沿江高速中都河大橋主橋設計

周 霆，曹發(fā)輝，王 戈

（四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院有限公司橋梁分院，四川 成都 610041）

1 概 述

中都河大橋位于四川省屏山縣新市鎮(zhèn)，是沿江高速的控制性工程，跨越金沙江一級支流中都河。大橋全長1 009.5 m，其中主橋為148 m+320 m+148 m預應力混凝土斜拉橋，引橋采用10×39 m 預應力混凝土T 梁。布置圖見圖1。

圖1 橋型布置圖（單位：m）

橋區(qū)位于四川盆地西南邊陲向云貴高原過渡地帶，場地屬侵蝕構(gòu)造單面山中山區(qū)，兩岸斜坡呈折線狀，地勢上陡下緩，緩坡地帶多為旱地及林地，局部有少量的水田，陡坡地帶多為巖石陡坎陡崖。河谷呈“U”型。此處中都河位于金沙江向家壩水電站庫區(qū)尾部，河面開闊，寬300～330 m，水深5.20 m（靠岸邊）～60.0 m（河中心），水流速度緩慢，接近靜止。

橋址區(qū)地層屬于紅層碎屑巖，基巖為粉砂質(zhì)泥巖和砂巖。橋區(qū)屬亞熱帶季風氣候，多年平均溫度為17.8℃，極端最低氣溫1.8℃；極端最高氣溫39.1℃，年平均降水量為1 066 mm。

2 技術標準

（1）道路等級：雙向4 車道高速公路。

（2）設計速度：80 km/h。

（3）汽車荷載：公路—I 級。

（4）主線標準路基寬度：25.5 m。

（5）設計洪水頻率：1/300。

（6）通航等級：不通航。

（7）抗震設防：Ⅶ度，地震動峰值加速度0.15g。

（8）風速：V10= 24.3 m/s。

3 橋梁設計

3.1 橋型布置

橋位處控制條件一是總體路線與河岸斜交，兩岸邊坡陡峻，場地狹窄，且均有國道通過，施工期保通壓力大。二是橋位跨越中都河屬于金沙江庫區(qū)，水位較深。三是主橋新市岸側(cè)接互通，受互通匝道路基漸變段影響，主橋?qū)挾扔?5.88 m 變化至33.5 m。

結(jié)合橋位控制條件，主橋應采用大跨跨越水面，減少水中墩；主橋墩位布設應避讓兩岸國道；初步設計階段擬定了主跨320 m 混凝土斜拉橋和主跨330 m 鋼管混凝土拱橋方案進行比選。拱橋方案造價上更有優(yōu)勢，但是拱座開挖量大，需對國道進行改移，而兩岸山體陡峭，場地狹窄，道路改移風險大，并且缺乏大型鋼構(gòu)件施工場地。斜拉橋方案對既有道路影響小，無需大型鋼構(gòu)件制造、運輸、安裝，施工難度較小，確定為推薦方案。

中都河大橋主橋為雙塔雙索面混凝土斜拉橋，全長616 m，孔跨布置為（44.1+103.9+320+103.9+44.1）m，邊跨設一個輔助墩和交界墩。

主橋橋梁標準寬度：36.2 m，橫斷面布置為1.5 m拉索錨固區(qū)+0.6 m 防撞護欄+14.5 m 車行道+0.5 m路緣帶+2 m 中分帶+0.5 m 路緣帶+14.5 車行道+0.6 m 防撞護欄+1.5 m 拉索錨固區(qū)（見圖2）。邊跨變寬段車行道寬度由14.5 m 逐步漸變?yōu)?6.105 m。

主橋采用索塔處設置豎向約束的半漂浮體系。主橋索塔、輔助墩和交界墩采用球形鋼支座，橫向設置限位擋塊；索塔處設置橫向抗風支座。

3.2 結(jié)構(gòu)設計

3.2.1 上部結(jié)構(gòu)

主梁采用預應力混凝土雙縱肋式梁（圖2）。主梁由縱肋、頂板、加勁小縱肋和橫隔板構(gòu)成格子梁板體系。縱肋梁高2.7 m，寬2.2 m，頂板厚為0.28 m。為減小寬橋面帶來的剪力滯效應，并提高橋面板的剛度，橫橋向設置了三道加勁小縱肋，肋高0.88 m，肋寬0.5 m。梁頂面設2%的雙向橫坡，路線中心處梁高3.062 m。每個梁段節(jié)段內(nèi)設一道底寬50 cm，腹板30 cm 厚的馬蹄形橫隔板以加強主梁橫向剛度。

圖2 主梁標準斷面（單位: m）

變寬段主梁保持中心處梁高與標準段主梁一致，縱肋側(cè)高按中心梁高減去變寬長度乘以2%橫坡值確定，以實現(xiàn)主梁高度的平順過渡。

主梁從索塔處分塊，1 號梁段長18 m，主跨共劃分25 個懸臂澆筑梁段，邊跨共劃分14 個懸臂澆筑梁段，梁段長均為6 m，最大懸臂施工長度為151 m。懸臂澆筑梁段采用前支點掛籃施工，標準節(jié)段控制重量434 t，掛籃設計重量200 t。中跨合龍段長2 m，邊跨合龍段長3 m。邊跨輔助墩至交界墩之間梁段均采用支架法施工。主梁在交界墩附近設置9.85 m 長的實心段，在輔助墩處設置5.5 m 長的實心段以平衡負反力。

3.2.2 下部結(jié)構(gòu)

本橋索塔采用H 型索塔，設置下橫梁和上橫梁，索塔左右側(cè)下塔柱采用不同高度，以適應陡峻的橫向地形，以下橫梁中線為界，索塔上段塔柱97.4 m，新市岸左側(cè)下塔柱53.7 m，右側(cè)下塔柱74.7 m；金陽岸左側(cè)下塔柱61.1 m，右側(cè)下塔柱37.8 m。金陽岸索塔一般構(gòu)造見圖3。上段塔柱斷面為變截面空心矩形截面，順橋向尺寸7.0 m，橫橋向尺寸4.4～6.7 m，順橋向壁厚0.9 m，橫橋向壁厚1.2 m。下段塔柱斷面為變截面空心矩形截面，新市岸左肢7.0×6.7 m(順橋向×橫橋向）～8.1×10.1 m，右肢順橋向尺寸7.0×6.7～8.1×11.3 m；金陽岸左肢7.0×6.7～10.5×8.3 m，右肢7.0×6.7～9.1×7.7 m。順橋向壁厚1.1 m，橫橋向壁厚1.0 m。

圖3 金陽岸索塔構(gòu)造圖（單位：m）

主塔橫梁采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)。頂、底板為混凝土結(jié)構(gòu)，腹板采用波形鋼腹板，見圖4。上橫梁高4 m（高）×6.2 m（寬），下橫梁6.5 m（高）×6.2 m（寬）。

圖4 波折鋼腹板組合橫梁（單位：m）

主塔基礎采用樁基承臺基礎。承臺厚6 m，承臺頂設置厚1.5 m 塔座，在矮塔柱與高塔柱之間設置6×5 m 系梁連接，每個承臺底面設12 根2.5 m 的樁基礎。

交界墩采用三柱式橋墩，墩截面采用3×3 m 方形實心截面，最大墩高28 m。蓋梁采用3.4×3 m 的單箱單室截面，腹板厚80 cm，頂板厚60 cm。樁基礎采用3×3 m 方樁基礎。

輔助墩采用雙柱式橋墩，墩截面采用3 m（順橋向）×4 m（橫橋向）矩形實心截面，最大墩高40 m。樁基礎采用3×4 m 方樁基礎。

3.2.3 斜拉索

全橋設置了50×2 共100 對斜拉索，按空間雙索面扇形布置，拉索標準間距6 m，1 號索距離索塔中心線14 m。拉索通過梁上和塔上的預埋索導管，錨固于齒塊。拉索采用φ15.2 環(huán)氧噴涂鋼絞線成品索，其標準強度為1 860 MPa，拉索體系在0.45 倍公稱荷載下具有280 MPa 的抗疲勞性能。斜拉索規(guī)格有85，73，61，55，50，43，37 共7 種，每根拉索塔端錨具內(nèi)安裝3 個CCT 單孔磁通量傳感器，使拉索成為智能化拉索，可實現(xiàn)索力實時監(jiān)測。長度大于100 m 的拉索下端設置外置式永磁磁流變減震阻尼器，以減小風雨導致的振動，減緩拉索錨固端的疲勞，延長拉索結(jié)構(gòu)的使用壽命和更換周期。針對近年來運營中容易出現(xiàn)的斜拉索燒斷事故，拉索外包具有防火隔熱功能的護套。

3.3 技術特點和創(chuàng)新

3.3.1 波形鋼腹板橫梁

索塔的橫向受力是由橫梁與塔柱形成的框架結(jié)構(gòu)共同承擔，橫梁剛度和塔柱剛度共同形成了索塔的整體橫向剛度。本橋?qū)⒔M合設計思想引入橋塔橫梁設計中，橫梁是采用Q355 波形鋼腹板與C50 混凝土頂?shù)装宓慕M合結(jié)構(gòu)（圖4），利用預應力混凝土頂?shù)装蹇箯?、高強度鋼腹板抗剪，充分發(fā)揮了兩者的材料優(yōu)勢。波形鋼板的褶皺效應使腹板軸向和抗彎剛度很小，可只考慮頂?shù)装宓妮S向剛度和抗彎剛度，與同樣高度和寬度的混凝土橫梁相比，軸向剛度減小47%，抗彎剛度減小45%，抗剪剛度減小70%，重量減小48%。橫梁剛度和重量的減少，降低了索塔整體的自重和剛度，以索塔橫向振動為主的第三階自振周期由2.648 s 變?yōu)?.791 s,增加了5.4%，減小了地震影響系數(shù)，降低了地震作用效應。高強鋼腹板又保證了橫梁的抗剪能力，實現(xiàn)了“強剪弱彎，強柱弱梁”的抗震設防理念，兩種橫梁的地震響應比較見表1、表2。

表1 E2 地震工況下橫梁內(nèi)力 單位：kN/m

由上表可以看出，相比采用混凝土橫梁的索塔，采用波形鋼腹板橫梁的索塔地震響應明顯減小，受力得到改善，提高了結(jié)構(gòu)安全度。

3.3.2 拉索錨固區(qū)防開裂構(gòu)造

索塔拉索錨固區(qū)是斜拉橋索塔設計的關鍵部位，拉索的局部集中力將通過這一部位安全、均勻地傳遞到塔柱中。拉索強大的局部集中力、預應力筋的錨固力以及孔洞削弱等因素使得該區(qū)域受力狀態(tài)十分復雜，屬于典型的應力擾動區(qū)。齒塊上緣與塔壁相交處、齒塊錨面都存在局部高應變和高應力區(qū)域，長期荷載作用下，混凝土很容易開裂。針對這一問題，設計將結(jié)構(gòu)構(gòu)造與索塔施工模板相結(jié)合，提出了組合錨固齒塊構(gòu)造形式（圖5）。組合錨固齒塊采用12 mm 厚的Q235GNH 鋼板，上面布置間距30 cm 的φ22×150 剪力釘，按齒塊尺寸放樣制作，鋼板作為索塔內(nèi)壁施工模板，澆筑混凝土后，形成鋼混組合齒塊，協(xié)同受力。采用該構(gòu)造后，索塔錨固區(qū)施工無需內(nèi)模板，方便施工；齒塊應力集中區(qū)域受力也得到改善，計算分析表明，高應力范圍縮小約1/2，最大主拉應力由6.2 MPa 降低為3.1 MPa, 最大主壓應力由24 MPa 降低為13.5 MPa，（圖6，圖7），降低了裂縫發(fā)生幾率，提高了錨固區(qū)混凝土耐久性。

圖6 齒塊上緣與塔壁相交處應力路徑圖

圖7 齒塊錨面應力路徑圖

3.3.3 全方位的健康監(jiān)測

為貫徹落實交通運輸部《公路長大橋隧養(yǎng)護管理和安全運行若干規(guī)定》（交公路發(fā)〔2018〕35 號）的要求，橋梁設置結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測與預警評估系統(tǒng),通過可靠的實時監(jiān)測、及時的預警響應、準確的安全評估和科學的決策支持，切實提高大橋的安全運營和養(yǎng)護管理水平。

橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測與預警評估系統(tǒng)由傳感器子系統(tǒng)（圖8）、數(shù)據(jù)采集傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)健康與評估子系統(tǒng)組成，其層次圖如圖9 所示。系統(tǒng)建成后能夠?qū)崿F(xiàn)自動對橋梁結(jié)構(gòu)安全風險事件和主要風險源進行長期實時監(jiān)測；并以實時監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，結(jié)合人工試驗檢測成果，對橋梁結(jié)構(gòu)安全風險進行預警和評估，為公路安全運營和養(yǎng)護維修決策提供技術支撐；結(jié)合行業(yè)主管部門的管理要求和養(yǎng)管單位的管理制度，建立橋梁安全評估體系和應急響應機制。

圖8 傳感器子系統(tǒng)總體布置圖（示意半跨）

圖9 安全監(jiān)測與預警評估系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié) 語

中都河大橋作為西部山區(qū)的水電站庫區(qū)范圍內(nèi)修建的跨河橋，它所面臨的建設條件具有一定代表性，其橋型方案、主梁和索塔的形式都是結(jié)合實際、因地制宜選擇的結(jié)果；同時吸收了國內(nèi)外混凝土斜拉橋設計和施工的寶貴經(jīng)驗和教訓，著力在索塔抗震、斜拉索錨固區(qū)防裂、橋梁健康監(jiān)控方面做了一些有益的嘗試，大橋已于2019 年10 月開工建設，目前施工進展良好。