紫坪鋪水庫特大橋主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉偉 權(quán)新蕊 宋松科 杜桃明

以紫坪鋪水庫特大橋?yàn)楸尘埃敿?xì)介紹了雙塔單跨簡支鋼板組合梁外張空間纜懸索橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可為同類型橋梁的設(shè)計(jì)提供參考。

懸索橋； 外張空間纜； 鋼板組合梁； 柔性中央扣； 隧道錨； 斷裂破碎帶

U448.25 A

［定稿日期］2022-02-28

［作者簡介］劉偉（1982—），男，碩士，高級工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。

1 工程概況

紫坪鋪水庫特大橋是G317線友誼隧道至映秀改建工程在映秀鎮(zhèn)群益村跨越紫坪鋪水庫的控制性工程，橋梁位于阿壩州汶川縣境內(nèi)。

橋址區(qū)域?qū)賮啛釒夂颍嗄昶骄鶜鉁豯5 ℃、最高氣溫34 ℃、最低氣溫-5 ℃；最大風(fēng)速17 m/s。橋位處庫區(qū)水面寬度約500 m，水深約62 m。庫區(qū)最低蓄水位高程為836.00 m，最高蓄水位高程為877.00 m。

橋址位于“5·12”汶川特大地震的震中區(qū)域，距離北川－映秀活動斷裂和“5·12”汶川大地震震中不到6 km。橋梁處于龍門山前山斷裂與主中央斷裂所圍限的斷塊內(nèi)，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地震活動較為頻繁。

橋位區(qū)整體屬于斜坡地貌。都江堰岸橋址區(qū)地質(zhì)覆蓋層主要為第四系全新統(tǒng)坡積粉質(zhì)黏土，全新統(tǒng)坡積碎石土；下伏基巖為三疊系上統(tǒng)須家河組砂巖，局部夾薄層狀煤層，巖體整體裂隙較不發(fā)育，巖體較完整，巖質(zhì)較硬。映秀岸橋址區(qū)地質(zhì)覆蓋層主要為第四系全新統(tǒng)崩坡積塊石土，第四系更新統(tǒng)沖洪積漂石土；下伏基巖為三疊系上統(tǒng)須家河組炭質(zhì)

砂巖及石炭系灰?guī)r。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）公路等級：二級公路。

（2）設(shè)計(jì)速度：40 km/h。

（3）荷載等級：公路-Ⅰ級，人群荷載2.5 kN/m2。

（4）橋面寬度：14.0 m［2.0 m人行道+10.0 m（車行道）+2.0 m人行道］（不含索區(qū)及風(fēng)嘴）。

（5）抗震等級：地震動峰值加速度0.2g，抗震設(shè)防烈度8度，抗震設(shè)防類別為A類，抗震設(shè)防措施等級為9級。

（6）通航等級：庫區(qū)Ⅵ級（主橋一跨而過，不受通航影響）。

3 總體布置

結(jié)合橋位地形地質(zhì)條件、庫區(qū)水源保護(hù)及航道條件、映秀岸隧道錨與隧道空間關(guān)系、行車視覺景觀、施工條件、全壽命周期成本等因素，主橋選用主跨485 m的雙塔單跨簡支鋼板組合梁外張空間纜懸索橋。主纜矢跨比1∶10，兩岸邊纜跨度125 m。兩岸引橋采用2×25 m預(yù)制簡支T梁，橋梁全長589.53 m（圖1）。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)支承體系

主塔處兩側(cè)設(shè)置縱向活動支座；主梁與主塔間兩側(cè)設(shè)置側(cè)向抗風(fēng)支座［1］；主梁端部與主塔間設(shè)縱向粘滯阻尼器［1］；主纜跨中設(shè)置中央短斜索（柔性中央扣［2］）形成纜梁固結(jié)，以適度控制加勁梁的縱向變位，同時可降低跨中短吊索的疲勞應(yīng)力幅，提高橋梁的抗風(fēng)、抗震性能。

4.2 纜索系統(tǒng)

4.2.1 主纜

橋梁止點(diǎn)接隧道，為使錨碇避開隧道，理論散索點(diǎn)需向外側(cè)移動，使錨碇盡量遠(yuǎn)離隧道洞身；橋?qū)捿^窄（僅14 m），平行主纜布置使橋面猶如狹長巷道，行車壓抑。基于上述分析，設(shè)計(jì)采用外張空間主纜方案，兩岸邊跨主纜橫橋向按受力平衡沿切線方向延伸至錨碇。一方面可以避免主索鞍承受主纜散索點(diǎn)外移引起的橫向水平力，另一方面使行車視覺開闊，景觀效果好。

全橋設(shè)2根主纜，主纜矢跨比1∶10。主纜橫橋向跨中間距16.26 m、主塔塔頂橫向間距24.5 m，主纜外張角度約5°。主纜采用1 770 MPa高強(qiáng)鍍鋅鋼絲預(yù)制平行索股，每根主纜由48根索股組成，每股索股由127絲鍍鋅高強(qiáng)鋼絲組成，鋼絲5.3 mm。主纜一般（索夾內(nèi)）斷面孔隙率按照20%（18%）設(shè)計(jì)，擠圓后463（457） mm。

4.2.2 吊索、扣索

吊索與索夾、加緊梁均為銷鉸式連接，吊索間距為9 m。由于橋?qū)捳跛魇芰π。恳坏觞c(diǎn)設(shè)置單吊索；全橋吊索共53對。吊索采用5.0 mm的預(yù)制平行鋼絲束，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1 770 MPa，每根吊索121絲。

在橫向風(fēng)力作用下，主纜與加勁梁將產(chǎn)生橫向位移差；在豎向荷載作用下，外張空間主纜與加勁梁將產(chǎn)生豎向位移差；這2種位移差均使吊索與加勁梁在橫橋向產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，在吊索上、下端銷軸處設(shè)置關(guān)節(jié)軸承［3］（圖2），適應(yīng)吊索橫向轉(zhuǎn)動。

由于采用外張主纜布置，在平面上，每個索夾的投影與橋軸線的夾角均不一致，因此吊索上、下錨頭叉耳之間也存在相同的夾角，在加工吊索時需要注意。

為改善橋梁的抗風(fēng)、抗震性能，每根主纜中跨跨中兩側(cè)附近各設(shè)置1根柔性人字形中央短斜索（扣索）來形成纜梁固結(jié)。扣索型號、錨頭構(gòu)造與吊索一致。

4.2.3 索鞍

橋塔為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主索鞍采用全鑄式、肋傳力結(jié)構(gòu)［4］。為便于主纜索股架設(shè)時定位方便并增大主纜索股與鞍槽間的摩擦力，鞍槽內(nèi)設(shè)豎向隔板，隔板厚5 mm。由于該橋規(guī)模小，鞍體重量輕（約34.2 t），因此未分塊，采用整體制造。鞍體底部設(shè)置座板用作滑動摩擦副，接觸面間涂耐磨減摩擦材料（降低摩擦系數(shù)）以利于索鞍頂推［5］。座板頂面中央設(shè)有縱向?qū)蚶撸ＷC鞍座頂推不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。頂推反力架采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線與塔頂錨固，索鞍頂推到位后將鞍體用鎖定板鎖死，然后拆除鋼絞線與反力架。

散索鞍為擺軸式結(jié)構(gòu)，采用鑄焊結(jié)合的形式，鞍身由厚80 mm的Q355R鋼板作為縱橫肋組焊成的箱型結(jié)構(gòu)。擺軸式轉(zhuǎn)動裝置由上、下承力板和銷組成，以適應(yīng)施工過程中及運(yùn)營后鞍座角度的調(diào)整。散索鞍鞍槽內(nèi)設(shè)豎向隔板（作用與主索鞍中的相同），隔板厚度由邊跨向錨跨側(cè)逐漸變厚，并適應(yīng)鞍槽的散索線形。索鞍結(jié)構(gòu)見圖3。

4.3 加勁梁

采用鋼板組合梁作為加勁梁［6］，在鋼板梁頂面設(shè)置剪力釘與預(yù)制混凝土橋面板結(jié)合而成，斷面布置見圖5。加勁梁全寬18.3 m（含風(fēng)嘴），中心線處梁高2.183 m（含橋面板），頂面設(shè)2%的雙向橫坡，底面水平。

鋼格子梁由兩側(cè)的邊縱梁通過主橫梁、次橫梁及小縱梁連接而成。邊縱梁采用工字形鋼梁和風(fēng)嘴組成的閉口截面；主橫梁、次橫梁及小縱梁均為工字型截面。吊索處對應(yīng)設(shè)置主橫梁，之間等間距設(shè)置2道次橫梁，橋梁中軸線處設(shè)置一道小縱梁。鋼梁采用Q355C，在工廠分段制造，運(yùn)輸至現(xiàn)場后再進(jìn)行組裝成標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段；標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長18.0 m，2根吊索對應(yīng)一個吊段，節(jié)段間頂?shù)装宀捎煤附舆B接，腹板采用高強(qiáng)螺栓連接（圖4）。

橋面板采用C55，厚度為22 cm，橫向全寬14 m；橫向分2塊預(yù)制，采用C55微膨脹混凝土使預(yù)制橋面板與鋼梁結(jié)合為整體。預(yù)制橋面板長6.17 m、寬2.52 m，邊緣設(shè)置鋸齒狀剪力槽。

4.4 錨碇及錨固系統(tǒng)

兩岸錨碇處地形較陡峭、地表覆蓋層較薄，中風(fēng)化基巖埋深較淺、承載力較高，岸坡穩(wěn)定性較好，考慮到隧道錨巖體開挖量小、對周邊生態(tài)環(huán)境破壞小、工程量小［7］，因此兩岸均選用較為經(jīng)濟(jì)的隧道錨［8］。每根主纜單獨(dú)設(shè)置錨碇，由連接段、前錨室、錨塞體3部分組成。錨錠一般構(gòu)造見圖5。

都江堰岸主纜邊跨跨過老國道317，錨碇位于公路內(nèi)側(cè)邊坡上，錨塞體嵌入中風(fēng)化砂巖。

映秀岸錨碇進(jìn)口段為灰?guī)r裂隙密集帶，下方為黃家院隧道；為避開該密集帶，同時為保證結(jié)構(gòu)安全，錨塞體布置盡量遠(yuǎn)離隧道，因此將錨塞體埋深加大布置在隧道下方兩側(cè)，錨塞體與隧道水平凈距6.3 m，錨塞體嵌入中風(fēng)化灰?guī)r。

由于該橋主纜規(guī)模小，絲股數(shù)量少，前錨面所需斷面尺寸較小，若采用后期可更換的錨固系統(tǒng)，則在錨塞體內(nèi)需設(shè)置人行通道及后錨室，勢必加大錨塞體斷面尺寸，增加投資；同時，為避免管養(yǎng)單位養(yǎng)護(hù)、更換不及時給錨固系統(tǒng)帶來安全隱患；因此主纜錨固系統(tǒng)采用后期不可更換的結(jié)構(gòu)形式，不在錨塞體內(nèi)設(shè)置人行通道及后錨室。由于這種錨固結(jié)構(gòu)不具備更換和維護(hù)條件，必須具有全壽命內(nèi)免維護(hù)的耐久性，因此設(shè)計(jì)采用較型鋼錨固系統(tǒng)用鋼量低的圓形高強(qiáng)鋼拉桿作為錨固系統(tǒng)。圓形鋼拉桿截面周長與截面面積比值小，可降低使用期內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕對錨固抗拉強(qiáng)度的影響［9］；同時在圓形鋼拉桿表面設(shè)置水溶性防銹油，并在孔道內(nèi)灌注水泥漿，作為其防腐體系，從而實(shí)現(xiàn)與主體結(jié)構(gòu)同壽命的設(shè)計(jì)要求。

4.5 橋塔

兩岸橋塔均位于岸上。都江堰岸橋塔位于老國道317附近，運(yùn)輸條件較好，因此將橋塔適當(dāng)遠(yuǎn)離庫岸布置，為加勁梁提供拼裝、起吊場地。兩岸塔區(qū)地質(zhì)條件相對簡單，都江堰岸塔基覆蓋層較淺，下伏基巖為砂巖，靠上部斜向分布一層斷裂破碎帶，為非全新世活動斷裂，不存在地震引起地表錯動的危害，對結(jié)構(gòu)影響小；映秀岸塔基覆蓋層較厚，分為2層，為全新統(tǒng)崩坡積塊石土和更新統(tǒng)沖洪積漂石土，總厚度約42 m，下伏基巖依次為強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖。

橋塔塔柱豎直設(shè)置，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，都江堰岸塔高90.55 m，映秀岸塔高94.05 m，基礎(chǔ)設(shè)置為分離式承臺接群樁基礎(chǔ)。

橋塔塔柱豎直設(shè)置，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)（圖6），混凝土強(qiáng)度等級為C50。兩塔柱豎直布置，有利施工；都江堰岸塔高90.55 m，映秀岸塔高94.05 m。塔柱采用單箱單室箱型截面，為改善抗風(fēng)性能，塔柱四周倒0.2 m圓角；上塔柱為等截面，橫橋向?qū)?.5 m，縱橋向?qū)? m；下塔柱為縱橫向變截面，橫橋向?qū)捰?.5 m變化至4.389 m（都江堰岸）/4.5 m（映秀岸），縱橋向由5 m變化至6.333 m（都江堰岸）/6.5 m（映秀岸）；塔柱軸線保持為豎直，避免了對基礎(chǔ)產(chǎn)生恒載水平力。上塔柱壁厚0.7 m，下塔柱壁厚0.9 m。上、下橫梁均采用單箱單室箱型截面；上橫梁尺寸4.4 m×4 m，壁厚0.6 m；下橫梁尺寸4.4 m×4.5 m，壁厚0.7 m，對應(yīng)支座位置設(shè)置橫隔板或橫肋。上、下橫梁均按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)，預(yù)應(yīng)力張拉端設(shè)置在橫梁對應(yīng)塔柱內(nèi)壁處，避免截?cái)嗨鹘睿?0］。

基礎(chǔ)采用分離式承臺接群樁，每個承臺設(shè)置6根2.5 m的鉆孔灌注樁，樁基按嵌巖承樁設(shè)計(jì)。

5 主橋結(jié)構(gòu)整體分析

5.1 主纜線形

在一期及二期恒載作用下，采用BNLAS非線性分析軟件進(jìn)行迭代計(jì)算，得到空間主纜成橋狀態(tài)及空纜狀態(tài)線形。成橋狀態(tài)主纜跨中垂度48.5 m，空纜狀態(tài)主纜跨中垂度43.893 m，兩岸橋塔主索鞍預(yù)偏量0.556 m。

5.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

整體計(jì)算采用Midas2019空間分析軟件，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算采用基本組合（恒載+活載+溫度+風(fēng)荷載），結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1。主纜及吊索抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 770 MPa，主纜材料分項(xiàng)系數(shù)1.85，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為956.8 MPa；吊索材料分項(xiàng)系數(shù)2.2，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為804.5 MPa；計(jì)算結(jié)果顯示：主纜最大拉應(yīng)力為835.4 MPa，吊索最大拉應(yīng)力為658.9 MPa；顯然，主纜及吊索強(qiáng)度滿足要求。加勁梁鋼梁采用Q355C，最大板厚40 mm，抗彎設(shè)計(jì)強(qiáng)度270 MPa，抗剪設(shè)計(jì)強(qiáng)度155 MPa；基本組合作用下，鋼梁最大拉應(yīng)力為224.4 MPa，最大壓應(yīng)力為211.2 MPa，最大剪應(yīng)力為73.7 MPa；顯然，加勁梁強(qiáng)度滿足要求。

5.3 整體剛度

在活載作用下，加勁梁最大上拱值為0.572 m，最大下拱值為1.003 m，撓跨比為1∶308，滿足規(guī)范小于1∶250的要求。在W2風(fēng)荷載作用下，加勁梁橫向最大位移為1.099 m，撓跨比為1∶441，滿足規(guī)范小于1∶150的要求。

6 結(jié)束語

紫坪鋪水庫特大橋主纜采用外張空間纜，使止點(diǎn)隧道錨避讓車行隧道和提升窄橋橋上行車視覺感受巧妙結(jié)合；都江堰岸運(yùn)輸條件較好，將該岸橋塔適當(dāng)遠(yuǎn)離庫岸布置，為加勁梁提供拼裝、起吊場地；塔柱軸線保持豎直，方便施工，避免塔柱基礎(chǔ)在恒載作用下產(chǎn)生水平推力，取消承臺系梁；橋塔橫梁預(yù)應(yīng)力在塔柱內(nèi)壁錨固，避免預(yù)應(yīng)力張拉開槽截?cái)嗨鹘睿患觿帕翰捎娩摪褰M合梁，工廠集中制造、單件運(yùn)輸、現(xiàn)場組拼，解決了山區(qū)橋梁運(yùn)輸條件困難，適合于中小跨徑懸索橋；加勁梁2根吊索對應(yīng)一個吊段，加快施工進(jìn)度，提高吊裝過程安全性；采用免維護(hù)、免更換的高強(qiáng)鋼拉桿錨固系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與主體結(jié)構(gòu)同壽命。

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