劉建軍,周 瀟,王學(xué)敏

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司, 貴州 貴陽(yáng) 550081；2. 貴州大學(xué)土木建筑學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

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六廣河特大橋方案設(shè)計(jì)與計(jì)算

劉建軍1,周 瀟1,王學(xué)敏2

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司, 貴州 貴陽(yáng) 550081；2. 貴州大學(xué)土木建筑學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

六廣河特大橋是目前貴州省內(nèi)跨徑最大的疊合梁斜拉橋，是息烽至黔西高速公路上的控制性工程，橋區(qū)地質(zhì)地形復(fù)雜，施工場(chǎng)地狹小，運(yùn)輸條件差，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，研究了3種不同的主梁方案，綜合考慮最終采用242+580+242 m的全疊合梁的方案。對(duì)其方案研究、抗風(fēng)性能及其結(jié)構(gòu)計(jì)算作簡(jiǎn)要介紹，以期為后續(xù)類似橋梁的建設(shè)提供參考。

斜拉橋；疊合梁；設(shè)計(jì)；計(jì)算

六廣河特大橋位于貴州省江口至都格高速公路息烽至黔西段K39+300處，為跨越六廣河峽谷而設(shè)。設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h，橋梁設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級(jí)，雙向4車(chē)道。橋位處為“V”型峽谷，峽谷深且寬，橋面至河面高度達(dá)330 m，峽谷兩側(cè)均為陡峭的山體，谷頂兩岸為相對(duì)較緩的山坡。

1 橋型方案設(shè)計(jì)思路

1.1 橋型方案考慮因素

(1)六廣河特大橋橫跨六廣河，不受水位控制，其孔徑布置受兩岸地形和地質(zhì)控制。在選擇合理的孔跨布置時(shí)，首要考慮的是結(jié)構(gòu)安全經(jīng)濟(jì)，應(yīng)將主墩位放置于岸坡穩(wěn)定、地形較坦、施工安全方便，減小施工風(fēng)險(xiǎn)，是本橋橋型方案設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)。

(2)橋位區(qū)地形陡峭，橋位縱斷面呈V形，兩岸不良地質(zhì)發(fā)育。孔跨布置應(yīng)盡量使兩岸主墩位置避開(kāi)不良地質(zhì)和陡峭地形，確保結(jié)構(gòu)安全，減少基礎(chǔ)處理費(fèi)用，并便于施工。

(3)橋型方案選擇在考慮安全經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，盡量在結(jié)構(gòu)造型上選擇施工方便、造型美觀、對(duì)環(huán)境破壞小的方案。

1.2 主跨跨徑的確定

擬建橋位岸坡整體穩(wěn)定，橋位地形較復(fù)雜，橋梁跨越一V型河谷，兩岸縱坡較陡，地形起伏較大，局部存在裂隙、順層陡崖的情況。為保證主塔的安全性，主塔設(shè)置位置避開(kāi)不良地質(zhì)段，切留有一定的安全距離。橋梁孔跨布置時(shí)，為保證結(jié)構(gòu)安全，減小施工風(fēng)險(xiǎn)，考慮到縱橫坡的影響及橋梁下部結(jié)構(gòu)尺寸，橋梁主跨不應(yīng)小于580 m。

2 橋型方案

對(duì)于主跨580 m的大跨徑橋梁，采用疊合梁斜拉橋相對(duì)鋼桁梁懸索橋造價(jià)低，基礎(chǔ)施工對(duì)環(huán)境的破壞小，因此最終研究推薦方案的主跨580 m疊合梁斜拉橋方案。根據(jù)橋位處的地質(zhì)地形條件，方案階段研究了3種不同主梁截面的方案。三個(gè)方案主跨580 m均采用疊合梁主梁，不同的是在邊跨上主梁有所不同。

方案一邊跨部分采用混凝土π型梁(距離梁端90.1 m范圍)，部分采用疊合梁(距主塔105.4 m范圍)。橋跨布置為6×40 mT梁+(83.5+113+580+113+83.5)m混合式疊合梁斜拉橋，橋梁全長(zhǎng)1 227.4 m。主橋邊跨/中跨=0.339。主梁疊合梁部分采用橋面吊機(jī)吊裝施工，邊跨混凝土主梁采用支架現(xiàn)澆施工。

方案二邊跨全部采用混凝土π型梁，橋跨布置上和方案一相同，布置為6×40 mT梁+(83.5+113+580+113+83.5)m混合式疊合梁斜拉橋，橋梁全長(zhǎng)1 227.4 m。

方案三邊跨全部采用疊合梁主梁，由于上部均采用疊合梁，根據(jù)邊跨配重的需要，邊跨/主跨一般都在0.4以上，(國(guó)內(nèi)松花江大橋?yàn)?.536，觀音巖大橋?yàn)?.44，青州閩江大橋?yàn)?.428，紅水河大橋?yàn)?.42)，按目前最小的0.42的邊中跨比，最終邊跨確定為242 m。橋跨布置為5×40 mT梁+242+580+242 m疊合梁斜拉橋，橋梁全長(zhǎng)1 280.4 m。

方案一和方案二的優(yōu)點(diǎn)是：混合式疊合梁斜拉橋能較好的滿足地形，黔西岸不需要開(kāi)挖進(jìn)山體架設(shè)主梁，不與黔西岸服務(wù)區(qū)發(fā)生干擾?？筛鶕?jù)調(diào)整截面的尺寸即可滿足中跨配重的需要。黔西岸現(xiàn)澆段主梁支架最高40 m左右，臨時(shí)措施費(fèi)較低。本方案主梁工程造價(jià)估算略低。缺點(diǎn)是：息烽岸現(xiàn)澆段支架高度高，高支架的施工風(fēng)險(xiǎn)很大。另外，由于息烽岸現(xiàn)澆支架高，臨時(shí)措施費(fèi)高，施工臨時(shí)措施成本控制難度較大。

方案三的優(yōu)點(diǎn)是：上部主梁全部采用橋面吊機(jī)吊裝施工，施工經(jīng)驗(yàn)成熟，施工風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)頂推、支架現(xiàn)澆主梁的施工風(fēng)險(xiǎn)小。缺點(diǎn)是：黔西岸邊跨地形陡峭，若采用242 m的邊跨則主梁伸進(jìn)挖方路段50 m左右，與地形不太協(xié)調(diào)。

綜上分析，在工程造價(jià)出入不大的情況下，方案三的全疊合梁方案施工安全，工程臨時(shí)措施費(fèi)可控，因此施工圖階段采用主跨580m全疊合梁斜拉橋方案作為本橋設(shè)計(jì)方案。

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 全橋靜力計(jì)算

主橋采用橋梁博士計(jì)算軟件，以平面桿系計(jì)算圖示進(jìn)行靜力分析。模型共有617個(gè)單元，528個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中鋼梁和主塔均采用梁?jiǎn)卧M，斜拉索采用索單元模擬，程序自動(dòng)計(jì)入斜拉索垂度效應(yīng)產(chǎn)生的非線性影響。施工階段：劃分198個(gè)階段模擬。 邊界條件：施工階段：塔墩墩底固結(jié)、塔梁臨時(shí)固結(jié)；成橋階段：塔墩墩底固結(jié)，塔梁、邊墩和輔助墩豎向約束。

由于本橋邊跨較小，根據(jù)梁?jiǎn)卧?jì)算模型，結(jié)果表明在過(guò)渡墩頂支點(diǎn)處鋼主梁下緣壓最大，達(dá)到207 MPa，其它部位應(yīng)力水平均較小。為了降低鋼主梁在此支點(diǎn)處的局部應(yīng)力，在支座上鋼板與鋼梁下緣之間設(shè)置了50 mm厚的鋼板墊層，以擴(kuò)散支座集中力。

3.2 抗風(fēng)穩(wěn)定性分析

六廣河大橋跨越峽谷，橋面距水面高度達(dá)330 m，峽谷風(fēng)對(duì)橋梁的影響較大，有必要開(kāi)展抗風(fēng)性能的各項(xiàng)研究。本項(xiàng)工作在同濟(jì)大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室完成。

(1)顫振穩(wěn)定性分析

利用已計(jì)算出的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性及各個(gè)風(fēng)攻角下的氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)進(jìn)行顫振三維耦合顫振穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算，其計(jì)算分別選取的對(duì)主梁顫振影響較大的豎彎和扭轉(zhuǎn)振型。通過(guò)顫振分析可以得到各個(gè)不同風(fēng)攻角下的主梁各階模態(tài)頻率與阻尼隨風(fēng)速變化曲線。

通過(guò)計(jì)算分析將三維耦合顫振穩(wěn)定性分析結(jié)果，成橋顫振臨界風(fēng)速-3°時(shí)為92.3 m/s，0°時(shí)為71.0 m/s，+3°時(shí)為60.4 m/s，均小于成橋顫振檢驗(yàn)風(fēng)速55.3 m/s。施工顫振臨界風(fēng)速-3°時(shí)為90.0 m/s，0°時(shí)為67.5 m/s，+3°時(shí)為63.8 m/s，均小于成橋顫振檢驗(yàn)風(fēng)速53.5 m/s。該橋顫振穩(wěn)定性滿足要求。

(2)渦振穩(wěn)定性檢驗(yàn)

針對(duì)本橋的主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面進(jìn)行了節(jié)段模型測(cè)振風(fēng)動(dòng)試驗(yàn)，利用加勁梁節(jié)段模型模擬成橋狀態(tài)、施工狀態(tài)斷面形式。節(jié)段模型渦振風(fēng)洞試驗(yàn)包括-3度、0度和+3度風(fēng)攻角，渦振試驗(yàn)工況主要都在均勻流場(chǎng)中進(jìn)行，針對(duì)設(shè)計(jì)斷面還展開(kāi)了紊流場(chǎng)下的渦激振動(dòng)測(cè)試，試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容為渦激共振風(fēng)速及其響應(yīng)。

成橋狀態(tài)的均勻流場(chǎng)風(fēng)洞試驗(yàn)中觀測(cè)到了明顯的渦振。其中風(fēng)攻角-3°，渦振出現(xiàn)風(fēng)速區(qū)11～14 m/s，最大振幅0.075 m；風(fēng)攻角0°，渦振出現(xiàn)風(fēng)速區(qū)12～15 m/s，最大振幅0.089 m；風(fēng)攻角+3°，渦振出現(xiàn)風(fēng)速區(qū)18～26 m/s，最大振幅0.06 m，均滿足規(guī)范要求。扭轉(zhuǎn)渦振只有在風(fēng)攻角-3°，風(fēng)速區(qū)12～25 m/s時(shí)出現(xiàn)最大扭轉(zhuǎn)0.075°，0°和+3°風(fēng)攻角下未發(fā)現(xiàn)明顯渦振。

成橋狀態(tài)的紊流場(chǎng)風(fēng)洞試驗(yàn)中未觀測(cè)到了明顯的渦振，說(shuō)明實(shí)際情況下結(jié)構(gòu)發(fā)生渦振的可能性很小。

3.3 抗震分析

地震響應(yīng)分析采用動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法，所采用的地震動(dòng)參數(shù)根據(jù)《六廣河特大橋工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)》所提供的地震動(dòng)參數(shù)，分別計(jì)算了E1(對(duì)應(yīng)50年超越概率10%)、E2(對(duì)應(yīng)50年超越概率2%)作用下結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。地震輸入采用兩種方式：(1)縱向+豎向；(2)橫向+豎向。豎向加速度的時(shí)程曲線與水平加速度的一致，加速度峰值為水平加速度峰值的0.65倍。經(jīng)驗(yàn)算地震力+恒載作用下主塔主要控制截面結(jié)構(gòu)承載能力滿足要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

山區(qū)大跨徑斜拉橋的設(shè)計(jì)受地質(zhì)、地形、運(yùn)輸條件的約束往往很大，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需認(rèn)真調(diào)研、分析橋位及附近區(qū)域內(nèi)的各種控制因素，確保方案安全、可行，因地適宜的選擇橋梁結(jié)構(gòu)形式和施工方法，本橋的設(shè)計(jì)希望為其他類似條件下的橋梁方案提供參考。

[1] 王伯惠. 斜拉橋結(jié)構(gòu)發(fā)展和中國(guó)經(jīng)驗(yàn)[M]. 北京：人民交通出版社，2003.

[2] 曹忠強(qiáng). 懷邵衡鐵路跨資江獨(dú)塔混合梁斜拉橋方案設(shè)計(jì)研究[J].交通科技，2014,(3).

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[4] 林元培. 斜拉橋[M]. 北京：人民交通出版社，1997.

2016-04-12

劉建軍(1978-)，男，高級(jí)工程師，主要從事大跨徑橋梁設(shè)計(jì)。

貴州省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2013-122-000。

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1008-3383(2016)08-0113-02