珠海某跨海通道主橋方案設(shè)計

徐德志，梁立農(nóng)，孫向東，萬志勇，杜 磊，譚巨良

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團股份有限公司 廣州 510507）

1 概述

1.1 項目概況

某項目東接鶴港高速（港珠澳大橋西延線）、西接西部沿海高速及新臺高速，項目對于貫徹粵港澳大灣區(qū)合作精神，加強粵港澳大灣區(qū)內(nèi)聯(lián)系；優(yōu)化區(qū)域高速公路網(wǎng)絡(luò)，改變過江通道單一的現(xiàn)狀；有效促進珠西裝備制造業(yè)基地集聚；進一步強化橫琴自貿(mào)區(qū)、高欄港與大廣海灣經(jīng)濟區(qū)的聯(lián)動發(fā)展具有重要意義。項目地理位置如圖1所示［1］。

圖1 項目地理位置Fig.1 Project Location

本項目起點在珠海市平沙前西社區(qū)與鶴港高速順接，與高欄港高速互通，向西經(jīng)過擬建平沙公園南側(cè)，跨越崖門口黃茅海水域，依次跨越崖門出海東東航道、東航道、西航道，至臺山赤溪鎮(zhèn)福良村，終點于臺山斗山鎮(zhèn)與西部沿海高速相交，對接新臺高速，路線全長約31.11 km。

1.2 主要技術(shù)標準

公路等級為高速公路；設(shè)計速度100 km/h；行車道數(shù)為雙向六車道；設(shè)計使用壽命100 年；主橋全寬50.5 m（含風嘴）；設(shè)計荷載為公路-Ⅰ級；設(shè)計通航凈空為東東航道（538×64）m；最高通航水位+3.320 m，最低通航水位-0.788 m；橋址設(shè)計基本風速US10=46 m/s；地震設(shè)防標準為通航孔橋E1 基準——100 年超越概率10%，E2 基準——100 年超越概率4%；船舶撞擊力如表1所示［2-4］。

表1 船舶撞擊力Tab.1 Ship Impact Force

1.3 主橋總體布置

根據(jù)通航批復(fù)，該大橋跨越東東航道主跨要求不小于700 m。據(jù)此，結(jié)合航道區(qū)域布置及跨海段橋梁總體設(shè)計，大橋跨徑布置（110+248+700+248+110）m=1 416 m，邊中跨比為0.51?？傮w布置如圖2所示。

圖2 總體布置Fig.2General Layout （m）

2 總體設(shè)計推薦方案

在項目總體設(shè)計階段，根據(jù)主梁及索塔布置形式，擬定了兩類橋型方案進行同深度比選。方案1：“獨柱式橋塔+分體式鋼箱梁”；方案2：“A 型旋動橋塔+整體式鋼箱梁”［5-6］。限于篇幅，本文就方案1各構(gòu)件進行詳細介紹：

2.1 約束體系比選

現(xiàn)代斜拉橋主梁的約束體系多種多樣，結(jié)構(gòu)體系只有與橋梁的總體布置、結(jié)構(gòu)特性和地質(zhì)條件相匹配，才能充分保證結(jié)構(gòu)的正常、合理使用［7-10］。

⑴豎向約束體系

方案1 采用全漂浮約束體系：索塔處不設(shè)置豎向支座；輔助墩和過渡墩處設(shè)置豎向支座。

⑵橫向約束體系

在索塔處設(shè)置橫向抗風支座，在輔助墩和過渡墩處也設(shè)置橫向抗風支座。

⑶縱向約束體系

設(shè)計過程中，對全漂浮、彈性約束、阻尼加剛性限位以及塔梁固結(jié)等4種結(jié)構(gòu)體系進行了詳細計算分析比較，如表2所示。

表2 不同結(jié)構(gòu)體系比選Tab.2 Comparison of Different Systems

由表2 可知，安裝彈性約束裝置或是阻尼加剛性限位裝置均可使梁端水平位移、塔頂水平位移及塔底彎矩都較小，相對較優(yōu)。其中，動力阻尼器加剛性限位方式改善了結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，同時能較快地衰減主梁震動，耗能效果要優(yōu)于水平彈性約束。加上剛性限位后結(jié)構(gòu)在縱向極限風荷載等作用下的靜力響應(yīng)也大大減小，經(jīng)綜合比較，推薦采用動力阻尼器加剛性限位的結(jié)構(gòu)體系。采用的約束體系如圖3所示。

圖3 約束系統(tǒng)布置Fig.3 Layout of Restraint System

2.2 主梁方案比選

適用于700 m主跨斜拉橋的主梁方案，主要有普通鋼箱梁+環(huán)氧瀝青鋪裝、UHPC鋼箱組合梁+普通瀝青鋪裝和STC鋼箱梁+普通瀝青鋪裝。主要設(shè)計參數(shù)如下：

2.2.1 普通鋼箱梁

主梁采用分體式鋼箱梁，由2 個鋼箱梁及橫向連接箱組成，鋼箱梁梁高4.0 m。標準梁段長15 m，實腹式橫隔板間距3.0 m。鋼箱梁設(shè)置通長內(nèi)腹板及外側(cè)腹板，外側(cè)腹板外緣設(shè)置斜拉索錨箱。每個拉索位置設(shè)置橫向連接箱，橫向連接箱寬3.0 m，高4.0 m。橫斷面布置如圖4所示。

圖4 普通鋼箱梁橫斷面Fig.4 Cross Section of Ordinary Steel Box Girder（mm）

標準梁段重量335.5 t，造價約12.47 億元，施工工期6～8 d/節(jié)段，鋼箱梁重量輕，工藝成熟，施工風險小，施工速度快。但是環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝易損壞，后期養(yǎng)護費用較高。

2.2.2 UHPC鋼箱組合梁

主梁采用分體式UHPC 鋼箱組合梁，由2 個鋼箱組合梁及橫向連接箱組成。組合梁高4.0 m，鋼梁上鋪設(shè)17 cm 含粗骨料UHPC 高強混凝土橋面板，鋼和混凝土通過剪力釘連接以形成組合截面。標準梁段長15 m，橋面板設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力，在中跨跨中和龍段及邊跨輔助墩位置設(shè)置縱向預(yù)應(yīng)力。每個拉索位置設(shè)置橫向連接箱，橫向連接箱寬3.0 m，高3.79 m。橫斷面布置如圖5所示。

圖5 UHPC鋼箱組合梁橫斷面Fig.5 Cross Section of UHPC Steel Box Composite Beam（mm）

標準段鋼梁重246.2 t，UHPC 面板88.1 m3；鋪裝8 cm（總重量比普通鋼箱梁方案重約33%），造價約12.74億元，施工工期約7～10 d/節(jié)段，總工期較鋼箱梁方案增加2～3 個月。組合梁具有剛度大、抗風性能好，橋面鋪裝耐久性好等優(yōu)點，但對于700 m跨徑斜拉橋，其施工質(zhì)量控制難度大。

2.2.3 STC鋼箱梁

主梁采用分體式STC 鋼箱梁，由2 個STC 鋼箱梁及橫向連接箱組成。鋼箱梁高4.0 m，鋼梁上鋪設(shè)超高韌性混凝土（STC）橋面板，STC 與鋼橋面板用剪力釘連接，形成永久結(jié)構(gòu)層。標準梁段長15 m，STC橋面板標準厚度5 cm，鋼箱梁橋面板通長布置，板厚14 m。每個拉索位置設(shè)置橫向連接箱，橫向連接箱寬3.0 m，高4.0 m。橫斷面布置如圖6所示。

圖6 STC鋼箱梁橫斷面Fig.6 Cross Section of STC Steel Box Girder （mm）

標準段鋼梁重319.3 t，STC 面板463.3 m2，鋪裝3 cm（重量同普通鋼箱梁方案），造價約12.69 億元。STC 鋼箱梁具有橋面鋪裝耐久性好等優(yōu)點，但STC 面板質(zhì)量控制難度大。

經(jīng)綜合比選，UHPC 由于重量大，雖主梁鋼材用量有所節(jié)約，但斜拉索、索塔及基礎(chǔ)規(guī)模均有所增大，其全橋整體經(jīng)濟性并無優(yōu)勢；鋼箱梁方案具有重量輕、工藝成熟、施工風險小、施工速度快等優(yōu)點，故推薦采用鋼箱梁方案。

2.3 索塔

2.3.1 索塔設(shè)計

橋塔采用簡潔的纖腰型獨柱式塔柱。塔底截面為圓形截面，直徑18 m，在塔底到高程+71.76 m（橋面附近）過渡到圓端形截面，尺寸為13 m×10 m（順橋向×橫橋向），壁厚2 m。高程+71.76 m 到+168.26 m 范圍內(nèi)過渡到直徑8.5 m的圓形，壁厚由2.0 m過渡到1.5 m。高程+168.26 m 到塔頂范圍內(nèi)過渡到塔頂?shù)闹睆?1 m的圓形，壁厚為1.2 m。索塔構(gòu)造如圖7所示。

圖7 獨柱型橋塔構(gòu)造Fig.7 Structural of Single Column Pylon （mm）

在塔座以上168.26 m 處截面最小，形成“纖腰”的視覺效果。獨柱塔豎向呈纖腰，外觀簡潔挺拔，個性鮮明，視野通透，能取得較好的景觀效果。同時，上塔柱最小截面以上為索塔錨固區(qū)，不斷增大的截面為索塔錨固構(gòu)造的安裝、維護提供更大的操作空間，有利于施工質(zhì)量的控制和后期的維護管養(yǎng)。

圓形截面橋塔寓意著“圓滿融通”，汲取東方傳統(tǒng)文化“圓融精神”，呼應(yīng)粵港澳大灣區(qū)互聯(lián)互通、共建共享的戰(zhàn)略，凸顯地域特征。結(jié)合橋梁美學，主塔造型以“圓”為基礎(chǔ)，展現(xiàn)扶搖直上的聚力融合之勢，塑造了簡潔大氣的橋梁景觀。

2.3.2 主塔材質(zhì)比選

斜拉橋索塔可供選擇的材料類型主要有3 種：鋼筋混凝土塔、鋼塔、鋼殼混凝土塔。對此3種形式進行比較分析。

⑴鋼筋混凝土塔

優(yōu)點：受力較為明確，國內(nèi)有成熟的設(shè)計施工經(jīng)驗；造價最低，約1.98億元。

缺點：自重大，抗震性能稍差；索塔錨固處理與補強相對復(fù)雜；對混凝土及鋼筋的耐腐蝕性能要求高；本索塔方案模板復(fù)雜，攤銷率低，工序繁瑣，工期長。

⑵鋼塔

優(yōu)點：體積小、自重輕，抗震性能優(yōu)越；材質(zhì)較均勻，實際受力與計算分析結(jié)果較為接近；錨固處理與補強相對容易；鋼結(jié)構(gòu)索塔外表面光滑度較混凝土塔好，風阻系數(shù)??；耐久性較好；工廠化加工，易于保證精度；工期最短。

缺點：阻尼比小，較易發(fā)生渦激振動和馳振；截面剛度小，屈曲和失穩(wěn)需充分考慮；造價最高，約3.56億元。

⑶鋼殼混凝土塔

優(yōu)點：承載能力高，延性性能好；錨固處理與補強相對容易；混凝土的存在可以避免或延緩鋼殼壁板的局部失穩(wěn)；鋼結(jié)構(gòu)索塔外表面光滑度較好，風阻系數(shù)較?。讳摎た商娲糠咒摻?、替代模板及勁性骨架，實現(xiàn)永臨結(jié)合；鋼塔內(nèi)部填充混凝土，鋼結(jié)構(gòu)部分耐久性優(yōu)于鋼塔，對內(nèi)部混凝土及鋼筋的耐久性優(yōu)于混凝土塔；鋼殼節(jié)段工廠化加工，精度較高；工期較短；造價適中，約2.13億元。

缺點：鋼混組合構(gòu)造、受力復(fù)雜，要輔以適當試驗方能保證設(shè)計的可靠性及合理性，目前工藝尚不成熟；現(xiàn)場進行節(jié)段吊裝和拼裝后灌注混凝土，對施工設(shè)備有較高要求；國內(nèi)成熟經(jīng)驗較少。

2.4 索塔基礎(chǔ)

由于不同的樁徑對基礎(chǔ)的受力、工期、施工難易程度、工程造價均有影響，在樁身應(yīng)力指標基本一致的前提下，對主塔基礎(chǔ)開展了不同樁徑的比選。

直徑2.8 m、3.0 m、3.4 m 樁基均屬于大直徑樁基。直徑2.8 m、3.0 m 樁基使用較多，施工技術(shù)較為成熟，施工難度相對較小。直徑3.4 m 樁基使用相對較少，對施工技術(shù)、施工設(shè)備要求較高，施工難度相對較大。綜合造價、工期、施工難易程度、結(jié)構(gòu)受力情況，推薦采用直徑3.0 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)（見表3）。

表3 主塔基礎(chǔ)樁基直徑比較Tab.3 Comparison of Pile Foundation Diameter

2.5 輔助墩和過渡墩

墩身采用新型的TY 復(fù)合墩，蓋梁橫向?qū)?7.4 m，順向?qū)? m，高2 m，內(nèi)設(shè)預(yù)應(yīng)力。墩頂往下11.5 m 范圍內(nèi)，采用Y型分枝，截面高度從3.5 m漸變至4.35 m。墩身以1∶25的斜率，從8 m往下漸寬（見圖8）。

圖8 輔助墩一般構(gòu)造Fig.8 General Structure of Auxiliary Pier

2.6 斜拉索及錨固構(gòu)造

2.6.1 斜拉索

本橋設(shè)計風速大，斜拉索宜采用強度高的拉索形式，以減小拉索截面，降低拉索風載。經(jīng)比選，推薦使用1 960 MPa高強平行鋼絲斜拉索。

斜拉索采用空間索面扇形布置。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力、施工吊裝重量和施工周期等因素，斜拉索在鋼箱梁上索距15 m，塔上索距3.0 m。

2.6.2 索塔錨固

塔上拉索錨固采用鋼錨梁錨固系統(tǒng)，由鋼錨梁和鋼牛腿組成（見圖9）。

圖9 索塔鋼錨梁及錨固牛腿Fig.9 Steel Anchor Beam and Anchor Bracket of Cable Tower

鋼錨梁由腹板、頂板、底板、墊板、隔板、加勁板、錨箱單元（包括錨腹板、承力板、承壓板、錨墊板、錨箱隔板、加勁板）等部分組成。鋼牛腿主要由托架單元（包括頂板、腹板、加勁板、鋼墊板）、壁板、錨管、抗剪鋼板、剪力釘?shù)炔糠纸M成。

UAV+RFID技術(shù)信息采集的路徑規(guī)劃問題，其本質(zhì)是在布滿生產(chǎn)所需的生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)環(huán)境下，在合理的時間內(nèi)，在滿足RFID能夠讀取到所有在制品信息的前提下，尋找一條最優(yōu)飛行路徑進行在制品信息采集。

2.6.3 索梁錨固

索梁錨固結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力大、傳力復(fù)雜。設(shè)計時應(yīng)盡量使力線流暢，避免出現(xiàn)過大的應(yīng)力集中，避免在長期動載和靜載作用下出現(xiàn)疲勞或強度破壞。

斜拉橋常見鋼梁上的錨固方式主要有3 種：銷鉸式（耳板或拉板式連接）、錨箱式（見圖10）和管錨結(jié)構(gòu)。3 種方式都是成熟技術(shù)，分別在國內(nèi)外多座橋梁上有成功實踐經(jīng)驗，均具有可靠的安全度，各有優(yōu)缺點。本次設(shè)計推薦采用錨箱式索梁錨固方案。

圖10 索梁鋼錨箱錨固方案Fig.10 Anchorage Scheme of Cable Beam Steel Anchor Box

3 結(jié)語

本文就總體設(shè)計階段主橋推薦方案“獨柱式橋塔+分體式鋼箱梁”各結(jié)構(gòu)進行了詳細分析，索塔采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主梁采用分體式鋼箱梁和環(huán)氧瀝青體系，基礎(chǔ)采用D3.0 m鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)，輔助墩和過渡墩采用新型的TY 復(fù)合墩，斜拉索采用1 960 MPa 高強度平行鋼絲，索塔錨固采用鋼錨梁方案，索梁錨固采用鋼錨箱方案。

本項目建設(shè)條件極為復(fù)雜，需克服強臺風、高烈度地震、強海水腐蝕、高船撞力、淺覆水施工等不利的建設(shè)條件，上述方案可供類似工程項目參考。本項目建成后，將與港珠澳大橋、深中通道、南沙大橋、虎門大橋等，共同組成大灣區(qū)跨?？缃ǖ廊海涌煨纬墒澜缂壗煌屑~，讓粵港澳大灣區(qū)發(fā)展更加均衡。