日本大跨徑波形鋼腹板PC矮塔斜拉橋
——生野大橋設(shè)計(jì)與施工

張建勛，趙諳笛 編譯

(1.鄭州市交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，河南 鄭州 450008；2.新疆建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

1 前言

波形鋼腹板箱梁橋和矮塔斜拉橋由法國學(xué)者在20世紀(jì)80年代提出，但其大量發(fā)展和應(yīng)用主要集中在日本。日本在1993年修建了第一座波形鋼腹板箱梁橋——新開橋之后，近20年內(nèi)又相繼修建了百余座波形鋼板箱梁橋。1994年日本修建了第一座矮塔斜拉橋——小田原港橋，迄今為止，已修建了50余座此類橋梁，并將其推廣到菲律賓、老撾以及中國臺灣等國家和地區(qū)。2003年日本率先將兩項(xiàng)橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)并建成了世界上第一座波形鋼腹板矮塔斜拉橋——日見(Himi)橋。

波形鋼腹板能降低主梁自重、增大橋梁跨徑、減小地震反應(yīng)；良好的折皺效應(yīng)，使施加在主梁上的預(yù)應(yīng)力有效地作用于箱梁頂?shù)装迳?，不被腹板吸收，從而充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力的導(dǎo)入效率。同時(shí)，合理的施工工藝可有效縮短施工工期。矮塔斜拉橋的核心設(shè)計(jì)思想是使主梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力通過索塔內(nèi)索鞍轉(zhuǎn)向形成大偏心體外預(yù)應(yīng)力，其與波形鋼腹板箱梁的組合充分發(fā)揮兩者結(jié)構(gòu)形式的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。日本生野大橋結(jié)合波形鋼腹板箱梁的“輕”和矮塔斜拉橋“索”的優(yōu)勢，提出了超大懸臂節(jié)段施工法，有效縮短了工期；通過預(yù)制主梁并將其頂推至墩頂，實(shí)現(xiàn)了橋墩和主梁平行施工的目標(biāo)，使工期進(jìn)一步縮短。該文綜合多種文獻(xiàn)資料對日本生野大橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工要點(diǎn)進(jìn)行介紹。

2 橋梁概況

生野大橋位于日本兵庫縣神戶市與高津交界處的新名神高速公路上，是一座7跨波形鋼腹板PC矮塔斜拉橋，跨徑布置為(96.2+188.0+103.0+39.0+39.0+71.0+66.2) m。橋梁全長606 m，其中，靠近終點(diǎn)的3孔采用了矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)(圖1)。主跨為188 m，跨中及左側(cè)端支點(diǎn)梁高4.5 m，中支點(diǎn)梁高7.0 m，橋面以上塔高28 m，采用梁墩分離、塔梁固結(jié)體系，該橋是日本目前最大跨徑的波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋。

圖1 橋梁立面圖(單位：mm)

大橋與現(xiàn)有鐵路交角約15°，主跨需188 m方能跨越現(xiàn)有鐵路運(yùn)營線。為減少鐵路營線運(yùn)上空施工設(shè)備移動頻率，加快施工進(jìn)度，該橋采用了波形鋼腹板超大型掛籃懸臂法施工；全橋共計(jì)7跨，靠近起點(diǎn)的4跨為單箱雙室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋，靠近終點(diǎn)的3跨為單箱三室波紋鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)(圖2)。為大幅度減少上部結(jié)構(gòu)施工周期，將主梁懸臂施工節(jié)段由原設(shè)計(jì)的4 m改為8 m(超大掛籃建造)。此外，為減輕上部結(jié)構(gòu)重量，混凝土箱梁更改為波紋鋼腹板箱梁。同時(shí)，拉索使用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力環(huán)氧樹脂涂層鋼絞線，從而減少了拉索數(shù)量。

圖2 主梁橫斷面圖(單位：mm)

對項(xiàng)目工期起制約因素的P6號墩的墩頂段與墩身同步施工，墩頂段主梁預(yù)先在P6墩一側(cè)澆筑完成，待橋墩施工完成后，再將預(yù)制梁頂推至P6墩墩頂位置。為減輕頂推過程中的支架重量，僅提前施工了部分主梁，剩余主梁在主梁頂推至墩頂后就地澆筑。斜拉索鋼束在橋塔索鞍中單根布置與張拉，這種布置形式不僅能提升小型千斤頂?shù)墓ぷ餍阅?，也可增?qiáng)拉索的抗腐蝕性能和抗疲勞能力。每根鋼絞線在使用期間均可單獨(dú)更換，后期維護(hù)十分方便。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

3.1 主梁設(shè)計(jì)

主梁選用單索面結(jié)構(gòu)，如圖3所示。橋梁設(shè)計(jì)寬度在通車之初為四車道25.15 m，后期選用斜撐方案將其拓寬至34.5 m。在設(shè)計(jì)階段采用三維有限元分析法，模擬了在橋梁不同施工階段，超大行程掛籃施工法對主梁的局部應(yīng)力影響(圖4)；并計(jì)算出斜拉索張拉軸向力的有效傳遞長度。與此同時(shí)，還使用三維梁格有限元模型分析了斜拉索張拉剪力的分配情況。

圖3 主塔處斷面圖(單位：mm)

圖4 三維分析模型(單位：mm)

3.2 抗震設(shè)計(jì)

考慮到橋梁聯(lián)長較長，且P6號橋墩附近有地基破碎帶，可能導(dǎo)致地震動相位差，故在公路橋梁規(guī)范抗震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用能夠反映破碎帶的地基土體模型進(jìn)行了地震響應(yīng)模擬分析，如圖5所示。

圖5 基于土體的地震分析

3.3 中支墩頂推方案分析

通過三維有限元方法對中支墩頂推施工進(jìn)行分析：按照順序先后模擬了中支墩在施工完成前、頂推過程中和頂推完成時(shí)3種工況下結(jié)構(gòu)體系的變化情況。

3.4 斜拉索的振動控制

兩根37束15.2 mm斜拉索的雙排平行布置，極易導(dǎo)致拉索產(chǎn)生尾流馳振。為此通過增大兩排拉索間距、減小拉索截面等抑振措施進(jìn)行改善。此外，針對拉索對減震性能的具體需求，組織了風(fēng)洞試驗(yàn)，并在試驗(yàn)分析后選取了摩擦型阻尼器為拉索減震。

4 橋梁施工要點(diǎn)

因主梁跨越既有鐵路運(yùn)營線路，主跨架設(shè)工作需在鐵路上方完成，這要求施工必須在嚴(yán)格周密的安全管理下完成作業(yè)。為加快上部結(jié)構(gòu)施工進(jìn)度，橋梁P5、P6墩采用超大掛籃懸臂施工法架設(shè)，從而使上部結(jié)構(gòu)施工進(jìn)度比原計(jì)劃提前了8個(gè)月。

4.1 中墩的頂推施工法

由于中間P6墩施工處于全部施工工序的關(guān)鍵線路上，故采取了中間墩墩頂段主梁預(yù)制和橋墩同時(shí)施工的方案。橋墩施工完成后，在3 d內(nèi)將主梁頂推20 m至中間墩墩頂，通過對中間P6墩的預(yù)制施工和頂推法架設(shè)，將施工工期縮短了2.5個(gè)月。箱梁部分底板和橫隔板均在頂推完成后原地澆筑，將頂推施工中主梁預(yù)制節(jié)段重量減小至約15 000 kN。

4.2 超大掛籃懸臂施工

選用超大移動掛籃(20 000 kN·m)施工方案后，主梁的懸臂節(jié)段長度可達(dá)8 m，為原來長度的2倍，因而節(jié)段數(shù)可由原來的22個(gè)減少至11個(gè)，這一施工方案將工期提前了約3.5個(gè)月。因超大掛籃懸臂施工是在既有鐵路運(yùn)營線的上空進(jìn)行，所以掛籃作業(yè)須在鐵路運(yùn)營關(guān)閉的2.5 h(01:30—04:00)內(nèi)移動完成。

4.3 預(yù)制護(hù)欄施工

一般情況下，防撞護(hù)欄的施工常被安排在主梁完工之后，通過橋面移動吊車配合完成。為避免護(hù)欄施工時(shí)所用的機(jī)具、材料和設(shè)備等跌落在鐵路上，對鐵路交通運(yùn)輸造成重大影響和危害，該橋在超大掛籃懸臂施工期間，選用預(yù)制方式安裝護(hù)欄。橋梁防撞護(hù)欄預(yù)制安裝使工程進(jìn)度提前了1.5個(gè)月。

5 結(jié)語

生野大橋上部結(jié)構(gòu)施工于2017年12月完成，是日本首座采用中墩頂推施工的單索面波形鋼腹板矮塔斜拉橋，也是該國首次采用索鞍結(jié)構(gòu)和摩擦型阻尼器的橋梁。該橋采用多種新技術(shù)克服了技術(shù)要求高、工期緊、任務(wù)重以及在現(xiàn)有鐵路上空施工等諸多不利因素。其中多項(xiàng)施工技術(shù)可為今后波形鋼腹板組合結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計(jì)與施工提供參考借鑒。