二七長(zhǎng)江大橋主跨斜拉橋鋼主梁設(shè)計(jì)

杜 萍

（中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430056）

二七長(zhǎng)江大橋作為二環(huán)線(xiàn)控制工程之一，北岸連接漢口中心區(qū)和后湖組團(tuán)，南岸連接武昌中心區(qū)和青山組團(tuán)，是二環(huán)線(xiàn)的重要組成部分。正橋工程橋梁總長(zhǎng)度為2 922m。車(chē)道數(shù)為雙向6車(chē)道，橋面標(biāo)準(zhǔn)寬度為29.5m。通航孔主橋采用三塔斜拉橋方案，跨徑布置為90m＋160m＋2×616m＋160m＋90m，見(jiàn)圖1。

圖1 二七長(zhǎng)江大橋主橋立面布置圖（單位：m）

1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年。

（2）道路等級(jí)：城市快速路。

（3）主線(xiàn)設(shè)計(jì)行車(chē)速度：80km／h。

（4）主線(xiàn)設(shè)計(jì)車(chē)道：雙向6車(chē)道，采用2×（3.5m＋2×3.75m）的行車(chē)道，兩側(cè)各布置2.25 m寬（包括欄桿）的人行道。

（5）設(shè)計(jì)洪水頻率：300年一遇。

（6）設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載：城－A級(jí)。

（7）人群荷載：根據(jù)《城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ77－98）有關(guān)規(guī)定采用。

（8）抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：地震烈度6級(jí)，按7級(jí)設(shè)防。

（9）通航凈空：通航凈空寬度，設(shè)置2主孔，通航孔凈空寬度均不小于575m。

通航凈空高度，按I－（1）級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2主孔通航凈高均不小于24m。

2 斜拉橋上部結(jié)構(gòu)

2.1 概況

主橋設(shè)計(jì)為90m＋160m＋2×616m＋160m＋90m斜拉橋，斜拉橋主梁采用混合梁，其中漢口及武昌岸90m邊跨采用混凝土梁，其余梁段為工字鋼結(jié)合梁。梁高3.5m（橋梁中心線(xiàn)處），節(jié)間長(zhǎng)度13.5m，斜拉索中心距為30.5m。

主塔采用混凝土結(jié)構(gòu)，承臺(tái)以上高度205m。每塔兩側(cè)各有2×22根斜拉索。全橋共有斜拉索264根，斜拉索的索距為13.5m，斜拉索上端錨固于主塔上的斜拉索錨塊上，下端錨固于主梁上，在結(jié)合梁段斜拉索錨固采用錨拉板式構(gòu)造，邊跨混凝土梁段采用導(dǎo)管式構(gòu)造，斜拉索穿過(guò)預(yù)埋導(dǎo)管，錨固于邊主梁的底部。

斜拉橋處主梁橫斷面見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 鋼－混凝土結(jié)合梁處主梁橫斷面（單位：m）

圖3 邊跨混凝土梁處主梁橫斷面（單位：m）

2.2 斜拉橋結(jié)構(gòu)體系

邊墩、輔助墩以及主塔墩上均設(shè)有豎向支座和約束梁體橫向位移的支座，見(jiàn)圖4，僅中塔設(shè)有約束梁體縱向位移的構(gòu)造，見(jiàn)圖5。

圖4 邊塔處支座約束布置圖

圖5 中塔處支座約束布置圖

2.3 鋼主梁的橫截面形式選定

加勁梁形式主要有鋼箱梁與結(jié)合梁2種方式。鋼箱梁斜拉橋具有施工可靠、技術(shù)成熟、速度快等特點(diǎn)，但是鋼橋面鋪裝的耐久性難題迄今尚無(wú)完美的解決方案。結(jié)合梁施工速度快，主梁的重量介于預(yù)應(yīng)力混凝土梁和鋼箱梁之間，橋梁的體系剛度較鋼箱梁大、斜拉索疲勞應(yīng)力幅低，同時(shí)，結(jié)合梁方案因橋面為混凝土結(jié)構(gòu)，可克服鋼箱梁結(jié)構(gòu)橋面鋪裝的耐久性問(wèn)題。因此本橋采用結(jié)合梁方案。

開(kāi)口斷面結(jié)合梁斜拉橋技術(shù)在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛，在設(shè)計(jì)和施工方面均積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。特別是近幾年，國(guó)內(nèi)外大跨度結(jié)合梁斜拉橋的建設(shè)技術(shù)發(fā)展迅速，目前我國(guó)已建成主跨600m以上的結(jié)合梁斜拉橋2座，上海楊浦大橋主跨602m，加勁梁縱梁為小箱梁；福州青洲閩江大橋主跨605m，加勁梁縱梁為工字形鋼梁；本橋跨徑616 m，結(jié)合梁采用開(kāi)口斷面技術(shù)上可行。

2.4 混合梁方案的選定

本橋邊跨總長(zhǎng)度為90m＋160m＝250m，為平衡最不利狀態(tài)下的邊墩及輔助墩產(chǎn)生的巨大負(fù)反力，而主梁采用工字形結(jié)合梁，無(wú)足夠的壓重空間解決墩頂負(fù)反力的問(wèn)題，經(jīng)研究，本設(shè)計(jì)擬將端部90m跨設(shè)計(jì)為混凝土梁，以提供壓重，從結(jié)構(gòu)受力性能合理、施工工藝簡(jiǎn)便和造價(jià)經(jīng)濟(jì)3個(gè)方面考慮，接頭選在位于輔助墩向中跨方向4.5 m 的位置［1］。

3 主梁設(shè)計(jì)

3.1 主梁設(shè)計(jì)概述

結(jié)合梁總長(zhǎng)1 543m，其混凝土橋面板全寬為32.3m，支撐在由鋼主梁的邊主梁、小縱梁及橫梁組成的梁格系上，橫梁每隔4.5m設(shè)1道，橫向兩側(cè)為工字形邊主梁，中間設(shè)小縱梁（橋梁中心線(xiàn)處）。橋面板設(shè)計(jì)為與上述梁格系相結(jié)合的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)合構(gòu)件，混凝土橋面板與鋼主梁通過(guò)布置于鋼梁邊主梁及橫梁頂面的直徑22 mm圓柱頭剪力釘結(jié)合后共同受力。

結(jié)合梁混凝土橋面板分為預(yù)制和現(xiàn)澆2部分，預(yù)制板按照平面尺寸可分為2.4m×14.7m，3.4m×14.7m，3.9m×14.7m3種規(guī)格?，F(xiàn)澆部分為預(yù)制板間現(xiàn)澆縫，鋼梁邊主梁頂現(xiàn)澆帶。為減少混凝土收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，要求預(yù)制板存放時(shí)間不少于6個(gè)月，現(xiàn)澆濕接縫及現(xiàn)澆混凝土橋面板采用C60微膨脹混凝土。

結(jié)合梁全橋斷面上共有2片工字型邊主梁，間距30.5m。每片邊主梁斷面均為腹板外側(cè)布置有2條縱向加勁肋的I字型斷面，斷面全高2.935m，見(jiàn)圖6。

圖6 工字形鋼主梁橫斷面（單片）（單位：mm）

每片邊主梁的I型斷面板件根據(jù)下翼緣寬度不同分為5類(lèi)：上緣板為900mm×36mm，下緣板寬度范圍為1 200～1 920mm，厚度為80mm，腹板厚36mm，2條縱向加勁肋均為432mm×36 mm，每段梁長(zhǎng)在7～18m范圍內(nèi)變化，其中以13.5m長(zhǎng)的梁段數(shù)量為多。主梁梁段間工地采用M30的高強(qiáng)度螺栓連接。主梁縱向豎曲線(xiàn)通過(guò)梁段拼接接縫上、下縫之間的間隙差值來(lái)實(shí)現(xiàn)。單段主梁最大重量約52t，全橋范圍內(nèi)共有351片橫梁。每片橫梁兩端分別支承在兩片主梁上，其計(jì)算跨度為30.5m，構(gòu)件實(shí)際長(zhǎng)度為29.56 m。橫梁的斷面形式為Ι形斷面，橫梁下緣板水平，上緣板在梁端向橋梁中心處按2%橫坡起坡的基礎(chǔ)上設(shè)置恒載預(yù)拱度。沿橋梁中心線(xiàn)處梁高為2.8m，所有橫梁兩端與主梁間均采用M24高強(qiáng)度螺栓工地連接。單片橫梁的最大吊重約78t。

本橋斜拉索的錨固采用錨拉板的結(jié)構(gòu)形式［2］，見(jiàn)圖7。此種結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)構(gòu)造簡(jiǎn)單，但對(duì)鋼梁的制造提出了較嚴(yán)的要求。根據(jù)索力大小不同，錨板厚度各不相同，厚度為28～50mm。

圖7 錨拉板結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

鋼主梁的I字型截面用鋼板在工廠焊接成型，斜拉索的錨固拉板直接焊于主梁上翼緣中間，所以斜拉索錨固點(diǎn)范圍內(nèi)的上翼板必須是具有良好Z向受力性能的鋼板［3］。

橋面板通過(guò)布置在鋼主梁及鋼橫梁頂?shù)募袅︶斉c鋼梁結(jié)合。剪力釘采用直徑22mm圓頭焊釘，ML15鋼，長(zhǎng)160mm。其尺寸及性能應(yīng)滿(mǎn)足GB10433－89。剪力釘在橫梁上的排列考慮橋面縱向預(yù)應(yīng)力束布置的不同，分別排列。剪力釘間距15～30cm，設(shè)在普通鋼筋間距的中間，并避開(kāi)預(yù)應(yīng)力孔道。在邊主梁上剪力釘橫向每排6個(gè)釘，間距為12cm，橋梁中心線(xiàn)處為17cm。本橋剪力釘按單釘靜承載力50kN，疲勞剪力幅25 kN 設(shè)計(jì)［4］。

3.2 鋼－混凝土結(jié)合段設(shè)計(jì)

大跨度混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段是橋梁關(guān)鍵構(gòu)造之一，其結(jié)構(gòu)的靜力承載能力和抗疲勞性能直接關(guān)系到橋梁的安全性和耐久性，從目前國(guó)內(nèi)已建成的混合梁斜拉橋（汕頭礐石橋、白沙洲大橋、桃夭門(mén)大橋、南昌英雄大橋）來(lái)看，鋼梁與混凝土梁一般采用箱型斷面，箱型斷面的混合接頭構(gòu)造上采用鋼箱梁套在預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁之外，使全斷面成為一體，鋼箱梁的上、下翼緣板通過(guò)剪力釘（剪力件）摩擦、粘結(jié)與混凝土梁體牢固接合成為一體，并利用混凝土箱梁內(nèi)的縱向預(yù)應(yīng)力加以錨固，將鋼箱梁過(guò)渡段、鋼混結(jié)合段和混凝土箱梁過(guò)渡段3部分形成一連續(xù)結(jié)構(gòu)［5］。

鋼梁采用工字鋼與混凝土梁連接，為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，本橋采用I字型截面鋼主梁，與矩形截面的混凝土邊主梁進(jìn)行鋼－混凝土混合接頭的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)結(jié)合的斷面與常規(guī)的鋼箱梁的斷面相比，可利用的有效空間較小，而主梁鋼－混凝土混合接頭是混合梁橋結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵部位，如何保證該部位主梁內(nèi)力傳遞可靠、剛度勻順過(guò)渡、混凝土與鋼梁結(jié)合密實(shí)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。為此從以下幾方面進(jìn)行分析與研究設(shè)計(jì)。

（1）內(nèi)力傳遞。鋼板通過(guò)設(shè)置其上的板式加勁肋和抗剪焊釘與混凝土梁體牢固結(jié)合，形成彎矩的傳遞；同時(shí)在鋼主梁與混凝土梁之間采用預(yù)應(yīng)力鋼筋連接，張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋使混凝土和鋼梁具有良好的整體性，見(jiàn)圖8。

圖8 鋼－混凝土接頭結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

（2）剛度變化。2種材料在剛度上存在突變，采取對(duì)結(jié)合段鋼梁板材進(jìn)行加厚，并增設(shè)多道加勁肋等措施。

連接部施工控制：該部位構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，通過(guò)必要的構(gòu)造措施和工藝試驗(yàn)，盡量方便現(xiàn)場(chǎng)混凝土的澆注和振搗。

同時(shí)開(kāi)展專(zhuān)題研究，通過(guò)理論分析和模型試驗(yàn)，完善設(shè)計(jì)。

3.3 中塔處塔梁間縱向約束構(gòu)造設(shè)計(jì)

本橋?yàn)?塔斜拉橋，為了滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的體系剛度要求，同時(shí)減小3塔斜拉橋的活載位移，本橋在中塔處設(shè)計(jì)為塔梁鉸接的支承體系，即僅約束縱向、豎向2個(gè)方向的自由度，釋放轉(zhuǎn)動(dòng)約束。此處需要約束的縱向水平力約為26MN／每塔，傳統(tǒng)的支座式的約束無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)由約束處的縱向水平力產(chǎn)生的彎矩對(duì)鋼主梁會(huì)產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力，對(duì)鋼主梁的受力產(chǎn)生極其不利的影響。為此創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)一個(gè)能滿(mǎn)足承受大噸位水平荷載的鉸接約束，同時(shí)又盡可能減小縱向水平荷載對(duì)鋼主梁產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力的結(jié)構(gòu)，能極大地優(yōu)化大跨度3塔斜拉橋或懸索橋中塔的支承約束設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)中采用在中塔鋼梁橫梁位置處，位于橋梁中心線(xiàn)兩側(cè)各設(shè)一個(gè)U形弧面鋼結(jié)構(gòu)限位擋塊，兩側(cè)U形弧面鋼結(jié)構(gòu)限位擋塊繞穿橫梁底部并形成一個(gè)整體，見(jiàn)圖9。

圖9 中塔限位處橫梁和鋼主梁間的桁架結(jié)構(gòu)圖

為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抵抗水平抗力的能力，與U形弧面鋼結(jié)構(gòu)限位擋塊相接觸的橫梁牛腿結(jié)構(gòu)通過(guò)設(shè)在橫梁和鋼主梁之間的桁架結(jié)構(gòu)將縱向水平力轉(zhuǎn)給鋼主梁，見(jiàn)圖10。

圖10 中塔縱向限位結(jié)構(gòu)圖

為了避免鋼主梁承受水平力產(chǎn)生的附加彎矩，設(shè)計(jì)時(shí)將縱向限位擋塊設(shè)在主梁的形心高度附近，使U形弧面鋼結(jié)構(gòu)限位擋塊傳來(lái)的水平力轉(zhuǎn)化成鋼主梁的軸向力。U形弧面鋼結(jié)構(gòu)限位擋塊與鋼橫梁牛腿接觸面之間通過(guò)弧面接觸的方式滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的要求。U形弧面鋼結(jié)構(gòu)限位擋塊置于主塔下橫梁上，通過(guò)預(yù)應(yīng)力粗鋼筋和錨栓與主塔下橫梁相連。

4 結(jié)語(yǔ)

二七長(zhǎng)江大橋鋼主梁首次采用混合結(jié)合梁的新結(jié)構(gòu)，在本橋設(shè)計(jì)中，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了工字型截面鋼梁－矩形截面混凝土梁的鋼－混接頭，為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)；為滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)體系剛度的要求，中塔處首次采用U形弧面鋼結(jié)構(gòu)限位擋塊。其設(shè)計(jì)不僅滿(mǎn)足了結(jié)構(gòu)的受力要求，并充分考慮了制造方便、施工可行的需要。

［1］劉 高，唐 亮，譚 皓，等.混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合部的合理位置［J］.公路交通科技，2010（6）：52－57.

［2］高宗余.青州閩江大橋結(jié)合梁斜拉橋設(shè)計(jì)［J］.橋梁建設(shè)，2001（4）：1－3.

［3］張開(kāi)銀，趙小軍，梁新宇.獨(dú)塔斜拉橋承載能力評(píng)估方法［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2010（2）：254－257.

［4］聶建國(guó).鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［5］徐國(guó)平，劉 高，吳文明，等.鋼－混凝土結(jié)合部在橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用新進(jìn)展［J］.公路，2010（2）：18－23.