余茂峰，沈小雷

(浙江省交通規(guī)劃設計研究院，杭州　310006)

紹興濱海大橋自錨式懸索橋設計簡介

余茂峰，沈小雷

(浙江省交通規(guī)劃設計研究院，杭州310006)

摘要：紹興濱海大橋主橋橋型為3跨連續(xù)半漂浮鋼箱梁自錨式懸索橋。簡要介紹該橋的結(jié)構(gòu)特點、構(gòu)造設計及關鍵構(gòu)造處理措施。

關鍵詞：自錨式懸索橋；鋼箱梁；設計

1工程概況[1]

濱海大橋是紹興濱海新城展望大道上的一座大型橋梁，全長約2 km。主橋長343.6 m，寬43.2 m，雙向8車道，兩側(cè)各設3 m人行道。該橋跨越曹娥江，橋位處水深達6～7 m。橋下通航凈空要求：單向通航凈寬108 m，雙向通航凈寬174 m，通航凈高按設計最高水位以上23 m控制。橋址位于寧紹平原北部，曹娥江與杭州灣交匯處，屬臺風影響區(qū)。設計基準風速39 m/s，地震基本烈度為Ⅵ度。

2主橋總體設計[1-2]

濱海大橋主橋采用3跨連續(xù)半漂浮自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)，跨徑布置為77.8 m+188 m+77.8 m，總長343.6 m。加勁梁采用鋼箱梁，梁高3.2 m。主纜采用預制平行鍍鋅鋼絲索股，橫向共布置2根，其通過散索套分散后錨固于鋼箱梁梁端，梁端設置壓重混凝土；主纜中跨矢跨比為1/5。吊索采用高強平行鍍鋅鋼絲，PE套防護，標準間距9.6 m；吊索上端與索夾采用銷接式連接，下端與鋼箱梁采用承壓式連接。橋塔采用H型索塔結(jié)構(gòu)，塔柱為鋼筋混凝土構(gòu)件，橫梁為預應力鋼筋混凝土構(gòu)件，塔基采用承臺加樁基礎。主塔橫梁設2個豎向拉壓支座、2個側(cè)向抗風支座及縱向阻尼器。邊跨主梁梁端設2個豎向拉壓支座。濱海大橋主橋結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

3結(jié)構(gòu)部位設計[1-2]

3.1索塔與基礎

索塔采用不設上橫梁的“H”型結(jié)構(gòu)，索塔總高65.05 m(不計塔頂索鞍高度)。索塔由上、下塔柱及橫梁組成，上塔柱高43 m，下塔柱高17.55 m，上下塔柱間為一橫梁，高4.5 m。上下塔柱及橫梁均采用C50混凝土。

上塔柱為等截面六邊形空腔結(jié)構(gòu)，壁厚0.6 m，橫橋向?qū)?.4 m，順橋向?qū)?.926 m。下塔柱為變截面六邊形空腔結(jié)構(gòu)，壁厚0.8 m，橫橋向?qū)挾扔?.4 m漸變至4.45 m，順橋向?qū)挾扔?.926 m漸變至5.141 m。下塔柱2.3 m范圍內(nèi)為實體段，上下塔柱均為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。為有效擴散塔頂主索鞍傳遞的巨大壓力，塔頂設有3.5 m漸變段，塔冠設有2.5 m高實體段。

圖1　濱海大橋主橋立面布置示意

橫梁理論跨度為35.6 m，采用箱形斷面，寬3.926 m，高4.5 m，腹板厚0.6 m，頂、底板厚0.5 m。在橋梁中心線處及箱梁支座處設3道橫隔板，橫隔板厚0.6 m。橫梁頂板和橫隔板設有進人孔。橫梁頂板配置4束15Φs15.2 mm鋼絞線，底板配置6束15Φs15.2 mm鋼絞線，腹板配置8束15Φs15.2 mm鋼絞線，所有鋼絞線1次張拉完成。

主塔基礎采用分離式鉆孔樁基礎。承臺厚4.0 m，每一承臺順橋向長13 m，橫橋向?qū)?2 m。2承臺間用3道系梁聯(lián)成整體，系梁斷面尺寸為1.5 m(寬)×2.5 m(高)。系梁間設置3道橫撐，橫撐斷面尺寸為1 m(寬)×1.5 m(高)。塔座厚1.6 m，順橋向長11.9 m，橫橋向?qū)?.0 m，四角設1.5 m×1.5 m倒角。每一承臺下設9根直徑為1.8 m鉆孔灌注樁，樁長80 m。

由于未設置上橫梁，故成橋狀態(tài)下塔柱頂截面(位于橫梁交界位置)在下橫梁自重和鋼箱梁支點反力作用下，會產(chǎn)生微小轉(zhuǎn)角位移，理論上會導致塔頂產(chǎn)生約20 mm的內(nèi)側(cè)水平位移，而在橫梁預應力作用下塔頂會產(chǎn)生約6 mm的外側(cè)水平位移，上述位移在上塔柱施工過程中應予以糾正。

下塔柱、橫梁、承臺形成框架結(jié)構(gòu)，成橋狀態(tài)下塔柱橫橋向受力取決于橫梁自重、鋼箱梁成橋恒載支點反力和橫梁預應力三者的組合效應，故應合理選擇橫梁截面及其預應力配置，以使成橋狀態(tài)下下塔柱橫橋向受力處于較優(yōu)狀態(tài)。索塔構(gòu)造如圖2所示。

3.2索鞍

塔頂索鞍座體采用全鑄式肋傳力結(jié)構(gòu)，整體鑄造并吊裝，材質(zhì)為ZG230-450。座體承纜槽寬256 mm，傳力縱肋按單肋設計，肋板厚60 mm。縱肋單側(cè)設置了7道橫向加勁肋并按扇形布置，加勁肋板厚50 mm；并設置了1道水平加勁肋，其厚35 mm。

圖2　索塔構(gòu)造示意

索鞍座體高度1.535 m，主要考慮主纜與塔頂邊緣之間留有適量間隙(包括施工索鞍偏移狀態(tài))。鞍槽底部為2 275 mm半徑的圓弧槽，超過主纜與圓弧的切點后，接半徑1 000 mm圓弧段。在槽底和側(cè)壁的端部倒10 mm半徑的圓角以保護主纜鋼絲。

索鞍座板也采用全鑄結(jié)構(gòu)，座板長3 300 mm，寬1 860 mm。座板采用肋板結(jié)構(gòu)，順橋向設置4道橫肋，橫橋向設置2道縱肋，板肋總高度為200 mm，底板厚50 mm。為便于塔頂混凝土的澆筑和振搗，在座板縱橫肋形成的每個隔室內(nèi)均開設直徑100 mm的圓孔。塔柱施工時，塔頂段預留500 mm，先將座板按監(jiān)控單位提供的標高進行定位和固定，并對座板頂面進行臨時防護，然后澆筑塔頂段混凝土并振搗密實。座板兩側(cè)通過10根M48錨栓與塔頂混凝土固結(jié)。

索鞍座體底面與座板頂面需進行機加工，其摩擦系數(shù)不得大于0.1，以便于架設鋼箱梁時座體的頂推。為增加主纜與鞍槽間的摩阻力，鞍槽內(nèi)設置了豎向隔板，待索股全部就位并調(diào)股后，在索股頂部用鋅塊填平，并將鞍槽側(cè)壁用螺栓夾緊。

索鞍座體與座板之間在成橋后通過側(cè)面和端部角鋼進行栓接固定。塔頂索鞍構(gòu)造如圖3所示。

圖3　塔頂索鞍構(gòu)造示意

3.3主纜[3]

濱海大橋采用雙索面結(jié)構(gòu)，單根主纜由19根91絲Φ5.1 mm鍍鋅高強鋼絲組成，鋼絲抗拉強度為1 670 MPa。主纜在索夾內(nèi)空隙率為18%，主纜直徑234 mm；在索夾外空隙率為20%，直徑為237 mm。主纜施工采用預制平行索股法(PPWS)，架設時19束索股按尖頂正六邊形排列，架設完成后擠成圓形。

索股錨頭采用套筒式熱鑄錨，錨杯上設有螺紋調(diào)節(jié)索股長度。錨杯長380 mm，外螺紋Tr190 mm×8 mm，螺母直徑260 mm。錨杯及螺母材質(zhì)均采用40 Cr。

主纜外表面采用多層長效防腐系統(tǒng)。主纜經(jīng)壓實后，在索夾之間的范圍內(nèi)，先用密封膏嵌縫，再纏以Φ3.1 mm的鍍鋅軟質(zhì)鋼絲，最后再涂多層防護漆。

根據(jù)設計要求，進行了主纜索股破斷荷載的靜載試驗，試驗結(jié)果表明[4]，按破斷荷載拉伸且持荷5 min情況下，試驗索絲股無斷絲，卸載后鑄體及錨具無異常。主纜構(gòu)造如圖4所示。

圖4　主纜構(gòu)造示意

3.4吊索[3]

吊索采用Φ7 mm預制平行鋼絲束，外包雙層PE防護，兩端均采用冷鑄錨。吊索上端設置耳板與索夾通過銷軸連接；下端與鋼箱梁通過球形墊板和球形螺母承壓連接，且下端錨杯上設有螺紋調(diào)節(jié)吊索長度。吊索標準間距9.6 m，邊跨短吊索采用91絲，其余均采用73絲。

吊索錨具及耳板材料采用40 Cr。耳板連接銷栓材料采用40 CrNiMoA，耳板厚87和97 mm，銷軸直徑為100和110 mm。根據(jù)設計要求，進行了吊索破斷荷載的靜載試驗、疲勞和防滲漏試驗，試驗結(jié)果表明[4]，按破斷荷載拉伸且持荷2 min情況下，試驗索絲股無斷絲，卸載后鑄體及錨具無異常。200萬次脈沖加載后，試驗索護層無損傷，兩端錨頭無裂紋，無明顯變形，無異常。在試驗索完成疲勞試驗后，繼續(xù)對其進行水密性試驗，檢驗結(jié)果表明索體錨頭組件防滲漏符合要求。

3.5索夾

索夾采用銷接式，左右兩半聯(lián)接，壁厚均為35 mm。索夾分2類，一類為吊點處索夾，下端設有耳板與吊索聯(lián)接，耳板厚度60 mm，兩側(cè)在開孔周邊另外加設10 mm加勁；另一類為緊固索夾。索夾內(nèi)壁半徑117 mm，索夾兩半采用鋸齒形接縫，接縫留有10 mm空隙，以適應主纜空隙率與設計空隙率不一致引起的主纜直徑誤差。索夾材料采用ZG20SiMn，整體鑄造。

索夾螺桿光面直徑為40 mm，螺紋直徑為42 mm，單根螺桿張拉為55 t。分別在索夾安裝時、全橋體系轉(zhuǎn)換完成和成橋3個階段進行張拉或補足拉力。

由于濱海大橋主纜索股直徑較小，故為驗證索夾的實際抗滑移性能進行了抗滑移性能試驗。試驗按照實橋主纜實際斷面構(gòu)成制作節(jié)段試驗模型，以實橋索夾為特測對象，用千斤頂?shù)捻斖屏δM索夾的下滑力。根據(jù)多次測試[5]，得到試驗索夾最大摩擦系數(shù)μ約為0.22，而JTG/T D65-05—2015《公路懸索橋設計規(guī)范》規(guī)定μ取值為0.15[6]，說明索夾能滿足原設計抗滑移要求。索夾抗滑移試驗總體布置如圖5所示。

圖5　索夾抗滑移試驗總體布置示意

3.6散索方式

散索套在實橋中采用較少，大跨徑懸索橋采用散索套的有美國金門大橋、丹麥小貝爾特橋，我國西南地區(qū)小跨徑懸索橋也有散索套的應用實例。散索套會使邊跨主纜的計算長度加長，邊跨主纜的任何位移或變形將直接反映到主纜索股的錨固結(jié)構(gòu)上。

濱海大橋散索套結(jié)構(gòu)與索夾基本相同，其壁厚35 mm，曲線段散索半徑為2 000 mm。材料采用ZG20SiMn，整體鑄造。

空纜狀態(tài)和成橋狀態(tài)下散索點的豎向位置偏差約30 cm。受錨箱空間的限制，架設主纜時，散索套需預先臨時固定于成橋狀態(tài)下的設計位置，并通過合理選擇體系轉(zhuǎn)換時吊索張拉順序來減小臨時固定構(gòu)造的受力。待體系轉(zhuǎn)換完成后，拆除臨時固定構(gòu)造。

3.7主纜錨固設計

主纜錨固設計是濱海大橋設計的一大特點。其設計原則包括：1) 減小錨面尺寸以簡化鋼梁構(gòu)造；2) 集中力傳力直接可靠；3) 錨固集中力有效擴散至鋼梁全截面，力的傳遞途徑清晰。

根據(jù)主纜橫向布置，在鋼箱梁外腹板外側(cè)設置п形錨箱，錨箱中心離鋼箱梁外腹板1.95 m。為確保錨箱受力能傳遞至整個鋼箱梁截面，在鋼箱梁箱室內(nèi)對應于錨箱位置設置п形錨梁。錨箱主要由上下蓋板、內(nèi)外腹板、隔板、加勁板焊接而成。其中，腹板厚36和20 mm，順主纜方向長3.0 m；蓋板厚40 mm。主纜軸向力經(jīng)由錨箱蓋板和內(nèi)外腹板傳至鋼箱梁外側(cè)腹板以及鋼箱箱室內(nèi)錨梁上，軸向力產(chǎn)生的彎矩由錨箱及錨梁上下蓋板承擔。由有限元模擬分析可知，該結(jié)構(gòu)在各板件交接區(qū)域存在應力集中現(xiàn)象，尤其對于受拉焊縫(如蓋板與鋼箱外腹板的焊縫)，為減小應力集中區(qū)域，必要時應增設加勁，使受力傳遞范圍更廣。另外，由于錨箱為懸挑結(jié)構(gòu)，錨箱整體變形較大，最大變形達到了15 mm。

另外，設計時需注意：1) 主纜索股在散索套位置分散為19根索股分別錨固于錨板上，錨箱內(nèi)索股呈發(fā)散狀，故錨箱的腹板應順索股方向布置，且與索股之間應預留足夠的空間，以適應活載作用下索股的上下位移；2) 錨板面與中心索股成垂直狀態(tài)，與其它索股必存在夾角，故為保證錨杯的錨圈與錨板垂直傳力，需設置楔形墊塊；3) 錨板上錨孔不宜與錨板面垂直開設，應與各索股的空間角度一致，且錨孔直徑宜大于主纜錨杯外徑5 mm以上。錨箱構(gòu)造如圖6所示。

3.8主梁[7]

濱海大橋上部梁體全部采用鋼箱梁，長343.6m；中跨位于5 000 m半徑的豎曲線上，兩側(cè)接 2.2%的縱坡。鋼箱總寬43.2 m，設2%的橋面橫坡，底部平底板寬22.8 m，兩側(cè)斜底板各寬4.45 m。橋梁中線處梁高3.2 m。鋼梁標準節(jié)段長度9.6 m，全橋共分38個鋼箱節(jié)段，其中標準段共28個，分為2種。

圖6　錨箱構(gòu)造示意

鋼箱梁頂面鋼板厚14 mm，頂板U肋間距600 mm板厚8 mm，橫梁間距3.2 m，組成正交異性結(jié)構(gòu)的鋼橋面板。箱梁底板厚12 mm，底板U肋間距800 mm板厚6 mm。箱梁采用單箱3室截面，2道外腹板厚16 mm，間距為31.7 m；2道內(nèi)腹板厚12 mm，間距15.7 m。吊索錨固在橫梁端挑臂上。鋼箱梁斷面布置如圖7所示。

圖7　鋼箱梁橫斷面布置示意

另外，設計時需注意[8]：1) 若鋼主梁采用步履式連續(xù)頂推方案施工，則應根據(jù)臨時墩的布置間距、導梁尺寸等，核算鋼箱梁底板和腹板的局部承壓能力。若需增加臨時加勁，則宜按永久加勁進行整體設計。2) 受主梁縱面制作線型的影響，橫隔板不宜與頂?shù)装宕怪卑惭b，而應按鉛垂方向安裝，以保證錨管始終為鉛垂。3) 錨管內(nèi)徑應結(jié)合體系轉(zhuǎn)換過程中吊索可能產(chǎn)生的最大偏角來確定，以防止施工過程中吊索或張拉端錨杯與錨管相沖突。

4結(jié)束語

自錨式懸索橋具有結(jié)構(gòu)獨特、輕盈美觀的景觀特色，目前在國內(nèi)已得到較多的應用。本文介紹了紹興濱海大橋總體及各部位的設計，以及一些關鍵構(gòu)造的處理措施，可供同類工程參考。

參 考 文 獻

[1]浙江省交通規(guī)劃設計研究院.紹興濱海大橋兩階段施工圖設計文件[Z].杭州：浙江省交通規(guī)劃設計研究院，2010.

[2]錢劍峰，邵福彪，鄭獻章.紹興濱海大橋自錨式懸索橋的構(gòu)思與設計[J].公路交通科技，2006(11)：124-129.

[3]董學武.潤楊長江公路大橋南汊懸索橋纜索系統(tǒng)設計[J].公路，2001(11)：81-84.

[4]江蘇法爾勝材料分析測試有限公司.紹興濱海新城濱海大橋B標主纜、吊索靜載試驗報告[R].南京:江蘇法爾勝材料分析測試有限公司，2013.

[5]江蘇法爾勝材料分析測試有限公司.紹興濱海新城濱海大橋B標主纜索夾預緊及抗滑試驗報告[R].南京：江蘇法爾勝材料分析測試有限公司，2014.

[6]中交公路規(guī)劃設計院.JTG/T D65-05—2015公路懸索橋設計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[7]吳沖.現(xiàn)代鋼橋(上冊)[M].北京：人民交通出版社，2006.

[8]余茂峰，余茂科，葉建龍.鋼箱梁步履式多點連續(xù)頂推施工關鍵技術(shù)及設計要點探討[J].公路交通技術(shù)，2015(2)：99-101，110.

Introduction of Design of Self-anchored Suspension Bridge in Shaoxing Binhai Bridge

YU Maofeng, SHEN Xiaolei

Abstract:Main bridge of Shaoxing Binhai Bridge is a 3-span continuous semi-floating steel box girder self-anchored suspension bridge. This paper introduces structural features and structural design and treatment measures for key structures of this bridge.

Keywords:self-anchored suspension bridge; steel box grider; design

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.03.017

收稿日期：2016-01-15

作者簡介：余茂峰(1979-)，男，安徽省桐城市人，碩士，高工。

文章編號：1009-6477(2016)03-0073-05中圖分類號：U448.25

文獻標識碼：A