六廣河特大橋方案設計與計算

劉建軍,周 瀟,王學敏

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司, 貴州 貴陽 550081；2. 貴州大學土木建筑學院，貴州 貴陽 550025)

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六廣河特大橋方案設計與計算

劉建軍1,周 瀟1,王學敏2

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司, 貴州 貴陽 550081；2. 貴州大學土木建筑學院，貴州 貴陽 550025)

六廣河特大橋是目前貴州省內跨徑最大的疊合梁斜拉橋，是息烽至黔西高速公路上的控制性工程，橋區(qū)地質地形復雜，施工場地狹小，運輸條件差，結合現場條件，研究了3種不同的主梁方案，綜合考慮最終采用242+580+242 m的全疊合梁的方案。對其方案研究、抗風性能及其結構計算作簡要介紹，以期為后續(xù)類似橋梁的建設提供參考。

斜拉橋；疊合梁；設計；計算

六廣河特大橋位于貴州省江口至都格高速公路息烽至黔西段K39+300處，為跨越六廣河峽谷而設。設計時速為80 km/h，橋梁設計荷載為公路-Ⅰ級，雙向4車道。橋位處為“V”型峽谷，峽谷深且寬，橋面至河面高度達330 m，峽谷兩側均為陡峭的山體，谷頂兩岸為相對較緩的山坡。

1 橋型方案設計思路

1.1 橋型方案考慮因素

(1)六廣河特大橋橫跨六廣河，不受水位控制，其孔徑布置受兩岸地形和地質控制。在選擇合理的孔跨布置時，首要考慮的是結構安全經濟，應將主墩位放置于岸坡穩(wěn)定、地形較坦、施工安全方便，減小施工風險，是本橋橋型方案設計考慮的重點。

(2)橋位區(qū)地形陡峭，橋位縱斷面呈V形，兩岸不良地質發(fā)育?？卓绮贾脩M量使兩岸主墩位置避開不良地質和陡峭地形，確保結構安全，減少基礎處理費用，并便于施工。

(3)橋型方案選擇在考慮安全經濟的同時，盡量在結構造型上選擇施工方便、造型美觀、對環(huán)境破壞小的方案。

1.2 主跨跨徑的確定

擬建橋位岸坡整體穩(wěn)定，橋位地形較復雜，橋梁跨越一V型河谷，兩岸縱坡較陡，地形起伏較大，局部存在裂隙、順層陡崖的情況。為保證主塔的安全性，主塔設置位置避開不良地質段，切留有一定的安全距離。橋梁孔跨布置時，為保證結構安全，減小施工風險，考慮到縱橫坡的影響及橋梁下部結構尺寸，橋梁主跨不應小于580 m。

2 橋型方案

對于主跨580 m的大跨徑橋梁，采用疊合梁斜拉橋相對鋼桁梁懸索橋造價低，基礎施工對環(huán)境的破壞小，因此最終研究推薦方案的主跨580 m疊合梁斜拉橋方案。根據橋位處的地質地形條件，方案階段研究了3種不同主梁截面的方案。三個方案主跨580 m均采用疊合梁主梁，不同的是在邊跨上主梁有所不同。

方案一邊跨部分采用混凝土π型梁(距離梁端90.1 m范圍)，部分采用疊合梁(距主塔105.4 m范圍)。橋跨布置為6×40 mT梁+(83.5+113+580+113+83.5)m混合式疊合梁斜拉橋，橋梁全長1 227.4 m。主橋邊跨/中跨=0.339。主梁疊合梁部分采用橋面吊機吊裝施工，邊跨混凝土主梁采用支架現澆施工。

方案二邊跨全部采用混凝土π型梁，橋跨布置上和方案一相同，布置為6×40 mT梁+(83.5+113+580+113+83.5)m混合式疊合梁斜拉橋，橋梁全長1 227.4 m。

方案三邊跨全部采用疊合梁主梁，由于上部均采用疊合梁，根據邊跨配重的需要，邊跨/主跨一般都在0.4以上，(國內松花江大橋為0.536，觀音巖大橋為0.44，青州閩江大橋為0.428，紅水河大橋為0.42)，按目前最小的0.42的邊中跨比，最終邊跨確定為242 m。橋跨布置為5×40 mT梁+242+580+242 m疊合梁斜拉橋，橋梁全長1 280.4 m。

方案一和方案二的優(yōu)點是：混合式疊合梁斜拉橋能較好的滿足地形，黔西岸不需要開挖進山體架設主梁，不與黔西岸服務區(qū)發(fā)生干擾?？筛鶕{整截面的尺寸即可滿足中跨配重的需要。黔西岸現澆段主梁支架最高40 m左右，臨時措施費較低。本方案主梁工程造價估算略低。缺點是：息烽岸現澆段支架高度高，高支架的施工風險很大。另外，由于息烽岸現澆支架高，臨時措施費高，施工臨時措施成本控制難度較大。

方案三的優(yōu)點是：上部主梁全部采用橋面吊機吊裝施工，施工經驗成熟，施工風險相對頂推、支架現澆主梁的施工風險小。缺點是：黔西岸邊跨地形陡峭，若采用242 m的邊跨則主梁伸進挖方路段50 m左右，與地形不太協(xié)調。

綜上分析，在工程造價出入不大的情況下，方案三的全疊合梁方案施工安全，工程臨時措施費可控，因此施工圖階段采用主跨580m全疊合梁斜拉橋方案作為本橋設計方案。

3 結構分析

3.1 全橋靜力計算

主橋采用橋梁博士計算軟件，以平面桿系計算圖示進行靜力分析。模型共有617個單元，528個節(jié)點，其中鋼梁和主塔均采用梁單元模擬，斜拉索采用索單元模擬，程序自動計入斜拉索垂度效應產生的非線性影響。施工階段：劃分198個階段模擬。 邊界條件：施工階段：塔墩墩底固結、塔梁臨時固結；成橋階段：塔墩墩底固結，塔梁、邊墩和輔助墩豎向約束。

由于本橋邊跨較小，根據梁單元計算模型，結果表明在過渡墩頂支點處鋼主梁下緣壓最大，達到207 MPa，其它部位應力水平均較小。為了降低鋼主梁在此支點處的局部應力，在支座上鋼板與鋼梁下緣之間設置了50 mm厚的鋼板墊層，以擴散支座集中力。

3.2 抗風穩(wěn)定性分析

六廣河大橋跨越峽谷，橋面距水面高度達330 m，峽谷風對橋梁的影響較大，有必要開展抗風性能的各項研究。本項工作在同濟大學風洞實驗室完成。

(1)顫振穩(wěn)定性分析

利用已計算出的結構動力特性及各個風攻角下的氣動導數進行顫振三維耦合顫振穩(wěn)定性數值計算，其計算分別選取的對主梁顫振影響較大的豎彎和扭轉振型。通過顫振分析可以得到各個不同風攻角下的主梁各階模態(tài)頻率與阻尼隨風速變化曲線。

通過計算分析將三維耦合顫振穩(wěn)定性分析結果，成橋顫振臨界風速-3°時為92.3 m/s，0°時為71.0 m/s，+3°時為60.4 m/s，均小于成橋顫振檢驗風速55.3 m/s。施工顫振臨界風速-3°時為90.0 m/s，0°時為67.5 m/s，+3°時為63.8 m/s，均小于成橋顫振檢驗風速53.5 m/s。該橋顫振穩(wěn)定性滿足要求。

(2)渦振穩(wěn)定性檢驗

針對本橋的主梁標準斷面進行了節(jié)段模型測振風動試驗，利用加勁梁節(jié)段模型模擬成橋狀態(tài)、施工狀態(tài)斷面形式。節(jié)段模型渦振風洞試驗包括-3度、0度和+3度風攻角，渦振試驗工況主要都在均勻流場中進行，針對設計斷面還展開了紊流場下的渦激振動測試，試驗測試內容為渦激共振風速及其響應。

成橋狀態(tài)的均勻流場風洞試驗中觀測到了明顯的渦振。其中風攻角-3°，渦振出現風速區(qū)11～14 m/s，最大振幅0.075 m；風攻角0°，渦振出現風速區(qū)12～15 m/s，最大振幅0.089 m；風攻角+3°，渦振出現風速區(qū)18～26 m/s，最大振幅0.06 m，均滿足規(guī)范要求。扭轉渦振只有在風攻角-3°，風速區(qū)12～25 m/s時出現最大扭轉0.075°，0°和+3°風攻角下未發(fā)現明顯渦振。

成橋狀態(tài)的紊流場風洞試驗中未觀測到了明顯的渦振，說明實際情況下結構發(fā)生渦振的可能性很小。

3.3 抗震分析

地震響應分析采用動態(tài)時程分析法，所采用的地震動參數根據《六廣河特大橋工程場地地震安全性評價》所提供的地震動參數，分別計算了E1(對應50年超越概率10%)、E2(對應50年超越概率2%)作用下結構的受力狀態(tài)。地震輸入采用兩種方式：(1)縱向+豎向；(2)橫向+豎向。豎向加速度的時程曲線與水平加速度的一致，加速度峰值為水平加速度峰值的0.65倍。經驗算地震力+恒載作用下主塔主要控制截面結構承載能力滿足要求。

4 結 語

山區(qū)大跨徑斜拉橋的設計受地質、地形、運輸條件的約束往往很大，因此結構設計時需認真調研、分析橋位及附近區(qū)域內的各種控制因素，確保方案安全、可行，因地適宜的選擇橋梁結構形式和施工方法，本橋的設計希望為其他類似條件下的橋梁方案提供參考。

[1] 王伯惠. 斜拉橋結構發(fā)展和中國經驗[M]. 北京：人民交通出版社，2003.

[2] 曹忠強. 懷邵衡鐵路跨資江獨塔混合梁斜拉橋方案設計研究[J].交通科技，2014,(3).

[3] 楊健,劉建軍,王達磊. 山區(qū)雙塔斜拉橋抗風性能研究[J].交通科技，2013,(5).

[4] 林元培. 斜拉橋[M]. 北京：人民交通出版社，1997.

2016-04-12

劉建軍(1978-)，男，高級工程師，主要從事大跨徑橋梁設計。

貴州省交通運輸廳科技項目，項目編號：2013-122-000。

U442

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1008-3383(2016)08-0113-02