模型進行，見圖5。梁、塔和斜拉索分別采用空間梁單元和只受拉索單元進行模擬，斜拉索通過剛性連接或共節點分別與梁、塔固定?？傮w設計中要求采用先塔后梁的施工方案，計算模型中模擬了主要施工步驟。

圖5 整體計算有限元模型

4.1 主要參數

橋梁整體計算嚴格按照設計標準進行，除了計入結構重力、預應力、斜拉索張拉力、混凝土收縮徐變和公路-I級汽車荷載外，還包括了以下主要作用[2-4]：

(1)均勻溫度：橋位處最高、最低有效溫度標準值分別為34℃、-3℃，合龍溫度按照18℃±3℃考慮，體系升溫取19℃，體系降溫取-24℃。

(2)主梁梯度溫度：橋面瀝青混凝土鋪裝層厚度為12cm，主梁正溫差采用非線性梯度溫度14℃、5.5℃、0℃，反溫差取正溫差的-0.5[1]。

(3)斜拉索與塔、梁之間的溫差作用：±10℃。

(4)塔梯度溫度：±5℃。

(5)基礎豎向變位：塔處按照0.02m確定，其他橋墩處按照0.01m確定。

(6)風荷載：1/100和1/10基本風速分別為27.1m/s和20.2m/s；參與汽車荷載組合時的橋面高度處風速為25m/s。

4.2 持久狀況下，斜拉橋主要計算結果

(1)主塔在頻遇組合下全截面受壓，塔底和中、下塔柱過渡位置最小壓應力分別為2.2MPa和0.9MPa，塔身混凝土不會開裂。

(2)主梁在頻遇組合下完全受壓，壓應力最小達到0.7MPa，主拉應力最大僅為0.24MPa，主梁正截面和斜截面均不會產生裂縫。主梁在標準值組合下，截面上、下緣壓應力最大分別達到16.5MPa和17.4MPa，主壓應力最大達到17.5MPa。

(3)主、邊跨側斜拉索最大應力分別為735MPa和726MPa，安全系數最小為2.53；應力幅分別達到82MPa和77MPa，低于允許值。

(4)在不計沖擊力的汽車荷載作用下的主梁計算撓度為212mm，遠小于主跨跨徑的1/500即730mm。

(5)整體穩定性

考慮汽車荷載、風荷載和結構重力等組合后的第一類穩定安全系數最小為6.48，超過4。

(6)抗震性能

分別采用多振型反應譜法和非線性時程法進行斜拉橋抗震分析，主塔、支座、阻尼等構件均能達到A類橋梁抗震設防目標，在E1地震作用下不發生損傷，在E2地震作用下可產生輕微損傷、不需修復或簡單修復。

綜上所述，斜拉橋受力符合規范[4-6]要求。

5 結語

為滿足防汛安全和航道規劃的需要，并充分考慮降低工程造價、減少施工難度和易于維護等方面，G347安九二期望江至宿松段一級公路楊灣河特大橋采用(60+100+365+100+60)m混凝土斜拉橋，半漂浮體系，結構簡潔美觀，橋梁跨徑在同類型斜拉橋中位居前列，技術上有一定復雜性，可供類似項目參考。

楊灣河特大橋作為項目的主要控制性工程之一，其快速推進將有利于促進沿線地區經濟快速發展等目標的順利實現，建成后作為當地東西向交通的重要門戶，將成為當地標志性建筑。