永定河特大橋總體設計及關鍵技術問題處理對策

趙維賀

北京市市政工程設計研究總院有限公司 100082

引言

隨著社會經濟發(fā)展，我國城市建設管理水平日益提升，人們對城市建設景觀要求越來越高，永定河特大橋確定實施方案為寓意“和力之門”的斜拉剛構組合體系，鋼梁、鋼塔斜拉橋。本方案外觀簡潔大方，與周邊環(huán)境協(xié)調融洽。但由于道路線位與河道形成57°斜交角，8 車道寬橋面功能需求，給本工程帶來許多結構難題：處理斜寬橋、曲面鋼塔的局部穩(wěn)定、主梁超大高厚比腹板穩(wěn)定、大尺度橫斷面鋼塔與混凝土基礎的錨固連接、異形扭曲變截面鋼塔節(jié)段之間連接、扭曲鋼塔施工架設等一系列的問題。本文著重介紹了永定河大橋的總體設計，并對一系列關鍵技術問題，提出合理可行的處理方法。

1 工程概況

永定河特大橋為北京市長安街西延道路工程（古城大街-三石路）跨越永定河的一座特大型橋梁。橋位處規(guī)劃河道斷面寬455m，常水位水面寬270m。綜合考慮橋位處河床演變、工程地質、地形等特定的建設條件，永定河大橋主橋采用北半橋跨徑組合為（50 ＋133 ＋280 ＋120 ＋56）m，南半橋跨徑組合為（50 ＋158.1 ＋280 ＋94.9 ＋56）

m的斜拉橋，主橋全長639m，橋梁中心線與永定河河道中線夾角為57.36°，主橋采用雙塔斜拉-剛構組合體系橋型方案，如圖1 所示。道路功能定位為城市主干路，橋面布置雙向8 車道，設計行車速度60km／h，兩側分別設置3.5m寬非機動車道，2.5m 寬人行道，橋梁寬度47 ～54.7m漸變，主跨跨中標準斷面如圖2 所示。汽車荷載等級為城A。地震基本烈度為8 度，設計基本地震動峰值加速度0.2g，抗震設防措施等級9 級。橋梁設計防洪標準為300 年一遇。

圖1 永定河特大橋（單位： m）Fig.1 Yongding River Bridge（unit：m）

圖2 主跨跨中標準斷面（單位： m）Fig.2 Main span mid-span standard section（unit：m）

2 結構設計

2.1 結構體系

本橋為斜拉剛構組合體系［1］，高塔與梁、墩固結，矮塔與梁固結，梁底設置單向活動支座，各輔助墩及分聯(lián)墩均設置單向活動支座。

2.2 索塔設計

主橋橋塔采用全鋼結構傾斜拱形塔，兩塔肢的塔柱中心線在塔底與基座連接處的順橋向間距均為25.1m，形成同一塔柱的兩塔肢非一致傾斜。高塔在橋面以上垂直塔高約為112.195m，整塔傾斜角度約為66°，單側塔柱傾斜角度北側約為61.251°，南側約為71.127°（圖3）；矮塔在橋面以上垂直高度約為65.915m，整塔傾斜角度約為66°，單側塔柱傾斜角度北側約為58.443°，南側約為74.554°（圖4）。塔柱根部設有拱形門洞供行人及非機動車通過。由于景觀需求，在塔柱迎車面翼緣板部分設凹槽。

圖3 高塔外形示意（單位： m）Fig.3 Outline diagram of the tallest bridge towe（unit：m）

圖4 矮塔外形示意（單位： m）Fig.4 Outline of the shortest bridge tower（unit：m）

2.3 主梁設計

永定河特大橋主橋共5 孔，均為焊接鋼梁，主結構由南北兩根主縱梁和大橫梁（含正交異性橋面系）構成［2］。主縱梁中孔鋼梁跨中高3.3m（圖2），支點高約10m。中孔跨中設置合龍段梁長3m，梁底面縱向按照圓弧曲線過渡到高塔和矮塔根部，與高塔承壓板和矮塔底板銜接。中孔主縱梁鋼箱由跨中單箱四室變化至塔根部單箱五室。主縱梁邊孔和輔助孔梁高為3m，頂、底板平行；主縱梁邊孔和輔助孔均為單箱四室。腹板厚度變化范圍40mm ～16mm。主縱梁鋼箱內每隔3m設置一道橫隔板，橫隔板與大橫梁一一對應。隔板間設置一道T形腹板豎肋。輔助孔主梁為輔助墩至分聯(lián)墩范圍，全寬47m，梁高3m，外側鋼箱與邊跨一致，腹板厚度變化范圍25mm ～16mm。采用整體鋼箱斷面，每隔6m 設置一道14mm厚實腹式橫隔板，每兩道實腹式橫隔板之間設置一道14mm厚空腹式橫隔板。中孔和邊孔主縱梁之間設置大橫梁，大橫梁跨徑25.20m，順橋向間距3m，大橫梁兩端高3m，跨中高2.2m，下緣按圓曲線變化。大橫梁間設置三道通長小縱梁，小縱梁梁高1.75m。

2.4 拉索設計

斜拉索采用高強鍍鋅平行鋼絲索，抗拉強度標準值為1860MPa。拉索采用扇形布置，主梁上拉索間距5m ～11m，索塔上拉索間距3.4m ～7.4m，全橋拉索合計112 根，根據不同索力分別選用兩種型號139?7、151?7［3］。

2.5 輔助墩及分聯(lián)墩

墩柱截面為正方形，由墩底向墩頂線性變化，截面寬度3.2m ～1.9m。承臺尺寸為7.30m×7.30m × 2.65m，每個承臺下設置四根樁徑1.80m的鉆孔灌注樁。

2.6 伸縮縫及支座

高塔側分聯(lián)墩采用320 型減噪伸縮縫，矮塔側分聯(lián)墩采用560 型減噪伸縮縫。全橋支座均采用承載力和耐久性較好的球型鋼支座，除高塔為塔梁墩固結外，其余墩柱均設置單向活動支座。分聯(lián)處設900t單向活動抗震型球型鋼支座，每軸4 個；輔助墩采用1200t 單向活動抗震型球型鋼支座，每軸3 個；矮塔豎向支座為單向活動球型鋼支座，豎向承載力7500t，每個塔柱底設2 個，全橋共4 個。

3 主要結構分析

3.1 靜力分析

采用MIDAS Civil 對橋梁成橋狀態(tài)及施工過程進行分析［4-6］，圖5 為大橋空間有限元模型圖。計算表明，在最不利荷載工況標準組合下，主梁最大壓應力和最大拉應力均滿足《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》（JTG D64—2015）要求?；钶d作用下主梁跨中的最大上拱度為4.6cm，最大撓度為15cm，變化幅度為19.6cm，小于《公路斜拉橋設計細則》（JTG D65-01—2007）規(guī)定的主梁跨徑的1／400 即70cm；過渡墩在活載作用下不產生拉力，拉索的索力分布較為均勻，應力幅滿足平行鋼絲斜拉索性能要求。

圖5 大橋空間有限元模型Fig.5 Finite element model

3.2 動力分析

采用空間有限元進行結構自振特性、抗風、抗震分析［7］，結構體系自振特性一階頻率為0.55Hz，對應模態(tài)為主梁中跨對稱豎彎，第二、第三階分別為0.76Hz 和0.84Hz，對應模態(tài)分布為主梁全橋反對稱豎彎和高塔橫彎。根據抗風性能分析，永定河大橋具有較好的顫振穩(wěn)定性和靜風穩(wěn)定性［8］，塔柱施工狀態(tài)主梁可滿足抗風要求，成橋狀態(tài)具有足夠的抗風安全性。通過采用100 年5%和100 年2%兩水準設防反應譜分析，取前100 階振型按CQC方法進行組合，計算結果表明永定河大橋抗震性能良好。表1 為前10 階模態(tài)的周期和頻率。

表1 結構動力特性頻率、振型列表Tab.1 Frequency and mode list of structural dynamic characteristics

4.3 鋼塔錨固處地震作用核算

高塔基座采用C40 混凝土，錨固螺栓為40CrNiMoA級高強鋼棒，定義箍筋以內范圍混凝土為C40 約束混凝土，箍筋以外范圍為C40 非約束混凝土，主受力鋼筋為85根70mm直徑的高強鋼棒，斷面情況按實際位置模擬。分別計算在豎向軸力1萬噸、1.7萬噸下各向彎矩包絡圖如圖6所示。（JTG D64—2015）平面加勁板局部穩(wěn)定容許應力折減進行雙折減規(guī)定（穩(wěn)定折減系數為1），則塔頂局部穩(wěn)定折減系數為0.85 ×1 ＝0.85 進行承載力控制核算。

圖6 高塔基座彎矩包絡圖（單位： kN·m）Fig.6 Bending moment envelope diagram of tower base（unit：kN·m）

4 關鍵技術問題及處理對策

4.1 曲面加勁板的局部穩(wěn)定研究

本工程鋼橋塔為三維空間扭轉塔柱，為壓彎扭剪三維復合受力構件，各主要受力板件均為三維曲面帶肋板?！豆蜂摻Y構橋梁設計規(guī)范》（JTG D64—2015）中有關局部穩(wěn)定的條文規(guī)定仍是基于傳統(tǒng)的平板彈性屈曲理論進行分析的結果，無法適用于本橋所采用的三維曲面帶肋板。本工程通過實驗研究，進行6 組試件實驗對數值模擬分析進行回歸修正，再通過數值分析不同曲率對曲板的承載力影響程度，進而得出相同板厚及加勁設置的曲板與平板的極限承載力相關折減系數［9］。并進行回歸擬合得出不同曲率k 與局部穩(wěn)定折減系數ρ的相關曲線，如圖7 所示。本工程橋塔頂部彎曲程度最大位置的加勁板穩(wěn)定折減系數為0.85，結合《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》

圖7 局部穩(wěn)定折減系數ρ 與曲率kFig.7 Local stability reduction factor ρ and curvature k

4.2 鋼索塔與基座之間的連接方式

鋼塔與基礎連接部的主要作用是將鋼塔柱承受的巨大軸向壓力順暢地傳遞到混凝土基礎，另外由于鋼橋塔承受縱橋向的不對稱活載作用，以及橫橋向的風荷載及與地震作用，導致塔-基連接部還可能承受很大的水平力和彎矩。實際工程中鋼橋塔與混凝土基礎之間的連接，有埋入式連接與螺栓錨固式連接兩種方式。鑒于永定河大橋塔柱壁板厚度達到52mm，且壁板四周應力明顯不均，塔柱錨固平面尺寸達到14.85m×16m。若采用埋入式連接，其埋入深度過大，剪力釘群、及開孔板剪力鍵受力極不均勻，通過剪力鍵及混凝土受剪傳力，易造成混凝土內部受拉，基座受力不利。另外焊接剪力釘，鋼板開孔穿入鋼筋等工藝使施工難度及繁瑣程度陡增。螺栓錨固式連接，承壓板與基座頂面?zhèn)鬟f壓力，錨固螺栓錨固承擔彎矩，傳力路徑明確，構造簡單、施工方便。通過比選決定選用螺栓錨固方案，承壓板厚150mm，錨固螺栓采用高強合金結構鋼40CrNimoA，直徑70mm，屈服強度835MPa，極限強度980MPa，每個塔肢設置75 根錨固螺栓［10］。采用無粘結預應力錨固方式，每個螺栓預拉力為1300kN，保證E2 地震作用工況下，鋼塔底承壓板與基座不脫空。承壓板與基座之間預留50mm間隙進行后壓漿，要求承壓板與壓漿層的接觸率不小于85%。

4.3 鋼索塔安裝方式

根據“拱形”鋼索塔的特點，可采用“豎轉施工”和“節(jié)段吊裝”兩種方法安裝。整體豎轉施工方式，需要在鋼箱梁橋面現(xiàn)場焊接、拼裝鋼索塔，制造完成頂推到位后，再實施豎向轉體施工工藝，將平躺在橋面上的主塔“豎起”，即采用“先梁后塔”順序施工。“豎轉施工”對臨時支架搭設要求較高，支架規(guī)模較為龐大，費用較高，對河道的影響也較大；在轉體施工期間，需長期占用永定河河道；在復雜的環(huán)境中實施豎向轉體，施工控制難度較高，風險也較大，綜合考慮后不推薦采用。采用“支架上節(jié)段吊裝”方案，可借用大型塔吊或龍門吊吊裝，施工方便，操作靈活，風險基本可控。鑒于塔柱安裝精度較高，可加強塔柱安裝階段的安裝線形控制，建立塔柱安裝誤差累積監(jiān)測預報及修正系統(tǒng)。節(jié)段制造需修正不同時期安裝溫度差異以及索塔自重下壓縮變形的影響，通過節(jié)段焊縫間隙及角度修正等手段及時調整安裝誤差。能夠使本工程異形扭曲鋼塔架設精度得到保障。

5 結語

永定河大橋采用空間索面拱形索塔斜拉剛構形式，空間線形、體量比例和諧，較好解決了“超寬橋面”與“斜度大”之間的矛盾。通過合理的體系設計解決了超寬橋面、斜度大的斜拉橋可行性、安全性問題。通過實驗研究與數值分析比對，公式回歸擬合，得出曲板局部穩(wěn)定與同規(guī)格平板局部穩(wěn)定折減系數關系，切實指導設計工作，使曲面板穩(wěn)定設計超越規(guī)范規(guī)定范疇問題得以有效解決。通過工程案例調研分析，結合國內工程鋼結構制造、施工水平，結合實體注漿實驗研究，提出超大斷面鋼塔合理簡單的錨固方式，提出合理的注漿接觸率要求，解決了采用平面尺寸超過200m2的承壓板錨固的難題。通過方案比較，提出采用扭曲鋼塔支架架設的合理工法，具有施工方便、操作靈活，風險可控等諸多優(yōu)勢，保證本工程順利實施。本工程諸多技術難題得以攻克解決，為城市景觀性鋼結構橋梁設計積累了寶貴的經驗。