遵義湘江大橋主跨560m公路組合梁斜拉橋設(shè)計(jì)

胡建明

中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 四川 成都 610031

1 工程概述

遵義至余慶高速公路是《貴州省交通運(yùn)輸“十三五”發(fā)展規(guī)劃》重點(diǎn)實(shí)施項(xiàng)目，連接黔中經(jīng)濟(jì)區(qū)遵義和凱里兩個(gè)中心城市，線路全長(zhǎng)93.858km，遵余湘江大橋跨越湘江峽谷，是本項(xiàng)目最重要的控制性工程。

橋區(qū)兩岸峰叢密集、深窄陡峻，峽谷呈“W”形，兩深谷谷底高差約為123m，湘江位于較深“V”谷內(nèi)，兩“V”谷之間的山峰是設(shè)置索塔的理想位置。大橋橋面最大高度約為307m，遵義側(cè)較淺“V”谷不具備搭設(shè)支架的條件，綜合考慮地形地貌、技術(shù)經(jīng)濟(jì)及景觀協(xié)調(diào)，主橋采用（72+212+560+212+72）m雙塔組合梁斜拉橋[1]，主跨560m跨越較深“V”谷，遵義側(cè)邊跨越較淺“V”谷，采用對(duì)稱的懸臂施工方案。主橋橋型布置見(jiàn)圖1。

圖1 主橋橋型布置（單位：m）

圖2 鋼桁架梁斜拉橋與鋼-混組合梁斜拉橋

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級(jí)與行車道數(shù)：雙向四車道高速公路。

（2）設(shè)計(jì)荷載與設(shè)計(jì)速度：公路-Ⅰ級(jí)、80km/h。

（3）工程區(qū)地震基本烈度為6度，場(chǎng)址地震基巖水平加速度峰值分別為：52.2gal（50Y10%，重現(xiàn)期475年），101.4gal（50Y2%，重現(xiàn)期2475年）。

（4）基本風(fēng)速： 24.9 m/s（貴州省遵義市1/100）。

3 結(jié)構(gòu)體系

主橋采用半飄浮體系[2]，塔墩固結(jié)、塔梁分離，即在主梁與索塔之間設(shè)置豎向支座、橫向抗風(fēng)支座和橫向抗震擋塊，其中橫向抗風(fēng)支座在橋梁正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下發(fā)揮作用，橫向抗震擋塊在地震等特殊荷載作用下發(fā)揮作用。為限制主梁的縱向位移，在主梁與索塔下橫梁之間設(shè)置縱向粘滯阻尼器[3]，每個(gè)索塔處設(shè)置2套縱向阻尼裝置，全橋共設(shè)置4套。

除主梁與索塔之間外，輔助墩、交界墩與橋臺(tái)上設(shè)置縱向活動(dòng)支座和橫向抗震擋塊， 其中0號(hào)橋臺(tái)、5號(hào)交接墩與1號(hào)輔助墩雙支座中其中一個(gè)支座約束橫向位移， 4號(hào)輔助墩墩高超過(guò)100m，雙支座均約束橫向位移。

4 主梁設(shè)計(jì)

4.1 主梁形式

一般情況下，斜拉橋可選擇的主梁形式有混凝土梁、鋼箱梁、鋼桁架梁、組合梁，以及邊中跨分別采用不同形式混合梁等。本橋主跨跨徑560m，基本上超出了混凝土斜拉橋的合理跨徑范圍；根據(jù)橋址處地形地貌，本橋不具備大型鋼箱梁的運(yùn)輸條件；本橋的邊中跨比較大，混合梁也不適合；采用鋼-混組合梁和鋼桁架梁結(jié)構(gòu)，是受力較為合理的主梁方案。

綜合運(yùn)輸及吊裝條件，主橋主梁形式采用工字型鋼混組合梁[4]。主梁橫斷面布置見(jiàn)圖3。

圖3 主梁橫斷面布置（單位：cm）

主橋主梁為鋼梁與混凝土板共同受力的組合梁[5]，中間采用剪力釘將兩者結(jié)合。組合梁全寬27.5m，拉索錨固處高3.5m。鋼主梁采用工字型截面，橫橋向雙鋼主梁的中心間距為25.5m；鋼橫梁采用工字型截面，標(biāo)準(zhǔn)間距4.0m；混凝土橋面板標(biāo)準(zhǔn)板厚28cm，在鋼主梁頂部處加厚至50cm，壓重段采用50cm等厚設(shè)計(jì)，起到部分壓重作用；橫向中間與兩側(cè)共設(shè)置了三道小縱梁，作為澆注橋面板濕接縫的施工臨時(shí)模板。主梁鋼材除鋼主梁頂板與底板采用Q370qE、臨時(shí)小縱梁采用Q345qD外，其余均采用Q370qD橋梁專用鋼；由于現(xiàn)場(chǎng)骨料制約，混凝土橋面板采用C55混凝土。

4.2 鋼主梁

鋼主梁高3.0m，上翼緣設(shè)置2%橫坡，與橋梁橫坡保持一致，下翼緣水平，腹板豎直，共分為15種梁段類型。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段梁長(zhǎng)12m，頂板寬960mm、厚40mm ，底板寬1000mm、厚80mm ，腹板厚36mm，設(shè)置了三道寬360mm、厚32mm的縱向加勁肋，每個(gè)梁段共設(shè)置了9道豎肋。根據(jù)受力要求，在索塔、輔助墩和交界墩、橋臺(tái)處，對(duì)支承與壓重梁段進(jìn)行了底板加寬和腹板加厚。鋼主梁標(biāo)準(zhǔn)梁段立面與斷面布置見(jiàn)圖4。

圖4 鋼主梁標(biāo)準(zhǔn)梁段立面與斷面布置（單位：mm）

4.3 鋼橫梁

鋼橫梁頂面與橋梁橫坡保持一致，標(biāo)準(zhǔn)鋼橫梁頂板寬660mm、厚24mm，底板寬700mm、厚28mm ，腹板厚14mm，在離上緣58cm處對(duì)稱設(shè)置了兩道寬120mm、厚14mm的縱向加勁肋，每個(gè)鋼橫梁共設(shè)置了13道豎肋。根據(jù)受力要求，在索塔、輔助墩和交界墩、橋臺(tái)處，對(duì)支承與壓重段鋼橫梁頂、底、腹板進(jìn)行加寬加厚。普通鋼橫梁與鋼主梁底板底面不齊平，壓重段鋼橫梁與鋼主梁底板底面齊平，保證壓重材料的布置空間。為方便運(yùn)輸，橫梁分為三段，最大運(yùn)輸長(zhǎng)度為10.58m。標(biāo)準(zhǔn)鋼橫梁立面與斷面布置見(jiàn)圖5。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)鋼橫梁立面與斷面布置（單位：mm）

4.4 鋼梁連接方式

鋼主梁與鋼橫梁節(jié)段間頂、底、腹板及縱肋均采用高強(qiáng)螺栓拼接；鋼主梁與普通鋼橫梁之間只拼接腹板，鋼主梁與其余特殊鋼橫梁之間采用拼接腹板、底板的接頭方式。鋼主梁節(jié)段拼裝示意見(jiàn)圖6。

圖6 鋼主梁節(jié)段拼裝示意

4.5 混凝土橋面板

混凝土橋面板通過(guò)焊接在鋼主梁和橫梁上翼緣板上的剪力釘和鋼梁共同受力，分為預(yù)制部分和現(xiàn)澆部分。橋面以主梁中心線橫橋向?qū)ΨQ布置四塊預(yù)制橋面板，預(yù)制橋面板橫向側(cè)設(shè)置剪力鍵。為了減少混凝土的收縮和徐變，先預(yù)制橋面板，存梁期至少6個(gè)月以上。同時(shí)，根據(jù)受力情況，在中跨跨中與邊跨靠邊支點(diǎn)部分，橋面板設(shè)置了順橋向預(yù)應(yīng)力體系。

5 索塔設(shè)計(jì)

塔型設(shè)計(jì)要求首先滿足結(jié)構(gòu)受力需要，同時(shí)兼顧景觀、施工、造價(jià)等因素，本橋主橋跨徑大、索塔高，適合的塔型有菱形、鉆石型和H型。本橋主梁采用鋼-混組合梁，需要傾斜索面對(duì)主梁的抗扭剛度提供幫助，同時(shí)要求索塔能夠形成閉合框架以較好地承受荷載。菱形索塔橫向剛度大、穩(wěn)定性好，拉索面與塔柱的傾斜方向一致，給人以靜態(tài)的穩(wěn)定和向上感；H型索塔在塔頂有較大的橫梁，高塔受力性能一般，抗扭性能一般；鉆石型索塔略顯纖柔，橫向抗扭性能稍差。三種塔型比較見(jiàn)表1。

表1 塔型比較表

主橋2號(hào)索塔總高288m，3號(hào)索塔總高268m，索塔較高，相對(duì)于H型塔和鉆石型塔，菱型塔受力、抗扭、抗風(fēng)抗震性能更好， 綜合了景觀效應(yīng)，本橋采用菱型橋塔[6]。

主橋索塔由塔墩、下塔柱、中塔柱、上塔柱、上橫梁和下橫梁組成，均采用C50混凝土，上、下橫梁采用預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，塔柱與橫梁采用矩形空心截面，塔墩采用整體單箱三室矩形截面。其中上塔柱高71m、橫橋向?qū)?m、縱橋向?qū)?m；中塔柱高77m、橫橋向?qū)?m、縱橋向?qū)?～11.5m；下塔柱高55.5m、橫橋向?qū)?～11m、縱橋向?qū)?1.5～13.68m；上橫梁縱橋向?qū)?m、豎向高5m；下橫梁縱橋向?qū)?.5m、豎向高8.5m；2號(hào)索塔塔墩高84.5m，3號(hào)索塔塔墩高64.5m，塔墩橫橋向?qū)?9m、縱橋向?qū)?3.68～17m。

索塔承臺(tái)采用矩形截面，橫橋向長(zhǎng)38.3m，順橋向?qū)?5.1m，厚7.5m，采用C40混凝土。索塔樁位處巖性以灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主，上部結(jié)構(gòu)傳到墩底的反力較大，可采用大直徑嵌巖樁，每個(gè)索塔承臺(tái)下均布置了24根直徑3.3m的樁基組成群樁基礎(chǔ)，樁間距6.6m，采用C35自密實(shí)混凝土。索塔構(gòu)造布置見(jiàn)圖7。

圖7 索塔構(gòu)造布置（單位：cm）

6 斜拉索與錨固形式設(shè)計(jì)

6.1 斜拉索

主橋斜拉索為空間扇形雙索面，全橋共8個(gè)索面、176根斜拉索，采用φ7mm鍍鋅平行鋼絲體系，鋼絲標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1770MPa，最大規(guī)格為PES7-337。主梁上橫橋向索距為25.5m，順橋向索距為12m 。斜拉索在塔端及梁端均安裝內(nèi)置式斜拉索減震器，其中4～22號(hào)斜拉索在下端均設(shè)置外置式粘滯阻尼器[7]。

6.2 塔上錨固形式

每個(gè)塔柱均布置了22對(duì)斜拉索，上20對(duì)斜拉索采用鋼錨梁錨固形式，布置于塔壁的牛腿上；下2對(duì)斜拉索水平力較小，采用混凝土齒塊直接錨固形式?？紤]到換索、斷索等不利工況，塔上拉索錨固區(qū)的塔壁內(nèi)配置了井字形的低回縮預(yù)應(yīng)力鋼束，單端交替張拉。

6.3 梁上錨固形式

本著傳力明確、維修養(yǎng)護(hù)方便的特點(diǎn)，本橋斜拉索梁上錨固采用錨拉板形式。

7 主梁指導(dǎo)性施工方案

本橋?yàn)轫?xiàng)目最重要的控制性工程，綜合考慮了結(jié)構(gòu)受力和縮短工期的前提下，主橋設(shè)計(jì)提出了混凝土橋面板濕接縫滯后1次澆筑的指導(dǎo)性施工方案[8]。具體施工步驟為：（1）吊裝第i節(jié)段鋼梁，安裝第i號(hào)拉索并第一次張拉；（2）吊裝第i-1節(jié)段與第i節(jié)段拉索橫梁之間的預(yù)制橋面板，第二次張拉第i號(hào)斜拉索；（3）吊裝第i+1節(jié)段鋼梁，安裝第i+1號(hào)拉索并第一次張拉；（4）吊裝第i節(jié)段與第i+1節(jié)段拉索橫梁之間的預(yù)制橋面板；（5）澆筑第i-1節(jié)段與第i+1節(jié)段拉索橫梁之間的橋面板濕接縫，形成組合單元，第二次張拉第i+1號(hào)斜拉索；（6）橋面吊機(jī)前移。

8 技術(shù)特點(diǎn)

（1）遵余湘江大橋位于貴州黔北山地，橋址區(qū)既有陸運(yùn)、水運(yùn)條件有限，局部范圍內(nèi)地形復(fù)雜，很大程度上限制了結(jié)構(gòu)成品、半成品的尺寸，大橋的主梁采用了布置靈活、運(yùn)輸方便的組合梁結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了組合梁混凝土受壓、鋼材受拉的特點(diǎn)，提高了材料的利用率。與混凝土梁對(duì)比，組合梁自重較輕、跨度較大，鋼梁與橋面板工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)拼裝，有效地保證了質(zhì)量。與鋼箱梁對(duì)比，起吊運(yùn)輸要求低，施工方便、造價(jià)較低，同時(shí)減少了鋼結(jié)構(gòu)橋面鋪裝的難題。

（2）組合梁斜拉橋施工工序復(fù)雜、繁多，成橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力、線形與施工過(guò)程息息相關(guān)，合理的施工工序是保證施工和運(yùn)營(yíng)階段結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵。遵余湘江大橋通過(guò)對(duì)混凝土橋面板濕接縫不滯后、滯后1次和滯后2次的三種施工方案進(jìn)行分析對(duì)比，提出了混凝土橋面板濕接縫滯后1次澆筑的指導(dǎo)性施工方案，即保證了結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程和運(yùn)營(yíng)階段受力的合理性，又有效地縮短了施工工期。