武漢市楊泗港快速通道轉(zhuǎn)體斜拉橋設(shè)計

王新國，周 繼，嚴定國，李元俊

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063)

1 工程概況

楊泗港快速通道作為武漢市“三環(huán)、十三射”中的“一射”，全線由四新段、楊泗港長江大橋過江段、青菱段組成。楊泗港快速通道青菱段(八坦立交～丁字橋路)西起白沙洲大道八坦立交，東至丁字橋路，全長4.459 km，道路紅線寬60～70 m。全線采用高架+地面輔道的形式建設(shè)，其中主橋采用(40+88+252+88+40) m雙塔斜拉橋，全長508 m，橋面設(shè)雙向八車道(兩側(cè)防撞區(qū)間兼做人行道)，設(shè)計車速60 km/h。主橋位于青菱段的中前段，自西向東依次上跨江岸車輛段牽出線、京廣鐵路上行線、武南編組站、焊軌基地、京廣鐵路下行線、武石城際余花聯(lián)絡(luò)線和武昌首義學(xué)院[1]。橋址處地理環(huán)境如圖1所示。

圖1 橋址處地理環(huán)境

2 建設(shè)標準

(1)道路等級：城市快速路[2]；

(2)設(shè)計基準期[3]：100年；

(3)設(shè)計速度：60 km/h；

(4)設(shè)計荷載：城-A級[4]、雙向八車道(兩側(cè)人行道)；

(5)最小凈空：軌頂距離梁底距離不低于10 m；

(6)平面線形：直線；

(7)橋面縱橫坡：2%；

(8)橋梁設(shè)計安全等級：一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γo=1.1；

(9)地震參數(shù)：地震動峰值加速度0.05g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，Ⅱ類場地，按7度設(shè)防。

3 橋型方案設(shè)計

跨鐵路段為雙向八車道，橋面較寬，主孔跨度的確定以轉(zhuǎn)體施工平面尺寸不侵入既有鐵路限界和不得干擾武石城際接觸網(wǎng)為原則，考慮既有鐵路限界兩側(cè)再富裕8 m安全距離的條件，綜合確定涉鐵工程主跨跨度為252 m。

當跨徑在200～500 m時，斜拉橋[5]是最具競爭力的橋型。斜拉橋由加勁梁、鋼或混凝土橋面、索塔及受拉的斜拉索組成，具有良好的空間工作性能。結(jié)合工期、鐵路管理部門對施工方案的意見、混凝土寬幅橋面主梁設(shè)計、施工質(zhì)量困難的影響，主橋最終采用轉(zhuǎn)體鋼箱梁斜拉橋。

本橋在方案設(shè)計時擬定3種斜拉橋方案：(1)(30+138+252+80) m高低塔斜拉橋，靠近武昌首義學(xué)院側(cè)轉(zhuǎn)體半徑為80 m，避免對學(xué)校進行拆遷；另一側(cè)轉(zhuǎn)體半徑為168 m，合龍段設(shè)置在焊軌基地上方。該方案由于在焊軌基地上方施工，鐵路管理部門未予采納。(2)(264+264) m獨塔對稱斜拉橋，轉(zhuǎn)體半徑為264 m，橋梁一次轉(zhuǎn)體就位，無合龍段施工。該方案由于轉(zhuǎn)體噸位約3萬t，施工風(fēng)險較大，鐵路管理部門未予采納。(3)(40+88+252+88+40) m雙塔斜拉橋，轉(zhuǎn)體半徑124 m，跨中合龍段位于編組站內(nèi)部空地上方，為推薦橋式方案。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

主橋設(shè)計為(40+88+252+88+40) m雙塔轉(zhuǎn)體鋼箱梁斜拉橋，采用半漂浮結(jié)構(gòu)體系[6]。橋長508 m，橋面寬44 m?？绺哞F處增設(shè)異物侵限裝置，橋面局部寬度46 m。主橋立面布置如圖2所示。

圖2 主橋立面布置(單位：m)

橋梁兩側(cè)均采用轉(zhuǎn)體施工[7]，跨中合龍，轉(zhuǎn)體長度均為124 m+124 m，合龍段4 m置于武南編組站內(nèi)部中央空地上方。橋梁西側(cè)(八坦立交)施工完畢后逆時針旋轉(zhuǎn)77°至合龍位置，橋梁東側(cè)(丁字橋路)施工完畢后順時針旋轉(zhuǎn)105°至合龍位置。

4.1 主梁

主梁采用正交異性板扁平流線形栓焊鋼箱梁[8]，由頂板、平底板、斜底板、錨固腹板、人行道腹板圍封而成，箱梁內(nèi)腔被縱橫隔板分隔。由于主橋為獨柱寬幅中央雙索面斜拉橋，為提高主梁抗傾覆和抗扭轉(zhuǎn)特性，主梁中心線處梁高取3.3 m，同時增大中央分隔帶寬度至8 m。鋼箱梁頂面設(shè)雙向2%橫坡，頂板寬44.04 m，平底板寬37.4 m，每側(cè)斜底板寬5.6 m，人行道寬2.72 m，鋼箱梁全寬44.04 m，不含人行道全寬38.6 m。主梁標準橫斷面如圖3所示。

圖3 主梁標準橫斷面(單位:cm)

鋼箱主梁全長507 m(不含梁端主橋梁縫)，鋼箱梁梁段劃分考慮結(jié)構(gòu)受力、橫隔板間距以及鋼箱梁運輸和安裝架設(shè)吊裝能力。全橋共分為46個梁段(10種類型)：標準梁段(C、D類型)28個，長12 m；塔區(qū)A梁段2個，長12 m，B梁段4個，長10.5 m；40 m邊跨E、F、G、H梁段各2個，長度分別為13.5 m、10.5 m、11.5 m、3.5 m；合龍段I梁段1個，長4 m；緊鄰中跨合龍段J梁段2個，長11.5 m。鋼箱梁吊裝質(zhì)量為96.6～347.4 t。

箱梁頂板厚16 mm，人行道處箱梁邊板及箱梁外斜底板厚度分別為16、8 mm。箱梁內(nèi)斜底板板厚12～16 mm，底板橫向為水平，板厚12～16 mm，橫隔板間距為3 m。箱梁縱隔板厚20～30 mm，錨固腹板板厚30 mm。

4.2 橋塔及基礎(chǔ)

采用獨柱[9]形鋼筋混凝土橋塔，塔柱采用矩形空心截面[10]。塔柱順橋向?qū)挾扔伤數(shù)?.5 m漸變至索塔橫梁處的9.5 m，坡率為74.7807∶1；再由索塔橫梁處的9.5 m漸變至塔底的11 m，坡率為24.4257∶1。橫橋向?qū)挾扔伤斨了魉M梁處均為6.2 m，再由索塔橫梁處的6.2 m漸變至塔底的10.2 m，坡率為9.1596∶1。塔高95.6 m(包括2.5 m塔冠高度)，上塔柱錨固墻壁厚140 cm，側(cè)墻壁厚90 cm；下塔柱壁厚150 cm；主梁底塔上設(shè)橫梁，橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。橫梁高度為3～5.9 m，寬度為5 m，壁厚為100 cm。橋塔構(gòu)造如圖4所示。

圖4 橋塔構(gòu)造(單位：m)

上承臺尺寸14 m×14 m×3 m，下承臺尺寸19 m×19 m×5 m?；A(chǔ)采用16根φ2.0 m的樁孔灌注柱樁。

4.3 斜拉索

斜拉索采用熱擠聚乙烯雙層護套的高強度平行鋼絲拉索。斜拉索為空間雙索面體系，扇形布置，全橋共72根(36對)；斜拉索在主梁上的標準索距為12 m，塔上索距4.5 m。根據(jù)索力的不同，規(guī)格分別為PES(C)7-163、PES(C)7-187、PES(C)7-199、PES(C)7-211、PES(C)7-241。斜拉索的兩端均采用冷鑄錨[11](張拉端錨具)，施工時在索塔內(nèi)張拉。最大索長約137.925 m，最大索重(含護套和錨具)11.317 t。為抑制拉索振動，拉索在塔張拉端、梁錨固端均設(shè)置配套內(nèi)置減振器，部分斜拉索設(shè)置外置式阻尼器。

4.4 轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)由下轉(zhuǎn)盤、球鉸[12]、上轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)體牽引系統(tǒng)等組成，轉(zhuǎn)動體系采用鋼球鉸，分上下兩片。球體半徑10 m，球缺面直徑5 m。本橋轉(zhuǎn)體噸位約1.75萬t，承臺設(shè)計為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)?？紤]局部承壓，部分采用C55混凝土。承臺下部縱、橫向均設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼絞線，向上彎起后錨固在承臺側(cè)面。轉(zhuǎn)體構(gòu)造如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)體構(gòu)造(單位：m)

在上轉(zhuǎn)盤的牽引盤下設(shè)置8組撐腳[13]，環(huán)向等間距布置，中心線直徑10 m，與環(huán)形滑道中心線一致。環(huán)形滑道寬1.4 m。每個撐腳由2個φ900 mm×20 mm的鋼管和2片綴板焊接成啞鈴形柱再與走行板焊接組成，鋼管和綴板腔內(nèi)灌注C55微膨脹混凝土[14]。

上、下轉(zhuǎn)盤[15]在各施工階段均保持良好受力狀態(tài)，正應(yīng)力、主應(yīng)力均小于公路規(guī)范C55混凝土的容許值。上轉(zhuǎn)盤最大主拉應(yīng)力1.84 MPa，最大主壓應(yīng)力發(fā)生于球鉸與轉(zhuǎn)盤交接部位，為22.59 MPa，此部位材料為球鉸鋼板，滿足抗壓要求?？鄢蜚q部位，最大主壓應(yīng)力值為14.7 MPa。下轉(zhuǎn)盤施工過程中最大主拉應(yīng)力為2.15 MPa，最大主壓應(yīng)力為9.28 MPa。轉(zhuǎn)體過程中，樁基最大應(yīng)力為3.7 MPa。

4.5 索梁及索塔錨固

鑒于本橋臨近鐵路施工[16]，鋼結(jié)構(gòu)吊裝存在一定風(fēng)險，同時從工程經(jīng)濟性考慮，推薦齒塊錨固方案作為索塔錨固形式[17]。索塔錨固塊如圖6所示。

圖6 索塔錨固塊

對于索梁錨固結(jié)構(gòu)，錨管式錨頭露于梁底，出于鐵路凈空、檢修安全角度著想，不推薦。而若本橋設(shè)置耳板式或錨拉板將導(dǎo)致橋面寬進一步增加，因此本次設(shè)計從鐵路安全、橋梁美觀、結(jié)構(gòu)斷面優(yōu)化等綜合考慮，最終采用鋼錨箱作為索梁錨固結(jié)構(gòu)形式。索梁鋼錨箱如圖7所示。

圖7 索梁鋼錨箱

5 結(jié)構(gòu)分析

5.1 靜力分析

橋梁設(shè)計荷載考慮結(jié)構(gòu)恒載、汽車、人群、制動力、風(fēng)荷載、溫度荷載及施工臨時荷載，其中恒載包括結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、壓重荷載、混凝土收縮徐變、基礎(chǔ)變位、支座摩阻力等?；A(chǔ)沉降按索塔基礎(chǔ)2 cm，其他1 cm考慮[18]。對于溫度作用，考慮混凝土結(jié)構(gòu)整體升溫20 ℃，整體降溫30 ℃；鋼箱梁及斜拉索整體升溫29 ℃，整體降溫41 ℃；索梁及索塔間溫差取±10 ℃；索塔單側(cè)±5 ℃；鋼梁溫度梯度按英國規(guī)范BS5400相應(yīng)條文執(zhí)行，正溫差24 ℃，負溫差6 ℃。風(fēng)荷載計算按《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》(JTG/T D60—01—2004)執(zhí)行，與汽車荷載組合的風(fēng)力按橋面風(fēng)速25 m/s計算，超過25 m/s(基本風(fēng)速)不與汽車荷載組合。

全橋總體靜力分析采用MIDAS空間有限元程序，以設(shè)計豎曲線為基準進行結(jié)構(gòu)離散，并根據(jù)施工過程形成各階段的計算圖式，分析結(jié)構(gòu)各階段的內(nèi)力和位移變化情況，建立空間有限元模型。MIDAS空間有限元模型如圖8所示。

圖8 MIDAS空間有限元模型

建模分析過程中，對于主梁、主塔采用三維梁單元模擬，其截面特性按照實際情況定義相應(yīng)的截面。計算考慮斜拉索垂度效應(yīng)、主梁或索塔在顯著軸壓力作用下的P-Δ效應(yīng)、結(jié)構(gòu)大變形效應(yīng)等非線性影響，其中斜拉索采用只受拉單元模擬，考慮垂度效應(yīng)和索端轉(zhuǎn)角的影響，斜拉索其截面特性按照實際截面模擬。索塔橫梁按真實情況建立空間預(yù)應(yīng)力。

邊界條件：(1)施工階段，主梁與塔臨時固結(jié)(鎖定)；(2)運營階段，結(jié)構(gòu)體系采用半漂浮體系，即主橋邊墩處設(shè)豎向、橫向約束，縱向活動；索塔與主梁間設(shè)豎向約束和橫向約束，縱向設(shè)置阻尼限位器。樁-土相互作用以柔度矩陣的形式等代考慮。約束體系布置如圖9所示。

圖9 約束體系布置(單位：m)

5.1.1 鋼箱梁

在汽車活載作用下，主跨最大豎向下?lián)蠟?.249 m，撓跨比為1/1012。

基本組合下，鋼箱梁上緣最大壓應(yīng)力為58.5 MPa，最大拉應(yīng)力為37.0 MPa；下緣最大壓應(yīng)力為137.9 MPa，最大拉應(yīng)力為70.6 MPa。鋼箱梁應(yīng)力第一體系應(yīng)力值均小于強度設(shè)計值270 MPa，同時對頂板進行二三體系應(yīng)力疊加[19]，最大值為152.4 MPa，滿足規(guī)范要求。鋼箱梁應(yīng)力包絡(luò)圖如圖10、圖11所示。

圖10 基本組合鋼箱梁上緣應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

圖11 基本組合鋼箱梁下緣應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

按規(guī)范采用疲勞荷載計算模型Ⅰ檢算鋼箱梁疲勞應(yīng)力，考慮多車道的影響[20]。疲勞車道荷載作用下，鋼箱梁上緣疲勞應(yīng)力最大為13.0 MPa；下緣疲勞應(yīng)力最大為24.9 MPa。疲勞應(yīng)力值均小于控制值51.85 MPa。

5.1.2 橋塔

標準組合作用下，塔柱正應(yīng)力基本表現(xiàn)為受壓，最大壓應(yīng)力為10.66 MPa，出現(xiàn)在塔柱與橫梁交接處；最大名義拉應(yīng)力為2.02 MPa，亦出現(xiàn)在塔柱與橫梁交接處。

標準組合作用下，橫梁正應(yīng)力基本表現(xiàn)為受壓，壓應(yīng)力儲備最大值為4.5 MPa，最大名義拉應(yīng)力為橫梁根部下表面，出現(xiàn)0.3 MPa拉應(yīng)力。經(jīng)空間實體有限元模型驗證，橫梁均呈受壓狀態(tài)。

5.1.3 斜拉索

斜拉索在標準值組合下最大拉應(yīng)力為658 MPa，最小拉應(yīng)力為320 MPa。疲勞活載(含動力作用)引起的最大應(yīng)力幅值為63 MPa(未計彎曲二次應(yīng)力)，遠小于200 MPa。斜拉索在標準值組合下安全系數(shù)最小為2.54，最大為2.85，均大于2.5，滿足斜拉索容許安全系數(shù)要求。各種斷索工況下，斜拉索最小強度安全系數(shù)為2.37，大于安全系數(shù)2.0，滿足要求。各種換索工況下，斜拉索最小強度安全系數(shù)為2.40，大于安全系數(shù)2.0，滿足要求。

5.2 動力分析

采用SAP2000程序建立的楊泗港快速通道青菱段斜拉橋三維結(jié)構(gòu)動力分析模型。

5.2.1 結(jié)構(gòu)動力特性

分析和認識橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性是進行橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能分析的基礎(chǔ)和重要環(huán)節(jié)，為此，對結(jié)構(gòu)進行了動力特性分析。表1列出了主橋前10階振型圖周期、頻率和主要振型特征[21]。

表1 主橋前10階動力特性

5.2.2 抗震分析

采用反應(yīng)譜法和非線性時程方法進行了結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析，計算了結(jié)構(gòu)在E1地震作用(50年超越概率10%)和E2地震作用(50年超越概率2%)兩種設(shè)防水準地震輸入下的地震響應(yīng)。

E1和E2地震作用下，在縱橋向+豎向、橫橋向+豎向地震輸入下，主橋所有橋塔、橋墩截面及樁基礎(chǔ)最不利單樁截面地震彎矩小于其初始屈服彎矩，截面保持為彈性工作狀態(tài)，滿足預(yù)期性能目標要求。其中E1地震作用下，橫橋向邊墩、輔助墩和主塔牛腿處固定支座最大剪力分別為2 411、1 592 kN和14 007 kN。

對于主塔處固定支座，結(jié)合抗風(fēng)支座聯(lián)合作用，設(shè)計噸位滿足地震作用抗剪承載力需求。

5.3 穩(wěn)定性分析

基于MIDAS有限元程序，建立空間有限元模型，計算分析了主橋裸塔狀態(tài)、轉(zhuǎn)體施工階段、運營階段的空間穩(wěn)定性分析。

計算工況：①計算工況1，恒載作用；②計算工況2，恒載作用+橫橋向風(fēng)荷載(100年重現(xiàn)期，阻力、升力、升力矩)；③計算工況3，恒載作用+順橋向風(fēng)荷載(100年重現(xiàn)期)；④計算工況4，恒載作用+全橋滿布活載+橫橋向風(fēng)荷載(行車風(fēng)速，阻力、升力、升力矩)；⑤計算工況5，恒載作用+全橋滿布活載+順橋向風(fēng)荷載(行車風(fēng)速)；⑥計算工況6，恒載作用+主跨滿布活載+橫橋向風(fēng)荷載(行車風(fēng)速，阻力、升力、升力矩)；⑦計算工況7，恒載作用+主跨滿布活載+順橋向風(fēng)荷載(行車風(fēng)速)。主橋各主要階段穩(wěn)定性分析見表2。

表2 主橋各主要階段穩(wěn)定性分析

6 結(jié)論

(1)武漢市楊泗港快速通道青菱段工程線路走向與鐵路建筑相交，需要通過的既有鐵路建筑物類型繁多，主要有武石城際、京廣鐵路、焊軌基地及武南編組站；而且還需在武昌首義學(xué)院內(nèi)穿行，學(xué)校建筑與工程建設(shè)區(qū)域較近。為減少對既有鐵路建筑物的干擾，確保鐵路運營安全，同時縮短施工工期，本橋綜合考慮采用鋼箱梁斜拉橋、轉(zhuǎn)體施工方案。

(2)本橋為國內(nèi)首座半漂浮體系獨柱塔轉(zhuǎn)體斜拉橋，首創(chuàng)獨柱塔這一獨特轉(zhuǎn)體斜拉橋橋塔形式，該橋塔縮減了基礎(chǔ)規(guī)模，景觀效果好，可為上跨鐵路橋梁的橋式方案選擇提供一定的借鑒。

(3)靜動力分析表明，本橋結(jié)構(gòu)受力性能良好，結(jié)構(gòu)安全可靠，獨柱寬幅中央索面轉(zhuǎn)體鋼箱梁斜拉橋可進一步推廣。