深水基礎(chǔ)自錨式懸索橋設(shè)計(jì)與施工

吳巨軍, 趙林強(qiáng), 李茜茜

(1.杭州市城建設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 311400； 2.浙江工業(yè)大學(xué) 工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，杭州 310014)

前倉大橋是浙江省青田縣東赤大道跨越甌江的控制性工程，主橋采用(45+120+45)m預(yù)應(yīng)力混凝土自錨式懸索橋，如圖1所示，橋位處甌江常水位2.7 m，寬約196 m，場地屬于典型的山間河谷地貌，河槽沖刷下切較深，河床最低高程約-24.5 m。由于橋位處常年采砂，河底僅覆蓋約1 m厚的砂礫層，下臥即為中風(fēng)化花崗巖，花崗巖硬度較高，其單軸極限抗壓強(qiáng)度約62 MPa～91 MPa。該工程為城市次干路，雙向4車道，設(shè)計(jì)速度40 km/h，兩側(cè)設(shè)置慢行道，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為城-A級(jí)。

圖1 前倉大橋?qū)嵕?/p>

1 主要技術(shù)難題

1) 主橋基礎(chǔ)工程位于深水、急流、裸巖中，選擇合理的基礎(chǔ)形式和施工工藝對(duì)結(jié)構(gòu)安全和建設(shè)成本影響較大。

2) 自錨式懸索橋需采用“先梁后纜”施工順序，深水河道上混凝土主梁的支架搭設(shè)難度大。

3) 自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與地錨式懸索橋差異較大，施工控制與體系轉(zhuǎn)換比較復(fù)雜。

2 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 橋型方案

甌江上已經(jīng)有斜拉橋和拱橋，考慮一橋一景需求，主橋采用3跨預(yù)應(yīng)力混凝土自錨式懸索橋，跨徑布置為(45+120+45)m。主橋邊中跨比例為0.37，采用較小的邊中跨比例有助于提升全橋整體剛度[1]。主纜矢跨比1/5.5，采用較大矢跨比既可凸顯立面曲線，又能增加自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)整體剛度[2]。加勁梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，寬30 m，梁高2.2 m。吊索縱向標(biāo)準(zhǔn)間距5.0 m。橋塔塔身采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，因水深較大采用高樁承臺(tái)，鋼管混凝土嵌巖樁基礎(chǔ)支撐于巖質(zhì)河床上。在塔、墩位置設(shè)置豎向支座，支座縱向可滑動(dòng)，總體結(jié)構(gòu)為半飄浮體系[3]。主橋立面布置如圖2所示。

單位：m

自錨式懸索橋的特點(diǎn)是主纜錨固在加勁梁上，主纜通過散索套后發(fā)散錨固在梁端，主纜錨固入射角約29°，主纜錨固大樣如圖3所示。主纜錨固產(chǎn)生的水平向分力相當(dāng)于對(duì)加勁梁提供了“免費(fèi)預(yù)應(yīng)力”；產(chǎn)生的豎向分力主要由端橫梁的自重來平衡，如不能平衡則需要配置錨跨。錨固區(qū)范圍內(nèi)端橫梁尺寸適當(dāng)放大，并采用鐵砂混凝土增加自重以抵消主纜豎向分力。同時(shí)，端橫梁設(shè)置牛腿，引橋直接支撐在端橫梁上，進(jìn)一步增加了壓重荷載安全儲(chǔ)備。經(jīng)計(jì)算，本橋不需設(shè)置錨跨，從而簡化了橋梁造型和結(jié)構(gòu)布置。

單位：m

2.2 加勁梁

加勁梁采用C50預(yù)應(yīng)力混凝土縱橫梁體系，高跨比1/54.5，底面水平，頂面設(shè)置1.5%雙向橫坡。加勁梁設(shè)置4道縱梁以匹配橫斷面吊桿布置，塔柱兩側(cè)各設(shè)一根縱梁，縱梁采用寬度1 m實(shí)體斷面，為改善縱梁受力，內(nèi)設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼束。加勁梁頂板厚度0.25 m，外側(cè)懸臂長度4.45 m。中橫梁基本間距5 m，與吊桿對(duì)應(yīng)設(shè)置，橫梁跨中高度2 m，按照1.5%橫坡向兩側(cè)遞減，腹板厚0.4 m，吊桿區(qū)腹板加厚為0.7 m，腹板內(nèi)布置橫向預(yù)應(yīng)力束。加勁梁標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖4所示。

單位：cm

2.3 橋塔

橋塔主要由靜力工況控制設(shè)計(jì)，自錨式懸索橋初始平衡狀態(tài)下塔柱彎矩接近零[4]，以承受軸壓為主，因此塔身尺寸可設(shè)計(jì)得較為纖細(xì)。橋塔高45 m，橫橋向采用門式框架造型，在塔頂以及主梁下方設(shè)置高2.5 m橫梁，順橋向采用單柱形。單個(gè)塔柱由下塔柱、上塔柱組成，塔柱的4個(gè)角設(shè)置裝飾凹槽，整體造型簡潔大方，富有細(xì)節(jié)；塔柱尺寸自上而下放大，以取得視覺穩(wěn)定感。主鞍座直接安裝在塔頂預(yù)埋鋼板上，無多余的塔尖造型。橋塔構(gòu)造如圖5所示。

(a) 橫橋向 (b) 順橋向

2.4 橋塔深水基礎(chǔ)

深水基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是本橋關(guān)鍵技術(shù)問題之一，橋梁深水基礎(chǔ)形式主要有大直徑鉆孔樁基礎(chǔ)、沉井基礎(chǔ)、設(shè)置基礎(chǔ)等。鉆孔樁基礎(chǔ)設(shè)備要求簡單，適應(yīng)性好，成孔速度快，造價(jià)相對(duì)較低，是我國最主要的深水基礎(chǔ)形式；沉井基礎(chǔ)主要應(yīng)用于超大跨徑橋梁工程，特點(diǎn)是承載力高，穩(wěn)定性好，抗震、抗撞性能比較優(yōu)越；設(shè)置基礎(chǔ)是國外深水大跨橋梁的主要基礎(chǔ)形式，對(duì)設(shè)備要求較高，國內(nèi)采用不多。

根據(jù)甌江水文條件、地質(zhì)情況及施工工藝要求，橋塔采用嵌巖高樁承臺(tái)基礎(chǔ)，樁長35.5 m，水中自由長度約24.5 m，位于河底砂礫石覆蓋層約1 m，嵌入河床底部中風(fēng)化花崗巖約10 m。考慮深水條件下樁基施工工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用Φ220 cm鋼管混凝土樁[5]，即在壁厚20 mm空鋼管內(nèi)設(shè)置鋼筋籠，并澆筑C40混凝土，三者形成整體而共同工作的構(gòu)件，從而大大提升了樁基的強(qiáng)度、剛度、延性和承載力[6]。橋塔樁基橫斷面如圖6所示。

單位：cm

采用鋼管混凝土樁基是由建橋條件決定的，是組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用于深水基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：

1) 樁長的70%處于水中，成孔和成樁均需要在鋼護(hù)筒保護(hù)下進(jìn)行，考慮流速及基巖硬度因素，鋼護(hù)筒必須采用較大的壁厚，用鋼量較大，且很難進(jìn)行水下回收，不如直接按鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算，更符合結(jié)構(gòu)受力真實(shí)情況。

2) 青田境內(nèi)的甌江，屬于典型的山溪性河流，流速快，洪水時(shí)還夾帶砂礫、石子，對(duì)混凝土表面有較大的沖刷侵蝕作用，從而影響樁基結(jié)構(gòu)安全。采用鋼管混凝土樁基可有效保護(hù)核心鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，避免沖刷侵蝕。

3) 樁基位于常水位以下，鋼管氧化腐蝕相對(duì)比較緩慢；設(shè)計(jì)采用了犧牲陽極保護(hù)法延緩鋼管腐蝕，陽極材料采用鋁合金，設(shè)置在承臺(tái)以上塔柱內(nèi)側(cè)，可定期更換。

單個(gè)橋塔承臺(tái)平面尺寸13.3 m×8.5 m，厚3.5 m，左右承臺(tái)之間采用系梁連結(jié)；單個(gè)承臺(tái)設(shè)置6根Φ220 cm鋼管混凝土樁。橋塔基礎(chǔ)平面布置如圖7所示。

單位：cm

2.5 纜吊系統(tǒng)

主纜由3跨組成，邊跨和中跨的理論跨徑分別為45 m、120 m，中跨理論垂跨比為1/5.5。主纜在橫斷面上布置為平行雙纜面，采用預(yù)制平行鋼絲索股逐根架設(shè)(PPWS)，每根主纜內(nèi)含37股平行鋼絲索股，每股內(nèi)含91絲Φ5 mm的鋅鋁合金鍍層鋼絲，單根主纜共3 367絲，豎向排列成尖頂?shù)恼呅?，鋅鋁合金鍍層鋼絲標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度σb=1 770 MPa。通過緊纜后主纜為圓形，索夾處直徑320.4 mm(孔隙率18%)，索夾間直徑324.4 mm(孔隙率20%)。設(shè)計(jì)重視主纜防腐設(shè)計(jì)，鋅鋁合金鍍層鋼絲的抗腐蝕性能是常規(guī)鍍鋅鋼絲的2倍以上[7]。主纜外防護(hù)采用“磷化底漆+9501B不干性密封膏+鍍鋅低碳鋼絲纏繞+表面涂裝”的組合防腐體系，如圖8所示。

單位：cm

吊索采用豎直形式，基本間距5 m，采用22根Φ15.2 mm環(huán)氧噴涂鋼絞線索體，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860 MPa。吊索上端通過叉耳板與索夾銷接，下端采用錨頭直接錨固在主梁上，錨頭球形螺母和梁底預(yù)埋錨墊板之間設(shè)球鉸以適應(yīng)吊索變形。

主索鞍采用全鑄式肋傳力結(jié)構(gòu)，材料為ZG275-485H鋼，由鞍體和座板組成，高2.06 m，長4.1 m，承纜槽底部立面圓弧半徑為2.93 m。座板頂面設(shè)置縱向限位裝置以保證鞍體在施工頂推時(shí)保持直線。索股架設(shè)就位后，頂部用鋅塊擠密壓緊，加蓋不銹鋼板保護(hù)罩。

索夾由2個(gè)壁厚40 mm鑄鋼半圓構(gòu)件，通過高強(qiáng)螺栓上下對(duì)合連接而成，索夾主體由ZG20Mn鋼鑄造。為保證在高強(qiáng)螺栓作用下索夾能箍緊主纜，在上下兩半間預(yù)留20 mm空隙。為避免索夾下滑，應(yīng)按計(jì)算要求設(shè)置合理的高強(qiáng)螺栓數(shù)量，并施加一定的預(yù)緊力，抗滑移安全系數(shù)不小于3.0，保證索夾抱緊主纜。

該橋采用固定式散索套，散索套采用ZG20Mn鑄鋼整體鑄造，基座采用ZG275-485H鑄鋼整體鑄造，散索套與基座之間通過銷鉸連接以適應(yīng)運(yùn)營期間主纜的微小線形變化。

3 主橋結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算

靜力分析采用空間有限元程序Midas/Civil，根據(jù)有限位移理論建立空間有限元模型，考慮幾何非線性迭代求解結(jié)構(gòu)初始內(nèi)力和初始線形，采用等效線性化方法進(jìn)行內(nèi)力、應(yīng)力和整體剛度驗(yàn)算。主纜、吊索分別采用索單元及桁架單元建模，其余采用梁單元建模；主纜與塔頂、梁端的約束采用剛性連接[8]?？傮w計(jì)算模型如圖9所示。

圖9 主橋有限元計(jì)算模型

運(yùn)營階段基本組合下，主要構(gòu)件有限元分析結(jié)果表明：

1) 加勁梁剛度及應(yīng)力：活載作用下主跨跨中最大撓度129 mm(已計(jì)入撓度長期增長系數(shù))，撓跨比1/930<1/600；最大壓應(yīng)力14.6 MPa，最大拉應(yīng)力0.52 MPa，加勁梁應(yīng)力按照A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件控制，滿足規(guī)范要求。

2) 橋塔應(yīng)力：運(yùn)營狀態(tài)塔柱最大壓應(yīng)力12.7 MPa, 最小壓應(yīng)力1.8 MPa，滿足規(guī)范要求。

3) 采用疊加法計(jì)算鋼管混凝土樁基截面應(yīng)力，鋼管及管內(nèi)混凝土均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，鋼管最大壓應(yīng)力138.2 MPa，管內(nèi)混凝土最大壓應(yīng)力7.3 MPa，滿足規(guī)范要求。

4) 主纜、吊索強(qiáng)度安全系數(shù)：主纜最大內(nèi)力 35 845 kN, 強(qiáng)度安全系數(shù)3.1>2.5(規(guī)范允許值)；吊索最大內(nèi)力1 635 kN，強(qiáng)度安全系數(shù)3.5>3.0(規(guī)范允許值)。

4 主橋施工方案

青田縣前倉大橋?qū)儆谧云胶怏w系，總體上采用“先梁后纜”的順序施工[9]，即先在支架上完成主梁，后架設(shè)主纜，再張拉吊索完成體系轉(zhuǎn)換。

4.1 橋塔施工

橋塔位于甌江主航道外側(cè)，橋塔樁基施工采用鋼管樁固定式水上平臺(tái)，鋼管樁頂部采用型鋼及貝雷梁拼裝成整體工作平臺(tái)，橋塔樁基鋼護(hù)筒埋設(shè)采用“跟進(jìn)法[10]”。

橋塔施工流程如下：1) 下放鋼護(hù)筒，精準(zhǔn)定位后臨時(shí)固定。2) 采用比護(hù)筒內(nèi)徑略小的錘頭沖擊鉆孔，錘頭規(guī)格為10 t五爪合金鋼鉆錘，待引孔至一定深度后，采用大功率振動(dòng)錘震動(dòng)鋼護(hù)筒，切削巖體下沉；為使鋼護(hù)筒能夠順利切削堅(jiān)硬的花崗巖且底口不發(fā)生卷邊，鋼護(hù)筒底部2 m范圍增加壁厚，并在底口增設(shè)合金鋼刃腳。3) 重復(fù)上述工序，邊鉆孔邊下沉直至設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高。4) 在振動(dòng)錘輔助下，上拔鋼護(hù)筒，控制鋼護(hù)筒嵌入基巖約3 m，以確保不漏漿為原則即可，上拔鋼護(hù)筒的目的是確保下部樁基混凝土能與周邊花崗巖緊密結(jié)合。5) 用大型浮吊安裝鋼筋籠，并灌注C40水下混凝土使得鋼護(hù)筒、鋼筋籠、管內(nèi)混凝土形成統(tǒng)一受力的鋼管混凝土樁基。6) 在鋼套箱保護(hù)下施工橋塔承臺(tái)。7) 采用爬模法[11]施工塔身。

4.2 加勁梁施工

加勁梁采用臨時(shí)墩-貝雷梁支架現(xiàn)澆施工，考慮到深水基礎(chǔ)臨時(shí)墩施工難度大、成本高，貝雷梁結(jié)構(gòu)采用雙層布置[12]，支架縱向加大跨度至36 m，主跨水中僅設(shè)置2排臨時(shí)墩，邊墩利用在橋塔承臺(tái)上設(shè)置的鋼管立柱，如圖10所示。每個(gè)水中臨時(shí)墩由6根直徑920 mm鋼管樁組成，鋼管壁厚12 mm，采用大型駁船作為水上施工平臺(tái)，利用大型履帶吊配合振動(dòng)錘“釣魚法”[13]插打施工。鋼管樁下部灌注混凝土、鄰近鋼管樁互相連接形成“板凳樁”[14]，通過這些措施提高臨時(shí)墩整體剛度和穩(wěn)定性。臨時(shí)墩施工完畢后，頂部架設(shè)雙層貝雷梁支架現(xiàn)澆施工混凝土加勁梁。

單位：m

4.3 體系轉(zhuǎn)換

體系轉(zhuǎn)換是自錨式懸索橋施工難點(diǎn)，早年參照系桿拱橋，采用分批循環(huán)張拉逼近設(shè)計(jì)吊索力的方法，該法本質(zhì)上是一種線性思路，與自錨式懸索橋非線性大變形的受力和變形特征并不匹配，效率低下，控制精度不高。

本橋引入了無應(yīng)力狀態(tài)控制法，該法原理是：在結(jié)構(gòu)外荷載、結(jié)構(gòu)體系、支承邊界條件、單元無應(yīng)力長度、無應(yīng)力曲率一定的情況下, 其對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移是唯一的, 與結(jié)構(gòu)的形成過程無關(guān)。自錨式懸索橋的主纜、吊索無應(yīng)力狀態(tài)量只和成橋狀態(tài)相關(guān)，不會(huì)隨溫度、臨時(shí)荷載及其他吊索索力的變化而變化，是穩(wěn)定的物理量，比用索力控制有更高的可靠性?；炷翗蛩凹觿帕菏湛s、徐變引起的無應(yīng)力長度和曲率的變化應(yīng)通過預(yù)拱、預(yù)加長、預(yù)加高消除，則計(jì)算時(shí)可近似看做彈性體，能夠滿足工程精度要求。

前倉大橋采用無應(yīng)力狀態(tài)法作為理論指導(dǎo)，以主纜線形和吊索無應(yīng)力長度作為控制目標(biāo), 對(duì)成橋目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)逼近，僅用了28次吊索張拉，4次索鞍頂推即完成全橋體系轉(zhuǎn)換。為了控制初始平衡狀態(tài)下塔柱彎矩接近零，在主纜空纜狀態(tài)，主索鞍采用預(yù)偏技術(shù)施工[15]，將主索鞍向邊跨側(cè)預(yù)偏210 mm，然后隨著吊索加載進(jìn)程，分次向跨中頂推主索鞍，在成橋平衡狀態(tài)時(shí)主索鞍和橋塔中心剛好對(duì)齊，從而獲得了合理的受力狀態(tài)和成橋線形。

5 結(jié)束語

1) 前倉大橋設(shè)計(jì)與施工表明，自錨式懸索橋能夠適應(yīng)山間河谷的深水基礎(chǔ)。

2) 鋼管混凝土樁基施工方便，對(duì)設(shè)備要求不高，組合結(jié)構(gòu)樁基強(qiáng)度、剛度、承載力等力學(xué)性能優(yōu)異，是深水基礎(chǔ)一種有潛力的解決方案。

3) 采用無應(yīng)力狀態(tài)控制法作為施工控制指導(dǎo)思想，在自錨式懸索橋的體系轉(zhuǎn)換中取得了高效、精確的效果。

大橋自2018年5月竣工通車以來，運(yùn)營情況良好，已成為青田縣甌江上的標(biāo)志性建筑。