李國普，宋新安

（河南省交通規(guī)劃設計研究院股份有限公司，河南 鄭州 450052）

江油市乾元山哪吒大橋總體設計

李國普，宋新安

（河南省交通規(guī)劃設計研究院股份有限公司，河南 鄭州 450052）

該橋結構形式為雙塔單跨簡支懸索橋，標準跨徑252 m。加勁梁采用鋼桁架；橋塔采用混凝土；錨錠采用巖隧錨；上下游主纜分別采用兩股成品索，單股無應力索長416.52 m；吊桿采用成品索；橋面凈寬6.5 m；雙向2車道。敘述了哪吒大橋的設計過程和創(chuàng)新理念，可為100～300 m跨徑的車行地錨懸索橋設計提供參考借鑒。

懸索橋；鋼桁架；成品索主纜；后錨室

1 項目背景

江油市位于四川省綿陽市北部，為綿陽市管轄縣級市，轄40個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總人口約87.8萬。江油西連北川縣、北接青川縣，距“5.12”汶川大地震震中約120余km，是河南省對口支援恢復重建的重災地區(qū)。江油市是成都—九寨—黃龍旅游大環(huán)線北段的省級歷史文化名城，旅游資源十分豐富，十一五規(guī)劃提出了“工業(yè)興市、旅游強市”的發(fā)展戰(zhàn)略，著力打造文化旅游產業(yè)，使之成為支柱產業(yè)?！?.12”強烈地震給江油市基礎設施造成嚴重破壞，旅游業(yè)損失嚴重。乾元山景區(qū)內道路交通破壞嚴重，區(qū)內居民對外交通極為不便。為恢復、振興當地旅游業(yè)，解決景區(qū)內居民出行，完善景區(qū)道路、橋梁設施勢在必行。

2 工程概述

乾元山風景區(qū)哪吒大橋是河南省對口支援江油恢復重建第三批實施項目。乾元山風景區(qū)位于江油市西北，距江油市18 km，是四川省省級風景名勝區(qū)，具有深厚的哪吒文化底蘊。通口河沿景區(qū)西側由北向南，S302公路沿河西岸蜿蜒而行，是江油通往北川縣的唯一通道，哪吒大橋橫跨狹長的通口河，是連接西岸S302與東岸核心景區(qū)的唯一橋梁。橋位西岸為北川縣通口鎮(zhèn)幸福村，東岸為江油市含增鎮(zhèn)青合村。橋位距下游通口水電站大壩約2 km，位于庫區(qū)，上游距唐家山堰塞湖約24 km。項目于2009年9月開始設計、同年12月開工、次年8月竣工（見圖1），設計周期短、技術難度大是本橋的主要特點。

圖1 哪吒大橋

通口河兩岸山峰山勢陡峻，懸崖陡壁眾多，呈“V”型山間河谷，水深45 m，水面與河岸高差26 m，地質為巖溶較為發(fā)育的石灰?guī)r。區(qū)內無發(fā)震斷裂存在，地震主要受汶川、茂縣、北川震源影響。本區(qū)地震動峰值加速度為0.12 g，地震反應譜周期為0.40 s，對應抗震設防烈度為7度。根據兩岸地形、地質、河岸穩(wěn)定、橋頭兩端接線情況，通過現場初步踏勘和測量，按照橋長較短、岸坡穩(wěn)定、地質條件較好的原則，方案設計階段選擇了兩個可行的橋位比選論證。

（1）橋位一：位于通口水電站大壩上游2 km，兩岸間距237.8 m，西岸與S302交叉，岸坡陡峭，S302平臺寬度17.5 m。東岸地形較為平緩。兩岸岸坡基巖穩(wěn)定，地質條件較好，可以布置橋塔，兩岸高差5.8 m，適合橋梁和接線布置。

（2）橋位二：位于大壩上游約1 km處，河岸寬約200 m，西岸臨S302平臺寬約50 m，基巖穩(wěn)定。東岸地形較為平緩，兩岸高差較大，約20 m，東岸橋頭引道填高太大，需增加較大的橋長。

（3）結論：橋位一河寬適中、橋長短、接線較合理、地質條件好，具有明顯的優(yōu)勢，故最終選擇該橋位建橋。

3 橋型比選

橋位區(qū)河段為V型河谷，水深45 m，水面與河岸高差26 m。從地形、地質、水文條件及施工難度、經濟性方面考量，不具備修建梁式橋的條件。拱橋、斜拉橋和懸索橋橋型是均能適應該橋位地質、地形條件，跨越能力強，能避免高墩而達到跨越深谷的目的。

（1）拱橋方案

根據地形、地質條件，適合單跨上承式或中承式拱橋，跨徑約220 m，采用纜索吊裝施工，主拱可采用預制鋼筋混凝土或鋼箱、鋼桁拱肋。預制鋼筋混凝土拱圈需要較大的施工場地，混凝土塊件重量較大，需要大型的纜索吊裝設備，施工費用高[1]，同時該方案有大量的拱上立柱和橫梁，又為高空作業(yè)，施工難度大，工期長，施工安全不易保障。若采用鋼拱橋，橋梁造價與懸索橋相比不具有明顯優(yōu)勢。從抗震方面考慮，拱橋方案的弱點是抗震性能較弱，不適合在地震活躍區(qū)修建。

（2）斜拉橋方案

根據橋位地形現狀，只能采用獨塔斜拉橋方案，橋塔布置在東岸岸邊，主跨跨徑250 m，需要配邊跨，經濟性差。從斜拉橋受力特點看，加勁梁要承受斜拉索水平分力產生的軸向壓力，要求加勁梁具有較大的壓彎剛度，加勁梁可采用預應力混凝土或鋼箱梁，因250 m獨塔斜拉橋已屬大跨徑斜拉橋，采用混凝土加勁梁因自重大，大大增加了斜拉索用量，對大跨徑斜拉橋不經濟；采用鋼箱梁加勁梁雖然減少了自重，但鋼箱梁用鋼量較大，與懸索橋相比也不經濟。因此，斜拉橋方案不可取。

（3）懸索橋方案

采用雙塔單跨懸索橋，能夠充分利用V型峽谷地形特征，跨徑252 m，橋塔坐落在兩岸穩(wěn)定基巖上，西岸橋塔緊鄰S302公路及陡峭山崖，主纜采用隧道錨碇錨固于山體上，東岸地形較為平坦、部分基巖裸露，也可采用隧道錨碇錨固在基巖內。為降低橋梁自重，加勁梁采用鋼桁架，懸索橋施工技術在當地尚屬常規(guī)。該方案是跨越高山峽谷地形通常采用的橋型，能夠最大限度的發(fā)揮橋位地形、地質條件的優(yōu)勢，橋梁造型線條柔美、簡潔，與景區(qū)優(yōu)美的自然環(huán)境融為一體，相得益彰，橋梁建成后將成為景區(qū)標志性建筑，起到畫龍點睛的效果。

通過以上多種橋型比較分析，從技術、經濟和景觀效果考慮，懸索橋方案能充分利用橋位地質、地形特點；造型美觀；結構抗震性能優(yōu)良；施工不需要大型設備；工期、造價適中。采用懸索橋方案具有綜合比較優(yōu)勢（見表1）。

表1 橋型方案比較表

4 總體方案

（1）錨碇作為懸索橋四大部分之一，其土石方和混凝土占懸索橋總工程量的絕大部分。根據橋位地形、地質特點，兩岸均采用隧道錨碇，有效減少開挖量和混凝土方量，降低了橋梁總造價，減小對環(huán)境破壞[2]。

（2）為減少施工工序，縮短工期，經過充分論證比較，主纜采用單側雙根成品索主纜方案。采用此方案，避免了常規(guī)懸索橋施工采用的貓道，縮短工期約2～3個月，降低造價。為本項目如期建成意義重大。

（3）懸索橋加勁肋主要有鋼桁架和鋼箱梁兩種形式，鋼桁架與鋼箱梁相比，在用鋼量、桿件運輸、架設工藝、顫振穩(wěn)定性等方面具有明顯優(yōu)勢[3]?？紤]到本橋橋址附近道路運輸條件極為不便、橋梁寬跨比小，顫振穩(wěn)定性控制設計等因素，本橋加勁梁最終選用鋼桁梁方案。

（4）根據兩岸不同的地形、地質條件，錨碇采用不同的轉索方式，東岸地形較緩，設轉索鞍及基礎；西岸地形較陡，主纜僅設散索套入錨碇，省掉了轉索鞍及基礎，減少開挖。

（5）主纜采用后錨式，穿過錨體預埋管錨固在錨體底部，節(jié)省了前錨式昂貴的連接系統和預應力錨固系統。

5 結構設計

5.1 總體設計

本橋加勁梁采用半漂浮體系，主纜矢高25.2 m，垂跨比為1/10，跨中主纜中心至橋面高2.35 m，東岸邊跨長56.1 m，西岸邊跨長39.5 m。全橋布置61對吊索，吊索間距4.0 m。

5.2 加勁鋼桁梁

鋼桁梁結構用鋼采用Q345C牌號鋼。鋼桁梁由兩片主桁片、上下弦平聯及橫聯桁片組成，主桁片橫向間距7.2 m，主桁上下弦桿中心梁高2.2 m。加勁梁吊點處設橫聯。全橋共有標準梁段60個，標準梁段長4 m，非標準梁段2個，位于梁端，段長4.78 m。桁架桿件間通過節(jié)點板采用高強螺栓連接（見圖2）。

圖2 鋼桁架加勁梁

（1）主桁

主桁由上下弦桿、直腹桿、斜腹桿組成，上、下弦桿采用全焊接箱型截面，鋼板厚度20 mm，截面高350 mm，寬200 mm。直腹桿采用H200 mm× 200mm×8mm型鋼，斜腹桿采用H200mm×200mm× 20 mm型鋼。

（2）橫聯

橫聯是橋面荷載傳遞到主桁的構件。橫聯上弦桿采用高300 mm“H”型鋼，下弦桿采用2L140 mm× 90mm×10mm角鋼，斜腹桿采用2L140mm×90mm× 10 mm與2L100 mm×63 mm×8 mm角鋼，兩端通過高強螺栓節(jié)點板與主桁連接。

（3）上下平聯

上下平聯的主要作用是連接兩片主桁上下弦桿，并參與加勁梁橫向受力。

5.3 主纜

主纜采用高強鍍鋅平行鋼絲成品索，橫橋向間距7.2m，全橋設4根主纜，每側2根。每根主纜由451根φ5 mm鍍鋅鋼絲組成，鋼絲標準強度1 770 MPa，為減小主纜在索鞍處的彎曲應力以及便于裝車運輸，本橋主纜在工廠制作過程中采用3°±0.5°變扭絞角度工藝[4]。主纜成品索外包雙層HDPE護套，外側PE為白色，兩層PE間設置隔離層（見圖3）。在索塔頂設主索鞍支承主纜。主纜通過主索鞍水平轉向,以滿足錨碇隧道間距要求。東岸主纜水平轉角2.708°，西岸主纜水平轉角3.246°。東岸錨碇入口設轉索鞍，西岸錨碇處設散索套。主纜錨固在錨體底端，采用冷鑄墩頭錨具（見圖4）。

圖3 主纜

圖4 主纜錨具

5.4 吊索及索夾

吊索采用鍍鋅平行鋼絲成品索，上下端為冷鑄錨具（見圖5、圖6），通過插耳和銷栓與索夾和主桁上弦桿連接。東、西岸第一根吊索距橋塔中心距離6 m，吊索之間距離均為4 m。全橋吊索共61對，采用19絲φ5 mm鍍鋅平行鋼絲束成品索，鋼絲標準強度為1 770 MPa。吊索采用雙層HDPE護套，兩層PE間設置隔離層。吊索與兩根主纜連接采用整體式索夾，索夾包括兩側左右夾體和中間夾體，根據吊索位置及與主纜的夾角，全橋共分為A、B、C三類索夾：A類索夾長340 mm，共48套；B類索夾長260 mm，共72套；C類索夾長260 mm，共2套（見圖7、圖8）。

圖5 吊索上端

圖6 吊索下端

圖7 索夾

圖8 主纜與索夾

5.5 橋塔與基礎

橋塔造型采用門型塔（見圖9），橋面以上塔高東岸為29.941 m；西岸為32.803 m。橋塔采用C40鋼筋混凝土結構。塔柱截面順橋向寬2.2 m，橫橋向寬1.7 m。塔頂設橫梁，橫梁跨中高2 m，兩端高2.5 m，寬1.8 m。在梁端塔柱上設牛腿，梁端支座置于牛腿頂面。橋塔采用兩階C30鋼筋混凝土擴大基礎，基礎厚3 m，基礎置于弱風化灰?guī)r上。

圖9 橋塔與基礎

5.6 主纜錨固系統

兩岸主纜均采用隧道式錨碇，全橋共4座。隧道錨主體部分包括：鞍室、前錨室、混凝土錨體、錨固系統、后錨室、轉索鞍基礎、豎井等。

（1）鞍室、前錨室

前錨室的主要功能是容納轉索鞍或散索套，并提供足夠空間便于一側兩根主纜分散錨固，同時提供轉索鞍防護、維修保養(yǎng)的操作空間。

（2）錨體

錨體的主要功能是將主纜拉力傳遞到巖體，是隧道錨的主要結構。錨體設計應考慮對錨碇錨固系統的保護作用，自身要有足夠的強度承受纜力和錨固系統的壓力。錨體軸向長22 m，縱斷面為前小后大的楔形；橫斷面采用矩形截面，頂部為園弧形，前錨面開挖尺寸為2.5 m×2.5 m，后錨面尺寸為4 m×4 m。錨體隧道初期支護采用8 cm厚C40噴射混凝土。錨體混凝土采用C40防滲、微膨脹混凝土（見圖10、圖11）。

圖10 東岸錨碇

圖11 西岸錨碇

（3）錨桿

錨桿的主要作用是加強巖層結構面的連接，并作為開挖的初期支護、加強錨體、巖體間的連接、提高錨洞周圍開挖擾動帶的強度。錨桿間距布置為120 cm(橫向)×100 cm（縱向），長2.3 m，錨桿直徑22 mm。

（4）錨固系統

主纜通過轉索鞍轉向后，穿過錨體中預埋的鋼管，錨固于錨體末端后錨面的錨墊板上。

（5）后錨室

后錨室的主要功能是提供進行錨碇錨固系統張拉、維護的空間。后錨室深2.5 m，橫截面與錨體橫截面相同，施工、養(yǎng)護人員通過錨體末端工作豎井出入后錨室。

（6）轉索鞍基礎

東岸轉索鞍基礎座在基巖上，轉索鞍基礎采用C30混凝土，直接承受由主纜作用于轉索鞍的壓力，并傳遞到地基。

5.7 橋面系

橋面寬6.87 m，凈寬6.5 m。橋面板采用⊥型加勁肋正交異性鋼板，加勁肋間距41.5 cm，橋面板上鋪10 mm厚鋼板。鋼板上布置間距20 cm梅花形剪力釘，加強混凝土鋪裝與橋面板的整體性；橋面板上鋪10～13.3 cm厚C40混凝土鋪裝層；橋面橫坡1%，通過混凝土鋪裝層調整橋面橫坡。為方便運輸與安裝，在工廠制作時，橋面板橫向劃分為3塊，分別運輸、吊裝，安裝完成后再將橋面鋼板焊接成整體，橋面板“T”型加勁肋兩端支撐在橫聯上弦桿上，通過螺栓連接，支點處墊10 mm厚高壓石棉板。護欄采用組合鋼護欄，B級防撞等級，護欄柱采用16 mm普通工字鋼，設置兩道“□”100 mm× 100 mm×3 mm方鋼管橫梁（見圖12）。

圖12 橋面板

5.8 支座

因加勁梁在不同的布載情況下會產生正負反力，懸索橋支座應能承受負反力。加勁梁兩端主桁下弦桿下設置連桿式鋼支座，全橋共設4個支座。

5.9 主索鞍、轉索鞍、散索套

（1）主索鞍

主索鞍、轉索鞍、散索套是主纜支承、轉向構件。主索鞍設置于塔頂，將主纜荷載傳給塔身，主要由鞍體、鞍座底板和預埋鋼板組成，鞍體、鞍座底板采用全鑄鋼構件，鞍座底板與預埋鋼板之間設四氟滑板，施工階段通過頂推鞍體消除橋塔兩側主纜不平衡水平力，成橋后鞍座通過預埋螺栓與塔頂固定連接（見圖13）。

圖13 主索鞍

（2）轉索鞍、散索套

東岸錨碇設滾軸式轉索鞍（見圖14），主纜豎向轉向后入錨碇。滾軸能適應主纜由溫變、活載產生的位移。轉索鞍采用全鑄鋼構件，鞍槽采用空間曲線將兩根主纜豎向和水平轉向。西岸錨碇處主纜無豎向轉向，錨碇入口設散索套（見圖15）。轉索鞍、散索套把兩根平行主纜在平面上散開，引至錨碇錨體底部錨固。

圖14 轉索鞍

圖15 散索套

6 橋梁結構分析

本橋結構分析包括總體結構分析和局部構件分析。

總體結構分析采用有限位移理論，包括成橋狀態(tài)分析和施工階段分析兩部分。主要計算分析內容有：主纜線形計算（見圖16）、主纜無應力長度計算、成橋狀態(tài)分析、施工階段分析、多振型反應譜抗震分析、屈曲分析（見圖17）。

圖16 成橋主纜線形

局部構件分析主要內容有：隧道錨碇局部有限元分析、鋼桁架各桿件強度驗算與局部穩(wěn)定性分析、橋塔及基礎結構驗算、主纜與吊索尺寸設計等。

圖17 計算分析流程

結構分析主要采用MIDAS/CIVIL 2006空間分析軟件（見圖18）和ANSYS有限元分析軟件；校核驗算采用BNLAS橋梁結構非線性分析軟件。

圖18 橋梁分析模型

本橋加勁梁寬跨比僅為1/35；高跨比僅為1/114.5，橋址處基本風速為24.5 m/s，風振效應明顯。為了避免發(fā)生類似美國塔可馬大橋的毀滅性破壞，顫振穩(wěn)定性分析成為本橋設計的重點。經研究發(fā)現（見圖19），影響本橋顫振穩(wěn)定性的可調設計參數主要有主纜垂跨比和加勁肋高度[5]?？紤]到經濟性、后期養(yǎng)護要達到“可到、可檢、可修”的目標，以及橋梁外形宜挺拔、美觀等方面因素，經過綜合比選，最終采用垂跨比1/10和加勁梁高度2.2 m為最終設計方案。

圖19 不同梁高的一階反對稱扭轉振動頻率隨垂跨比的變化趨勢

鋼桁架各桿件按容許應力法驗算、橋塔按鋼筋混凝土構件驗算。計算結果表明橋梁各受力構件均滿足要求，主要內容如下：主纜最大應力705 MPa，安全系數大于2.5；吊索應力586 MPa，安全系數大于3（見圖20）。

圖20 吊桿索力

7 結語

目前國內在100～300 m跨徑區(qū)間內修建的車行地錨式懸索橋尚不多見，哪吒大橋有許多設計細節(jié)值得借鑒，主要如下：

（1）主纜采用成品索，減少了貓道的施工措施，不但節(jié)約了造價，而且大幅縮短了施工工期。

（2）主纜采用四股成品索，主要有以下幾個優(yōu)點：

a.減小了主纜直徑，從而削減了彎曲應力的不利效應；

b.主纜運輸過程中，盤索直徑達到3.5 m，使700多m長的主纜經過1 400 km的路程，方便地運輸至施工現場；

c.兩側主纜分別由兩股成品索組成，為更換主纜創(chuàng)造了有利條件，改變了工程界普遍認為主纜不可更換的傳統理念。

（3）主纜在工廠制作時，采用3°～5°轉角的平行鋼絲擠密成型，進一步減小了主纜的彎曲應力和盤索半徑。

（4）將主纜直接錨固于后錨室，降低了施工技術難度、節(jié)省了前錨式昂貴的連接系統和預應力錨固系統。

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U448.25

B

1009-7716（2016）05-0066-06

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.018

2016-01-14

河南省交通科技重點項目（2011PII07）。

李國普（1980-），男，河南清豐人，工程師，從事橋梁結構設計工作。