郭錦良

(廣州瀚陽工程咨詢有限公司，廣東廣州510620)

1 工程概況及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)唐山灣國際旅游島的總體規(guī)劃中四縱三橫、六點一片的交通體系，擬建設(shè)迎賓路跨海特大橋工程。該工程路線設(shè)計長度為1 605.824 m。其中，道路全長為75.524 m，橋梁全長為1 530.3 m。主橋橋長330.3 m，采用獨塔空間索面自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)（見圖1）橋跨布置為：7.15 m（北邊跨牛腿）+108 m（混凝土加勁梁副跨）+168 m（混凝土加勁梁主跨）+40 m（主跨協(xié)作跨）+7.15 m（南邊跨牛腿）。

橋梁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：（1）一級公路兼城市主干道；（2）設(shè)計車速：60 km/h；（3）車道：雙向 4 車道；（4）年平均相對濕度：67%；（5）荷載標(biāo)準(zhǔn)：公路—Ⅰ級、人群 2.5 kN/m2。

橋面布置：3.0 m(人行道兼非機動車道)+1.5 m(纜索保護(hù)區(qū))+8.0 m(車行道)+0.5 m(中央防撞護(hù)欄)+8.0 m(車行道)+1.5 m(纜索保護(hù)區(qū))+3.0 m(人行道兼非機動車道)＝25.5 m。

2 結(jié)構(gòu)體系的選擇

17號橋墩處選擇墩梁固結(jié)。18號橋塔處：豎向采用支座支承，橫橋向設(shè)置限位裝置，縱橋向設(shè)置阻尼器。19號及20號橋墩處：豎向采用支座支承，橫橋向設(shè)置限位裝置，縱橋向設(shè)置阻尼器。

3 主要構(gòu)件設(shè)計參數(shù)

3.1 橋塔設(shè)計（見圖2）

橋塔外觀采用“菩提葉”形狀設(shè)計，以菩提葉的形狀呼應(yīng)當(dāng)?shù)仄刑釐u的佛教文化，梭形的橋塔又吸取了西方哥特式教堂的尖塔元素，表達(dá)了祥云島上復(fù)原圓明園與西方文化淵源。

橋塔上、下塔柱為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，塔高99.548 m，其中主體結(jié)構(gòu)高82.43 m，塔頂鞍罩高17.118 m。橋面設(shè)計高程以上部分塔高為76.968 m，其中塔柱部分高為59.85 m。塔底設(shè)計高程為0.84 m（采用85黃海高程系統(tǒng)），塔頂設(shè)計高程為100.388 m。下塔柱橫橋向外側(cè)壁厚度由2.3 m變化至2.0 m，內(nèi)側(cè)壁厚度由1.5 m變化至1.2 m，順橋向兩側(cè)壁厚度由2.1 m變化至1.6 m。上塔柱橫橋向外側(cè)壁厚度由2.0 m變化至1.5 m，內(nèi)側(cè)壁厚度由1.5 m變化至1.2 m，順橋向兩側(cè)壁厚度由1.5 m變化至1.3 m。塔柱內(nèi)室于距塔底31.699 m、43.699 m、55.699 m、67.699 m處各設(shè)置一道50 cm厚的水平隔板。塔柱標(biāo)準(zhǔn)截面外輪廓面積為30.25 m2，挖空率為23.3%。

3.2 橋墩設(shè)計

橋墩包含17號墩、19號墩和20號墩，其中17號墩為剛構(gòu)墩，19號墩及20號墩為支座墩。橋墩墩身均采用單薄壁實心墩結(jié)構(gòu)形式設(shè)計，17#墩身為A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，19#及20#墩為全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，橫截面呈圓端形布置，有助于減小水流阻力。薄壁墩墩身標(biāo)準(zhǔn)厚度為2.0 m，墩身總寬23.0 m，橋墩中部設(shè)置寬度為7.0 m的拱形門，增加了橋下的通透性和美觀性。

3.3 加勁梁設(shè)計（見圖3）

加勁梁采用C60混凝土結(jié)構(gòu)，包含中間節(jié)段（標(biāo)準(zhǔn)段）、北側(cè)主纜錨固塊、南側(cè)主纜錨固塊、A合攏段及B合攏段。加勁梁中間節(jié)段（標(biāo)準(zhǔn)段）采用單箱三室魚腹式斷面形式，橫截面中間處梁高為2.5 m，懸臂長度采用2.765 m。頂板寬度為25.5 m，厚度為25 cm；底板寬度為20.1 m，厚度為25 cm；中腹板厚度為40 cm，邊斜腹板變厚。箱梁標(biāo)準(zhǔn)室寬為5.5 m。梁體橋塔處橫梁寬度為3.0 m，吊點處橫隔板厚度為40 cm，吊點處橫隔縱向間距為6.0 m。

3.4 主纜設(shè)計

該橋主纜采用預(yù)制平行索股逐根架設(shè)的施工方法（PPWS），其抗拉強度不小于1 670 MPa。主纜由3跨組成，副跨—主跨—主跨錨跨。副跨理論跨徑102.5 m，主跨理論跨徑168.0 m。綜合考慮主纜纜力、橋梁整體剛度、塔高等因素，經(jīng)分析比較后，主跨的理論垂跨比為1:10.45。

圖1 主橋橋型立面圖

圖2 塔柱截面及三維圖

圖3 加勁梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

全橋主纜共2根，每根主纜中含61股平行鋼絲索股，每股含127φ5.0 mm的鍍鋅高強鋼絲，豎向排列成尖頂?shù)恼呅巍＞o纜后，主纜為圓形，其直徑為 486 mm(索夾內(nèi))和 492 mm（索夾外）。

高鐵對琿春市旅游業(yè)產(chǎn)生了巨大影響，長琿高鐵于2015年9月20日正式開通運營，對比2014年至2017年黃金周琿春市重點景區(qū)旅游數(shù)據(jù)可以看到，高鐵對琿春市旅游業(yè)的巨大推動作用。

3.5 吊索及索夾設(shè)計

配合加勁梁梁段的劃分及長度，主跨設(shè)順橋向間距6 m的24個吊點，副跨設(shè)順橋向間距6m的16個吊點。所有吊索均采用109φ5.0鍍鋅平行高強鋼絲并帶HDPE護(hù)套的成品索。全橋共160根（80組）吊索，吊索抗拉強度不小于1 670 MPa。

索夾由于吊索拉力及主纜傾角不同，索夾長度和螺桿數(shù)量均不相同。為便于制造和施工，將相近長度的索夾并為：索夾A～I(xiàn)共九類，其中索夾H為散索套（鞍）附近的無吊索索夾（兼有連接防護(hù)套功能），索夾I為主索鞍出口處楔形密閉式索夾（連接防護(hù)套）。索夾采用上、下對合型設(shè)計，通過M36螺桿進(jìn)行連接，每根M36螺桿設(shè)計最終預(yù)緊力為450 kN。在吊索安裝張拉完畢及主纜防護(hù)前，分兩次再張拉，補足螺桿預(yù)緊力。

3.6 基礎(chǔ)設(shè)計

橋塔承臺長 22.75 m、寬16.5 m、高7.0 m，其中加臺部分高為3.0 m，兩個承臺間加設(shè)橫向聯(lián)系梁，系梁高4.0 m，寬6.0 m。橋塔基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁徑為D2.5 m,計算樁長100 m，樁間距為6.25 m，單樁樁頂豎向力設(shè)計值按23 500 kN控制，每個承臺下設(shè)置12根樁，共計24根樁。

橋墩承臺長24.4 m、寬8.7 m、高4.0 m，橋墩基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁徑為D2.0 m，橫橋向樁間距為5.3 m，縱橋向樁間距為5.5 m。單樁樁頂豎向力設(shè)計值按15 000 kN控制，每個承臺下設(shè)置10根樁。

4 模型介紹

主橋整體分析采用兩種計算方法：（1）大位移理論，該橋施工階段模擬采用大位移理論考慮施工階段的大位移（幾何非線性）特性。（2）線性有限位移法，成橋階段采用線性有限位移法將成橋狀態(tài)下的主纜和吊索內(nèi)力轉(zhuǎn)換為幾何剛度后做線性分析。該橋采用Midas civil橋梁分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計算（見圖4）。實際建模過程中，將主梁、橋墩及橋塔按三維梁單元模擬；將主纜及吊索按三維索單元模擬。主梁共劃分115個梁單元，橋塔共劃分63個梁單元，橋墩均劃分為7個梁單元，主纜共劃分為88個索單元，吊索共劃分為80個索單元。

圖4 Midas civil程序中主橋三維圖

采用Midas civil橋梁分析軟件對獨塔類型的懸索橋成橋線形進(jìn)行求解時，往往會遇到很多困難。該橋通過采用“平良法”操作技巧，避免了很多問題。“平良法”的操作步驟：（1）利用建模助手建立第一個雙塔模型用于尋找獨塔主跨主纜線形，按目標(biāo)參數(shù)調(diào)整雙塔模型的主纜線形，使其邊跨主纜線形接近獨塔主跨主纜線形。（2）利用建模助手建立第二個雙塔模型用于尋找獨塔邊跨主纜線形，以步驟1的主纜水平力為目標(biāo)更新第二個雙塔模型的主纜線形。（3）利用建模助手建立第三個雙塔模型，通過刪除另一半得到獨塔的全橋模型，并將步驟（1）、（2）所得的雙塔模型的邊跨主纜線形、初始內(nèi)力及吊索的初始內(nèi)力更新至獨塔的全橋模型中的“懸索橋分析”。（4）運行步驟（3）的模型，主纜及吊索的初始內(nèi)力將發(fā)生變化。（5）利用步驟（4）各吊索初始內(nèi)力的變化量，調(diào)整各吊索承擔(dān)的恒載，重復(fù)步驟（1）～（4），直至步驟（4）的變化量達(dá)到設(shè)計要求。

5 主要荷載確定

（1）結(jié)構(gòu)自重：預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)按26 kN/m3計算自重，普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)按25 kN/m3計算自重；鋼結(jié)構(gòu)按78.5 kN/m3計算自重。

（2）二期恒載：按40 kN/m取用。

（4）預(yù)應(yīng)力：預(yù)應(yīng)力管道采用塑料波紋管成形，管道摩擦系數(shù)u=0.17，管道偏差系數(shù)K=0.001 5，錨具變形和鋼束回縮量為6 mm（單端），管道壓漿采用真空灌漿工藝。

（5）基礎(chǔ)變位：主橋主塔不均勻沉降按25 mm考慮，邊墩不均勻沉降按20 mm考慮；運營階段基礎(chǔ)沉降率估算見表1所列。

表1 運營階段基礎(chǔ)沉降量估算一覽表

（6）汽車荷載：整體計算采用公路—I級車道荷載，按4車道計算，計算時考慮車道荷載的縱、橫向折減系數(shù)，汽車沖擊力按規(guī)范取值，橫向計算及局部計算時采用車輛荷載計算，汽車沖擊力按規(guī)范取值1.3。

（7）汽車制動力：單車道制動力按加載長度上的豎向靜活載的10%計算，并不小于165 kN，多車道按規(guī)范乘以以下系數(shù)取值，同向2車道為2，同向3車道為2.34，同向4車道為2.68。

（8）人群荷載：單側(cè)人群線荷載為8.63 kN/m。

（9）橋址處設(shè)計基本風(fēng)速按《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》(JTG/T D60-01-2004)附錄A取值，按100 a重現(xiàn)期的26.7 m/s風(fēng)速取值，并按《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》(JTG/T D60-01-2004)相關(guān)規(guī)定計算加勁梁、橋塔及拉索縱橋向及橫橋向的風(fēng)荷載。

（10）整體升降溫：橋址處多年平均氣溫10.2℃，結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)溫度為10℃；混凝土梁體系升溫20℃、體系降溫-20℃。

（11）溫度梯度：混凝土結(jié)構(gòu)豎向溫差按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》計算。

（12）構(gòu)件溫差：主纜與混凝土加勁梁、混凝土橋塔間的溫差取±15℃。

（13）地震作用：地震動峰值加速度為0.15 g。

（14）船只撞擊作用：橫橋向撞擊力為6 424 kN，順橋向撞擊力為4 818 kN。

6 主要施工步驟

（1）施工橋塔樁基礎(chǔ)及橋墩樁基礎(chǔ)；（2）分層澆筑橋塔承臺基礎(chǔ)及橋墩承臺基礎(chǔ)；（3）施工橋塔下塔柱及下橫梁；（4）施工橋塔上塔柱節(jié)段和橋墩墩身；（5）搭設(shè)加勁梁澆筑支架,并對支架進(jìn)行預(yù)壓；（6）施工加勁梁節(jié)段構(gòu)件；（7）繼續(xù)施工橋塔上塔柱節(jié)段；（8）施工加勁梁北、南側(cè)錨固塊；（9）繼續(xù)施工橋塔上塔柱節(jié)段；（10）澆筑加勁梁北、南側(cè)合攏段；（11）施工橋塔上橫梁；（12）安裝主索鞍及散索套的下半部；（13）安裝貓道；（14）架設(shè)主纜索股，調(diào)整主纜線形及錨固跨拉力；（15）安裝副跨散索套和主跨散索套的上半部，并擰緊螺栓；（16）緊纜及安裝索夾；（17）安裝吊索；（18）拆除主梁支架及橋塔下橫梁支架；（19）施工橋面系。

7 主纜成橋線形及空纜坐標(biāo)

主纜成橋線形見圖5所示。空纜坐標(biāo)見表2所列。

8 主纜中心索股及吊索無應(yīng)力長度

8.1 主纜中心索股無應(yīng)力長度（見圖6，表3）

8.2 吊索無應(yīng)力長度（見表4）

9 主要構(gòu)件力學(xué)分析結(jié)果（見表5～9）

該橋的加勁梁、主纜、吊索及基礎(chǔ)等構(gòu)件由靜力工況控制設(shè)計，各個計算指標(biāo)均滿足要求；橋塔塔柱及橋墩構(gòu)件則由地震工況控制設(shè)計。其中，橋墩按能力保護(hù)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計。經(jīng)分析，E1地震組合作用下，橋墩處于彈性受力階段；E2地震組合作用下，橋墩潛在塑性鉸區(qū)域進(jìn)入塑性受力階段，其轉(zhuǎn)角、側(cè)移及抗剪能力均滿足規(guī)范要求。

表2 空纜坐標(biāo)表（單位：mm）

圖5 成橋線形圖

圖6 主纜索股構(gòu)造示意圖

表3 主纜索股無應(yīng)力長度參數(shù)表（單位：mm）

表4 吊索無應(yīng)力長度表

表5 混凝土加勁梁計算結(jié)果一覽表

10 結(jié)語

唐山灣國際旅游島跨海特大橋主橋是一座混凝土獨塔空間索面自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)，該橋優(yōu)雅美觀、新穎獨特。通過有限元程序MIDAS/CIVIL受力分析，該橋結(jié)構(gòu)受力合理。

表6 主纜、吊索計算結(jié)果一覽表(單位：MPa)

表7 橋塔E2地震組合作用下計算結(jié)果一覽表

表8 支反力計算結(jié)果一覽表（單位：kN）

表9 主橋顫振臨界風(fēng)速估算結(jié)果一覽表

[1]張哲.混凝土自錨式懸索橋[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2]嚴(yán)國敏.現(xiàn)代懸索橋.[M]北京：人民交通出版社，2002.

[3]李國豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動 [M].北京：中國鐵道出版社，2002.

[4]JTG/T D60-01-2004，公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范[S].

[5]JTG/T B02-01-2008，公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則[S].

[6]石磊.混凝土自錨式懸索橋設(shè)計及其力學(xué)性能分析[J].大連理工大學(xué)學(xué)報，2003.

[7]胡建華.大跨度自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)體系及靜動力性能研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2006.