宜昌市沙灣路上跨橋總體設(shè)計(jì)

魏順波，潘 凡

[林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司武漢分公司，湖北 武漢430020]

1 工程概況

沙灣路上跨橋?yàn)橐瞬腥龒{物流產(chǎn)業(yè)園連接紫云鐵路的一座跨線橋梁。橋梁上跨白洋大道，全長249.5 m。全橋共分二聯(lián)，第一聯(lián)為3×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁，第二聯(lián)為2×74 m單索面斜拉橋,采用墩、塔、梁固結(jié)體系（見圖1）。橋梁景觀功能突出，為當(dāng)?shù)貥?biāo)志性景觀橋梁之一。

圖1 橋型布置（單位：cm）

2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

橋梁所在道路為城市次干路，設(shè)計(jì)速度為30 km/h，橋梁設(shè)計(jì)荷載采用城-A級，橋面寬9 m[0.5 m（防撞墻）+7.5 m（車行道）+3.0 m（中央分隔帶）+7.5 m（車行道）+0.5 m（防撞墻）]。

3 主橋方案研究

3.1 主橋景觀研究

主橋采用單索面斜拉橋，景觀主題為“揚(yáng)帆遠(yuǎn)航”，主題鮮明，結(jié)構(gòu)新穎。橋塔橫橋向呈人字形，造型似一艘帆船駐足于長江岸邊，與物流中心“開拓進(jìn)取，傳遞美好”的文化契合（見圖2）。其結(jié)構(gòu)空間高度和體量適宜，具有很好的地標(biāo)性和識別性。傾斜的塔柱展現(xiàn)出富有動勢的美感，牽連著琴弦般的拉索，極富力量感。

圖2 效果圖

3.2 主橋跨徑研究

橋軸線與白洋大道斜交，斜交角49°?？紤]斜交角及遠(yuǎn)期白洋大道拓寬的可能性，主橋跨徑采用2×74 m。

3.3 主橋結(jié)構(gòu)研究

由于橋塔形狀為人字形，單側(cè)不對稱布置，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力及施工的便捷性，主塔采用鋼結(jié)構(gòu)制作。考慮經(jīng)濟(jì)性，在初步設(shè)計(jì)階段對主梁的材料采用了混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)兩種方式的比選。通過計(jì)算分析，若主梁采用混凝土結(jié)構(gòu)，因結(jié)構(gòu)自重的增加，將極大增加橋塔彎矩，塔身截面尺寸會增加到夸張的程度，極大影響橋梁造型。最終主梁也采用鋼結(jié)構(gòu)。

3.4 主橋施工方案研究

為減小主梁施工期間對白洋大道行車影響，主梁施工考慮了分段吊裝和頂推兩種方案的比選。兩種方案措施費(fèi)用相差不大，考慮白洋大道交通量相對較小，頂推工法在當(dāng)?shù)厮貌欢?，故主梁采用分段吊裝。橋塔施工也采用分段吊裝。

4 主橋設(shè)計(jì)

4.1 主梁

主梁構(gòu)造采用鋼箱梁的結(jié)構(gòu)形式（見圖3），材質(zhì)采用Q345qD。斷面采用單箱多室，車道中心線處標(biāo)準(zhǔn)梁高2.2 m，橋面設(shè)2%雙向橫坡，頂板寬19 m，底板寬10.819 m。頂板、底板均采用正交異性板結(jié)構(gòu)；頂板、水平底板、斜向底板厚16 mm（中支點(diǎn)處28 mm），并設(shè)置U型縱肋，斜向底板設(shè)置T型縱肋。鋼箱梁的橫隔板按2.5 m、3 m兩種間距布置，跨中處橫隔板厚14 mm，梁端處橫隔板厚24 mm，中支點(diǎn)處橫隔板厚36 mm。橫隔板上設(shè)置縱、橫向板式加強(qiáng)肋。主梁內(nèi)共設(shè)4道縱腹板，縱腹板厚20 mm，以水平和豎向加強(qiáng)肋進(jìn)行加勁。

圖3 主梁構(gòu)造（單位：cm）

4.2 主塔

鋼塔橫向呈人字形，高45 m（橋塔基座頂面至塔頂），塔身向內(nèi)傾斜。采用鋼箱截面，中間肢截面為矩形箱，截面尺寸2.946 m×1.65 m；外側(cè)肢略呈三角形。材質(zhì)采用Q345qD，基座以上部位板厚28 mm，基座處板厚36 mm；主塔鋼箱每2 m設(shè)置一道橫隔板，壁板設(shè)置縱向加勁肋（見圖4）。

圖4 主塔構(gòu)造（單位：cm）

主塔與混凝土基座采用鋼混結(jié)合段的方式固結(jié)，主塔伸入混凝土內(nèi)2 m，與混凝土基座通過PBL剪力鍵相連接，主塔與基座結(jié)合面四周設(shè)置精軋螺紋鋼筋錨固。

4.3 斜拉索

斜拉索采用PES7-85型平行鋼絲索，平行鋼絲標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為Rby=1 770 MPa。全橋共設(shè)置6對斜拉索，斜拉索在梁底鋼錨箱內(nèi)單端張拉（見圖5）。

圖5 拉索布置

4.4 基座

主塔基座為主塔與承臺相連的過渡段，高2 m（見圖6）。

圖6 基座構(gòu)造（單位：cm）

基座下接矩形承臺，承臺厚4 m，平面結(jié)構(gòu)尺寸為22 m（橫橋向）×9 m（順橋向）。承臺基礎(chǔ)采用直徑1.8 m的灌注樁，共8根。

5 主橋計(jì)算

5.1 計(jì)算模型

主橋采用Midas Civil建立空間桿系有限元模型（見圖7）進(jìn)行整體靜力分析。

圖7 計(jì)算模型

5.2 計(jì)算結(jié)果

5.2.1 主梁剛度驗(yàn)算由圖8可知，在活載作用下，主梁跨中豎向位移為45.7 mm。45.7mm＜L/400=74 000/400=185 mm，結(jié)構(gòu)變形滿足規(guī)范《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）中第4.2.3斜拉橋主梁的要求。

圖8 汽車荷載作用下最大豎向變形（單位：mm）

5.2.2 主梁應(yīng)力驗(yàn)算

主梁應(yīng)力包絡(luò)圖見圖9～圖11。

圖9 承載能力極限狀態(tài)下鋼箱梁頂板組合應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MP a）

圖11 承載能力極限狀態(tài)下各荷載組合鋼箱梁剪應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MP a）

由圖9、圖10可知，承載能力極限狀態(tài)下，各荷載組合的鋼箱梁最大拉應(yīng)力為111.1 MPa，最大壓應(yīng)力為147.7 MPa，小于其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值270.0 MPa；由圖11可知，鋼箱梁最大剪應(yīng)力為29.7 MPa，小于抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值155.0 MPa，均滿足規(guī)范要求。

圖10 承載能力極限狀態(tài)下鋼箱梁底板組合應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MP a）

5.2.3 斜拉索應(yīng)力驗(yàn)算

斜拉索采用PES7-85型平行鋼絲索，平行鋼絲標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為Rby=1770 MPa。

基本組合下斜拉索最大索力為2 392.4 kN，斜拉索公稱截面積為32.71 cm2。根據(jù)規(guī)范13.2.1，則γ0×Nd/A=1.1×2 392.4/32.71/100×1 000=804.5＜fd=955.0 MPa；最大應(yīng)力81.0 MPa，小于疲勞應(yīng)力允許值160.0 MPa，滿足規(guī)范要求。

5.2.4 橋塔應(yīng)力驗(yàn)算

承載能力極限狀態(tài)下，各荷載組合的橋塔最大拉應(yīng)力85.1 MPa，最大壓應(yīng)力109.0 MPa，滿足規(guī)范要求。

5.2.5 動力分析

（1）頻率與周期

依據(jù)計(jì)算報(bào)告，全橋結(jié)構(gòu)前6階振型的周期和振型見表1。

表1 基本振型和頻率

（2）馳振穩(wěn)定性

根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D60-01—2004）進(jìn)行計(jì)算：馳振臨界風(fēng)速Vcg=78.7 m/s，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速Vd=29.23 m/s；Vcg=75.7 m/s＞1.2×Vd=1.2×29.23=35.1 m/s，滿足規(guī)范要求。

（3）顫振穩(wěn)定性

根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D60-01—2004）進(jìn)行計(jì)算：顫振臨界風(fēng)速Vcr=132 m/s，顫振檢驗(yàn)風(fēng)速[Vcr]=47.7 m/s，Vcr＞[Vcr]，滿足規(guī)范要求。

5.2.6 穩(wěn)定分析

穩(wěn)定性分析以成橋恒載（結(jié)構(gòu)自重+二恒）、橫向風(fēng)荷載和汽車活載作為荷載，進(jìn)行彈性穩(wěn)定分析，結(jié)構(gòu)彈性屈曲安全系數(shù)為101.0，遠(yuǎn)大于規(guī)范要求的4.0，滿足計(jì)算要求；結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模態(tài)為橋塔順橋向失穩(wěn)。

5.3 計(jì)算結(jié)論

（1）靜力計(jì)算結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載作用下安全可靠，撓度滿足規(guī)范要求。

（2）動力特性計(jì)算表明：橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)振滿足要求。（3）主橋穩(wěn)定性計(jì)算分析結(jié)果表明：成橋階段結(jié)構(gòu)具有足夠的穩(wěn)定性，橋梁結(jié)構(gòu)安全可靠。

6 結(jié)語

沙灣路上跨橋是一座造型獨(dú)特、景觀優(yōu)美的橋梁。它的橋塔為人字形，橫橋向不對稱布置，不同于常規(guī)的斜拉橋。目前該橋已建成通車，運(yùn)行狀態(tài)良好，對同類橋梁有參考意義。