懷化鴨嘴巖大橋主橋設(shè)計(jì)方案研究

孫文峰，程應(yīng)剛

（中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430056）

1 概述

為打造獨(dú)特的橋梁景觀，實(shí)現(xiàn)歷史、文化和美學(xué)價值的建設(shè)目標(biāo)，對該橋開展了專項(xiàng)的景觀概念設(shè)計(jì)，景觀效果圖見圖1 所示。橋塔整體造型為“鶴”型，曲線輕盈優(yōu)美，造型新穎獨(dú)特，形似水河邊翩翩起舞的仙鶴，寓意懷化的古稱“鶴州”與別名“鶴城”，體現(xiàn)了功能、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、美觀和歷史文化和諧統(tǒng)一。

圖1 景觀設(shè)計(jì)效果圖

水河是沅水上游一級支流，橋位處常水位下河道寬約207 m。規(guī)劃航道等級為內(nèi)河Ⅳ級航道，單向通航孔凈寬不小于45 m，雙向通航孔凈寬不小于90 m，通航凈高不小于8.0 m。橋位處平均氣溫16.4℃，極端最高氣溫為38℃，極端最低氣溫為-4℃。橋址處兩岸地形起伏不大，右岸地形坡度15°～20°，左岸除河岸岸坡處地形坡度達(dá)40°左右外，其余地段變化不大。橋位處下伏基巖主要為白云質(zhì)灰?guī)r，并發(fā)育有溶洞。

綜合考慮景觀設(shè)計(jì)、規(guī)劃航道的適應(yīng)性和行洪評估要求，大橋采用主跨200 m 獨(dú)塔斜拉橋方案。

2 結(jié)構(gòu)特性分析

近年來隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和橋梁景觀的要求不斷提高，涌現(xiàn)出一系列造型新穎獨(dú)特的斜塔斜拉橋，如塞維利亞阿拉米略橋[1]、荷蘭鹿特丹港Erasmus 橋[2]、西班牙Ebro 河橋[3]、長沙洪山橋[4]等。

常規(guī)斜塔斜拉橋的橋塔均向岸側(cè)傾斜，除去美觀上的需要之外，也體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)受力上的合理性。橋塔的受力表現(xiàn)為在斜拉索索力和其自身重力作用下的懸臂梁，向岸側(cè)傾斜的橋塔依靠塔身的自重力距，抵抗主跨橋面荷載通過拉索傳遞的傾覆力矩，可大幅減少邊跨斜拉索的用量，甚至做到無背索結(jié)構(gòu)[5-6]，塔身自重對結(jié)構(gòu)整體受力有利。

對該橋而言，由于景觀造型的需要，曲線型橋塔向河心傾斜（偏心距達(dá)15 m），塔身自重成為結(jié)構(gòu)受力的負(fù)擔(dān)。在塔身自重Wt和拉索豎向分力Fsv共同作用下，塔底會產(chǎn)生不利的向河心側(cè)傾覆彎矩Mt［Mt=（Fsv+Mt）lt］，因此邊跨側(cè)拉索水平分力FsH邊除需平衡主跨側(cè)拉索水平分力FsH主外，還需要提供額外的水平力F’sH邊來平衡主塔傾覆彎矩Mt，從而引起該橋主跨主梁水平力FdH主（=FsH主）和邊跨主梁水平力FdH邊（=FsH邊）的不平衡。

基于結(jié)構(gòu)特性分析，塔底不平衡彎矩與橋塔重量和中跨主梁重量正相關(guān)，故該橋設(shè)計(jì)思路為減輕橋塔和主跨主梁自重，從而減小塔底傾覆彎矩和基礎(chǔ)的規(guī)模；同時增加邊跨主梁重量，以避免邊跨支座出現(xiàn)負(fù)反力（見圖2）。

圖2 結(jié)構(gòu)受力特性示意圖

3 結(jié)構(gòu)體系

斜拉橋主要分為漂浮體系，半漂浮（支承）體系，塔梁固結(jié)體系，剛構(gòu)體系等4 種結(jié)構(gòu)體系[7-8]。

通過結(jié)構(gòu)特性分析，該橋主塔兩側(cè)主跨主梁水平力FdH主和邊跨主梁水平力FdH邊并不平衡，分別等同于主跨側(cè)拉索水平分力FsH主和邊跨側(cè)拉索水平分力FsH邊，若主梁在縱橋向無約束，主梁會在不平衡水平力F’sv邊作用下，向主跨方向偏移，因此該橋不能采用漂浮體系和半漂浮體系。

常規(guī)獨(dú)塔斜拉橋多采用剛構(gòu)體系，剛構(gòu)體系塔、梁、墩固結(jié)，具有結(jié)構(gòu)剛度大、主梁和塔柱撓度小、避免設(shè)置較大噸位支座等優(yōu)點(diǎn)，且傳力較為直接，不平衡水平力在固結(jié)處即可實(shí)現(xiàn)平衡。

考慮到該橋結(jié)構(gòu)布置特殊性，為使結(jié)構(gòu)整體受力最優(yōu)，擬定三種剛構(gòu)體系方案進(jìn)行比選，結(jié)構(gòu)體系方案見圖3 所示。

圖3 結(jié)構(gòu)體系示意圖

方案1 和方案2 中，均采用塔梁固結(jié)體系。但由于本橋主塔在縱、橫向兩個方向均彎曲傾斜，塔柱呈現(xiàn)空間扭轉(zhuǎn)曲線，為滿足受力需要，下塔柱需采用較大的截面尺寸。采用塔梁固定體系，下塔柱與主梁橫梁形成橫橋向剛架結(jié)構(gòu)，由于下塔柱橫向剛度較大，在固結(jié)處活載、溫度及橫向預(yù)應(yīng)力等荷載作用下，下塔柱產(chǎn)生較大的次內(nèi)力，無法滿足受力要求。方案3中，斜腿與主梁固結(jié)，由于斜腿截面和橫向剛度相對較小，橫向框架滿足要求，主梁邊、主跨不平衡水平力通過斜腿傳遞至承臺，與邊、主跨斜拉索不平衡水平分力在塔柱上產(chǎn)生的水平剪力，在承臺頂面處實(shí)現(xiàn)平衡。

該橋采用的結(jié)構(gòu)體系為：斜腿與主梁固結(jié)；主塔、輔助墩及兩側(cè)邊墩均采用雙向活動支座；橫向設(shè)置抗風(fēng)支座。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 主塔結(jié)構(gòu)

由于鋼材具有良好的受力性能和可焊接性，能滿足主塔各種造型的需要，近年來在異形斜拉橋中鋼制主塔得到了越來越多的應(yīng)用。

常規(guī)的斜塔斜拉橋，直線橋塔多采用混凝土結(jié)構(gòu)，折線塔和曲線塔采用鋼結(jié)構(gòu)或鋼-混組合結(jié)構(gòu)，如荷蘭Erasmus 橋等。對于該橋，由于橋塔在縱、橫向曲率均較大，上塔柱尺寸相對較小，考慮到斜拉索錨固等因素，上塔柱采用混凝土結(jié)構(gòu)并不適合。

設(shè)計(jì)中對主塔進(jìn)行了鋼結(jié)構(gòu)和鋼-混混合結(jié)構(gòu)兩種方案的研究比選，見表1 所列。

表1 主塔方案分析比較表

兩種結(jié)構(gòu)型式受力均能滿足要求，且工程實(shí)例均較多，施工工藝成熟，鋼橋塔方案經(jīng)濟(jì)性稍差。由于鋼橋塔方案塔柱底部鋼混結(jié)合面位于常水位以下，鋼結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生腐蝕，耐久性較差。基于降低工程造價和提高耐久性方面的考慮，采用鋼-混混合橋塔方案，橋面以上塔柱為鋼結(jié)構(gòu)，橋面以下塔柱為混凝土結(jié)構(gòu)。橋塔構(gòu)造圖見圖4 所示。

圖4 橋塔構(gòu)造圖

4.2 主梁結(jié)構(gòu)

結(jié)合概念設(shè)計(jì)景觀方案和橋址處建設(shè)條件，跨徑布置擬采用200+74+45（m）。由于該橋邊跨過短，邊中跨比例較小，并結(jié)合結(jié)構(gòu)特性分析，主跨主梁重量應(yīng)減輕，邊跨主梁重量宜增加的思路，主梁總體設(shè)計(jì)方案為采用混合梁結(jié)構(gòu)型式：邊跨主梁采用混凝土主梁（可適當(dāng)壓重），減少造價同時增加邊跨平衡重，保證邊墩支座不出現(xiàn)負(fù)反力；主跨主梁采用鋼梁或組合梁，自重較輕，符合該橋受力基本原則。

一般混合梁斜拉橋主跨主梁常采用鋼箱梁和組合梁兩種型式[9]。

（1）鋼箱梁方案（見圖5）：主跨采用正交異性橋面板流線型扁平鋼箱梁，梁高2.5 m，橋面寬36 m，頂板厚為18 mm，底板厚為12 mm。縱向設(shè)三道腹板，板厚16 mm。橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距為3 m，板厚12 mm。

圖5 鋼箱梁方案 主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖（單位：cm）

邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，單箱雙室截面，頂板寬36 m，底板寬25.5 m，梁高2.5 m。頂板厚26 cm，底板厚24 cm；邊腹板寬150 cm，中腹板寬50 cm，標(biāo)準(zhǔn)橫隔板厚40 cm，間距為3.5 m。

（2）組合梁方案（見圖6）：主跨組合梁采用雙邊工字梁斷面型式，橋面寬36 m，梁高2.5 m，2 片工字形縱梁橫向中心距24 m。鋼橫梁也為工字形，標(biāo)準(zhǔn)間距4 m。橋面板采用預(yù)制構(gòu)件，板厚26 cm。

圖6 組合梁方案 主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖（單位：cm）

邊跨采用混凝土邊主梁形式，梁高2.5 m，頂板寬36 m，邊主梁寬2.5 m，橋面板厚26 cm，標(biāo)準(zhǔn)橫隔板間距3.5 m，橫隔板厚30 cm。

對兩種方案進(jìn)行綜合比較，見表2 所列。

表2 主梁方案分析比較表

表2 結(jié)果表明，組合梁方案由于混凝土橋面板的存在，雖提高了主梁剛度和橋面鋪裝的耐久性，但同時也增加了橋面自重，與該橋需減輕主跨主梁重量的設(shè)計(jì)思路相悖。對于常規(guī)的直塔斜拉橋，組合梁方案造價優(yōu)于鋼箱梁方案，對于該橋而言，雖然主梁用鋼量較少，造價較省，但主梁恒載增大，由于主塔向河心傾斜，大幅提高了主塔和下部基礎(chǔ)的造價，因此經(jīng)濟(jì)性并不占優(yōu)。由于該橋結(jié)構(gòu)布置的特殊性，組合梁并不適宜該橋結(jié)構(gòu)形式，故該橋主跨主梁采用鋼箱梁方案。

4.3 主梁壓重

主梁壓重作為一種改進(jìn)結(jié)構(gòu)受力的有效措施，其設(shè)置要結(jié)合具體結(jié)構(gòu)特性按需設(shè)置。常規(guī)斜拉橋主梁壓重部位多位于邊跨梁端，其目的主要是避免邊墩支座出現(xiàn)負(fù)反力，同時可增加尾索的剛度，進(jìn)而提高全橋整體剛度。

由于該橋采用混合梁結(jié)構(gòu)，通過對計(jì)算分析，邊跨梁端支座最小反力為：3 591.4 kN（單個），支座并未出現(xiàn)負(fù)反力。但是在主梁不平衡水平力作用下，斜腿下緣受拉，因此該橋壓重設(shè)置在斜腿與主梁固結(jié)處，壓重布置見圖7 所示。主梁壓重的作用主要體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：

圖7 主梁壓重示意圖

（1）該橋邊、主跨主梁存在約1 335.4 t 的不平衡水平力，通過斜腿傳遞至承臺頂，與主塔水平剪力相平衡。在主梁不平衡水平力和拉索豎向力的作用下，斜腿下緣處于受拉狀態(tài)，斜腿底部產(chǎn)生順橋向彎矩，斜腿頂主梁壓重可產(chǎn)生相反的彎矩與之相平衡，極大改善斜腿的軸向受力。

（2）斜腿頂主梁壓重可以對主塔底產(chǎn)生向河岸側(cè)的彎矩，使結(jié)構(gòu)重心向邊跨側(cè)偏移，從而有效減少主塔底向河心側(cè)傾覆彎矩，優(yōu)化主塔和基礎(chǔ)的受力狀態(tài)（見圖7）。

主梁壓重重量以恒載作用下斜腿全截面均勻受壓為標(biāo)準(zhǔn)，斜腿僅承擔(dān)活載及附加荷載的彎矩作用，經(jīng)計(jì)算壓重總重量為1 720 t，采用鐵砂混凝土壓重，主塔塔底彎矩可減少約335 400 kN·m。

5 總體布置

通過方案分析研究，優(yōu)化了該橋的結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)造細(xì)節(jié)，主橋采用曲線獨(dú)塔雙索面斜拉橋，跨徑布置為200+74+45（m），橋面寬36 m。主塔采用鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)，總高度為100 m；下塔柱高15 m，采用混凝土結(jié)構(gòu)，上塔柱高85 m，采用鋼結(jié)構(gòu)，交界面處設(shè)置鋼-混結(jié)合段。主梁采用混合梁結(jié)構(gòu)，邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，主跨采用鋼箱梁，鋼-混凝土結(jié)合面設(shè)置在伸入主跨9 m 處。斜腿采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱型結(jié)構(gòu)。斜拉索采用平行鋼絲斜拉索，塔上索間距為3 m，主跨索間距為12 m，邊跨索間距為7 m。主塔墩采用中間設(shè)系梁的分離式承臺、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)[10]。主橋總體布置見圖8 所示。

圖8 主橋總體布置圖（單位：m）

6 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

對通過方案比選確定的推薦方案進(jìn)行試設(shè)計(jì)研究，并進(jìn)行了靜、動力計(jì)算分析。

6.1 整體靜力分析

采用有限元軟件Midas Civil 建立空間有限元模型（見圖9）。主梁、主塔和斜腿均采用空間梁單元模擬；拉索采用桁架單元模擬。邊界條件為：主梁與主塔縱向活動、豎向及橫向約束；主梁與斜腿固結(jié)；主梁與輔助墩、交界墩及邊墩為縱向活動、豎向及橫向約束；斜腿底和塔底采用固結(jié)。

圖9 空間有限元模型

計(jì)算結(jié)果表明：運(yùn)營階段，主跨鋼箱梁最大壓應(yīng)力113.0 MPa，最大拉應(yīng)力-76 MPa；邊跨混凝土梁最大壓應(yīng)力為15.3 MPa，上下緣均未出現(xiàn)拉應(yīng)力；主塔鋼結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力120 MPa，最大拉應(yīng)力-30 MPa；混凝土下塔柱最大壓應(yīng)力為10 MPa，塔底最大拉應(yīng)力-0.7 MPa；斜腿最大壓應(yīng)力為12.6 MPa，最大拉應(yīng)力0.13 MPa；鋼橫撐最大壓應(yīng)力為79 MPa。

活載作用下主跨主梁最大向下位移-297.6 mm，向上位移3.7 mm，撓跨比為1/663.8，結(jié)構(gòu)剛度滿足1/400 的規(guī)范要求。

6.2 動力特性及抗震分析

采用空間有限元軟件Midas Civil 對該橋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動力分析，結(jié)構(gòu)動力特性見表3 所列。

表3 結(jié)構(gòu)動力特性一覽表

由結(jié)果可知，該橋一階為主梁豎彎失穩(wěn)，二階為主塔側(cè)彎失穩(wěn)，三～六階均為主梁失穩(wěn)，A 型橋塔和空間雙索面布置，為大橋提供了較好的豎向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度

根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，該橋?qū)儆贏 類橋梁，采用反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震計(jì)算。結(jié)果表明,在E1地震作用下，橋墩、主塔和樁基彎矩最不利截面彎矩均小于截面初始屈服彎矩，均保持在彈性范圍之內(nèi)；在E2 地震作用下，橋墩、主塔和樁基彎矩安全系數(shù)均大于1，橋墩、主塔和樁基構(gòu)件只發(fā)生可修復(fù)損傷，滿足抗震性能要求。

7 結(jié)語

懷化鴨嘴巖大橋采用主跨200 m 曲線獨(dú)塔混合梁斜拉橋方案，橋塔呈“鶴”形，凸顯了橋梁景觀，又完美契合了當(dāng)?shù)氐臍v史文化，實(shí)現(xiàn)了使用功能、結(jié)構(gòu)受力和橋梁景觀的和諧統(tǒng)一，為以后類似橋梁設(shè)計(jì)提供了有益的思路和借鑒。本文介紹了該曲線塔斜拉橋的設(shè)計(jì)研究過程，選擇了合理的結(jié)構(gòu)體系及主梁、主塔構(gòu)造，并建立了空間有限元模型進(jìn)行了計(jì)算分析，確保了結(jié)構(gòu)的安全性。主要有以下結(jié)論：

（1）采用斜腿與主梁固結(jié)的新型組合式剛構(gòu)體系，有別于獨(dú)塔斜拉橋常采用的墩塔梁固結(jié)體系，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)整體受力。

（2）主塔采用鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)，上塔柱采用鋼結(jié)構(gòu)，滿足了結(jié)構(gòu)造型的需要，同時減輕了上塔柱自重；下塔柱采用混凝土結(jié)構(gòu)，提高了塔柱的耐久性，同時減少了造價。

（3）主梁采用混合梁結(jié)構(gòu)，主跨主梁采用鋼箱梁，減輕了主梁自重，優(yōu)化了塔柱和基礎(chǔ)受力；邊跨主梁采用現(xiàn)澆混凝土箱梁，減少造價同時增加邊跨平衡重。

（4）主梁壓重設(shè)置在斜腿頂處，優(yōu)化了斜腿的受力，減少塔底不平衡彎矩，改善了主塔及基礎(chǔ)的受力。