羅喜恒

（同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司，上海市 200092）

惠州下角東江大橋主橋設(shè)計

羅喜恒

（同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司，上海市 200092）

惠州下角東江大橋主橋是一座主跨180 m的獨塔雙索面混凝土斜拉橋，采用橫橋向仿天鵝造型混凝土索塔，介紹了總體設(shè)計及其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計，有關(guān)經(jīng)驗可供相關(guān)專業(yè)人員參考。

斜拉橋；獨塔；異形塔；結(jié)構(gòu)設(shè)計

1　橋址概況

下角東江大橋（現(xiàn)名：合生大橋）位于惠州市惠城區(qū)，橫跨東江，南、北引橋分別與下角南路、三新南路銜接，是市區(qū)二環(huán)路的控制工程。工程范圍自南岸樁號K-1+800至北岸樁號K1+860，全長2 060 m，其中橋梁總長約1 682 m，其中主線橋梁總長約1 328 m，匝道橋梁總長約354 m。

橋位處東江河谷寬度約450 m，河床較平緩，中部河谷較深，勘察期間水深2～6 m。河水水位及流量受季節(jié)性影響較大。引橋部分地貌為平原區(qū)，屬于東江一級階地及河漫灘，地形較平坦，南岸下角地段為居民區(qū)；北岸為江邊公園及空地。

東江洪水均由暴雨產(chǎn)生，橋址處歷史最高位水位18.10 m（1959年6月16日），歷史最枯位水位4.28 m（2004年1月30日），10 a一遇設(shè)計洪水位為16.42 m，100 a一遇設(shè)計洪水位為18.00 m，300 a一遇設(shè)計洪水位為18.72 m。

惠州市地處低緯，太陽高、角度大，日照時間長，太陽輻射能量豐富?？拷虾?，季風(fēng)影響明顯雨量充足，四季常青，全年無霜期達(dá)350天左右，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。年平均降雨量1 700 m m，年日照總數(shù)2 000多小時。年平均氣溫21.7℃，月平均最低氣溫10.4℃，月平均最高氣溫29.5℃，極端最低氣溫-1.9℃，極端最高氣溫38.9℃。

惠州風(fēng)速夏小冬大，年平均風(fēng)速2.4 m/s，1月份最大，2月和11月次大，8月最小，歷史最大風(fēng)速27 m/s（1979年8月2日）。12～1月寒潮大風(fēng)多，7月臺風(fēng)多。

橋位地段揭露的地層有第四系人工填土層、沖積層、殘積層、下第三系的泥質(zhì)粉砂巖和砂礫巖。其中下第三系基巖場地普遍分布，巖性為泥質(zhì)粉砂巖和砂礫巖，其中泥質(zhì)粉砂巖屬軟質(zhì)巖石，遇水易軟化，失水易干裂；砂礫巖屬硬質(zhì)巖石。泥質(zhì)粉砂巖與砂礫巖常以互層形式出現(xiàn)。根據(jù)地勘報告，采用樁基礎(chǔ)，以弱風(fēng)化砂礫巖下部層位（④2）或微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（④3）作樁端持力層。在弱風(fēng)化巖帶厚度大的地方，以弱風(fēng)化巖作樁基持力層，在弱風(fēng)化巖帶厚度小的地方，以微風(fēng)化巖作樁基持力層。

橋位地表水屬東江水系，水量豐富，豐水期與枯水期水位相差約8 m。橋位附近地下水主要為第四系砂層孔隙水，含水層為中砂和卵質(zhì)圓礫等，分布廣泛，厚度較大，其透水性及富水性均良好，地下水水量豐富。地下水對混凝土無腐蝕，江水對混凝土具弱腐蝕。

2　主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）橋面寬：主橋標(biāo)準(zhǔn)斷面寬度35.5 m，引橋?qū)挾?1.0 m。

（2）道路等級：城市主干道。

（3）荷載標(biāo)準(zhǔn)：公路-Ⅰ級，人群3.5 kN/m2。

（4）設(shè)計行車速度：主橋V=60 km/h，匝道及地面道路V≯40 km/h。

（5）設(shè)計洪水頻率：300 a一遇 +18.72 m（黃海高程）。

（6）最高通航水位：10 a一遇的洪水位+16.42 m（黃海高程）。

（7）通航等級：國家內(nèi)河Ⅳ級（通航凈高不小于8 m，凈寬不小于150 m，上底寬不小于130 m，側(cè)高不小于5.0 m）。

（8）地震烈度：6度地震區(qū)，采用7度設(shè)防措施。

3　總體設(shè)計

橋址處兩岸大堤間距約640 m，設(shè)計時主通航孔位置根據(jù)廣東省航道局的有關(guān)文件進(jìn)行布置，兩岸大堤之間及跨堤部分引橋采用35 m的跨徑，兩岸大堤以外的引橋采用26 m跨徑。堤外引橋采用35 m預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，堤內(nèi)引橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁方案，圖1為河床范圍的立面布置圖。

圖1　總體布置圖（單位：m）

主橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置為：1.5 m（人行道）+2.0 m（非機動車道）+2.25 m（斜拉索布索區(qū)）+0.5 m（防撞欄桿）+23.0 m（機動車道）+0.5 m（防撞欄桿）+2.25 m（斜拉索布索區(qū)）+2.0 m（非機動車道）+1.5 m（人行道），總寬35.5 m，索塔處局部加寬到38.7 m。

引橋橫斷面布置為：1.5 m（人行道）+2.0 m（非機動車道）+0.5 m（防撞欄桿）+23.0 m（機動車道）+0.5 m（防撞欄桿）+2.0 m（非機動車道）+1.5 m（人行道），總寬31.0 m。

4　主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

主橋為跨徑180 m+101 m+45 m的獨塔雙索面斜拉橋，全長326 m，塔墩梁固接，主梁設(shè)在豎曲線上，豎曲線半徑為8 000 m，南側(cè)接1.2539%的縱坡，北側(cè)接0.3903%的縱坡。索塔采用由直塔柱和斜塔柱組成、無上橫梁的異型索塔，直塔柱和斜塔柱之間設(shè)3 cm厚離縫，并通過預(yù)應(yīng)力束相連；主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土Π形梁，雙向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，斜拉索中心線處的梁高為2.3 m；斜拉索按扇形布置，塔上豎向間距1.8 m，梁上水平間距6.0 m，采用平行鋼絲斜拉索。

4.1主墩基礎(chǔ)及下部結(jié)構(gòu)

索塔承臺分二層，下層高4.0 m，平面上為圓端形的亞鈴形，外形尺寸為為63.0 m×18.4 m，上層高2.0 m，體積約為5 085 m3，為大體積混凝土，下設(shè)44根2.0 m鉆孔樁。

該橋鉆孔樁按端承樁設(shè)計，以弱風(fēng)化砂礫巖（④2）或微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（④3）作樁端持力層。

4.2主塔

索塔造型是斜拉橋景觀效果的最重要載體，本橋采用橫橋向仿天鵝造型混凝土索塔，以大寫意的手法創(chuàng)造性地用抽象的形追求一種神似的效果，塔形似比翼雙飛、曲頸向天的天鵝，寓意妙合惠州“鵝城”之譽，同時也和飛鵝嶺以及西湖天鵝形成呼應(yīng)。

主塔由直塔柱、斜塔柱和下橫梁三部分組成。索塔底面高程8.5 m，塔頂高程127.59 m，索塔總高度為119.09 m，橋面以上塔的高跨比為0.504（見圖2）。

圖2　主塔一般構(gòu)造（單位：m）

直塔柱為互相平行的豎直雙柱，凈距23 m。塔頂部因景觀需要，設(shè)半徑R=808 m曲線形塔冠，塔冠高度從頂部的1.3 m向下變小至0。在標(biāo)高66.073 m位置為與斜塔柱外緣曲線銜接，塔壁加厚0.716 m。因本索塔考慮景觀因素，上部未設(shè)橫梁，為控制塔頂橫橋向位移，在下橫梁下方塔橫橋向尺寸加寬1.2 m。直塔柱橫橋向標(biāo)準(zhǔn)段寬4 m，塔壁加厚處最寬4.716 m，下橫梁下方寬5.2 m；縱橋向等寬7 m（見圖3）。同樣因為景觀需要，直塔柱外表面橫橋向兩個面上設(shè)尖角，尖角突出0.5 m。直塔柱壁厚橫橋向內(nèi)側(cè)厚0.89 m，外側(cè)厚0.8 m；順橋向變厚，在尖角位置厚1.7 m，拉索錨固中心位置厚1.6 m，至邊緣厚1.2m。塔內(nèi)設(shè)0.6 m×0.6 m倒角。塔底部、下橫梁位置、斜直塔柱預(yù)應(yīng)力連接位置和塔頂部設(shè)橫隔板。

圖3　主塔直塔柱標(biāo)準(zhǔn)斷面（單位：m）

斜塔柱總高57.523 m。從底部開始向橋內(nèi)側(cè)傾斜，外側(cè)面的直線段斜率1:4.309 4，標(biāo)高41.428 m以上為半徑R=180 m圓曲線；內(nèi)側(cè)面直線段斜率1: 5.094 9，頂部設(shè)裝飾塊。為避免因斜塔柱而使直塔柱產(chǎn)生太大的橫橋向位移從而對結(jié)構(gòu)安全造成不利影響，斜、直塔柱相接位置設(shè)3 cm分隔縫，解除豎向剪力傳遞，為保證水平力的傳遞和提高直塔柱的穩(wěn)定性，在標(biāo)高46.9 m的橫梁位置處設(shè)水平預(yù)應(yīng)力連接構(gòu)造，同時在斜塔柱施工時設(shè)置一定的水平向預(yù)拱度。斜塔柱橫橋向和縱橋向均變寬，橫橋向從底部的4 m向上逐漸變窄，順橋向從底部的6 m向上線性加寬。斜塔柱橫橋向兩外表面上設(shè)尖角，尖角兩側(cè)的四個斜面的斜率在斜塔柱尺寸變化過程中始終保持不變。斜塔柱橫橋向壁厚0.6 m，順橋向變厚。斜塔柱在底部、下橫梁位置和斜直塔柱連接處設(shè)橫隔板。斜塔柱在標(biāo)高13.5 m處設(shè)置一0.5 m厚橫隔板，以增強其抵抗船舶撞擊的能力。

下橫梁連接直塔柱和斜塔柱，橫橋向形成框架，為預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件。橋中心位置下橫梁高5 m，向兩側(cè)逐漸變低。直塔柱之間部分下橫梁底面水平，斜直塔柱之間部分設(shè)曲線造型。下橫梁頂面設(shè)1.5%雙向坡。直塔柱之間部分為空心斷面，壁厚0.8 m，設(shè)兩道0.5 m橫隔板。斜、直塔柱之間部分為實心斷面。下橫梁順橋向等寬5 m。

4.3主梁

從降低工程造價，便于后期維護，并方便施工考慮，主梁截面除壓重段為箱形斷面和主跨端部設(shè)2.2 m寬的底板外，其余均采用預(yù)應(yīng)力混凝土Π形斷面（見圖4），為雙向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)段主梁寬度35.5 m，梁肋外設(shè)3.1 m懸臂板，斜拉索中心處的梁高為2.3 m，頂面設(shè)1.5%的橫坡。主梁橋面板厚度0.32 m，標(biāo)準(zhǔn)段主梁肋寬2.3 m，索塔根部向兩邊加寬到4.0 m，兩者之間設(shè)18m長的過渡段；主跨端部約58 m范圍主梁肋寬向內(nèi)側(cè)加寬到2.63 m，同時每側(cè)設(shè)置2.2 m長、0.3 m厚的底板，與標(biāo)準(zhǔn)段之間設(shè)12m的過渡段；輔助墩與過渡墩之間的壓重段采用箱形斷面，底板厚度0.3 m，邊跨主梁標(biāo)準(zhǔn)段與壓重段之間設(shè)19.5 m長的過渡段，每側(cè)底板寬度從0變到8.35m。

圖4　主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面（單位：m）

主梁兩肋間設(shè)橫梁，連接梁肋和車行道板使之成為整體。主梁標(biāo)準(zhǔn)段橫梁厚度0.3 m，壓重段的橫梁寬度為0.72 m，輔助墩頂橫梁寬度為1.0 m。

主梁縱向共劃分了44個節(jié)段，分索塔區(qū)0#段、標(biāo)準(zhǔn)梁段、邊跨支架現(xiàn)澆段（含壓重段）、主跨支架現(xiàn)澆段和主、邊跨合攏段。0#段總長30.0 m，標(biāo)準(zhǔn)段（不區(qū)分梁肋寬度的不同）共39個，梁段長6.0 m，邊跨支架現(xiàn)澆段長50.9 m，主跨支架現(xiàn)澆段長6.86 m，主、邊跨合攏段長均為2.0 m。

主梁采用前支點掛籃現(xiàn)澆施工，0#段、邊跨支架現(xiàn)澆段、主跨支架現(xiàn)澆段采用支架現(xiàn)澆施工。由于主梁挑臂長度較大，為方便前支點掛籃的設(shè)計和減小其重量，主梁挑臂可滯后2個節(jié)段澆筑，但挑臂鋼筋的接頭應(yīng)按規(guī)范要求錯開。

主梁按A類部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計，采用C50混凝土。主梁內(nèi)配置的縱向預(yù)應(yīng)力束分為施工階段預(yù)應(yīng)力束和運營階段預(yù)應(yīng)力束兩類。施工階段預(yù)應(yīng)力束有精軋螺紋鋼筋和高強度低松馳鋼絞線2種，每個節(jié)段均間隔錯開張拉錨固，運營階段預(yù)應(yīng)力束采用高強度低松馳鋼絞線。

4.4斜拉索

斜拉索采用標(biāo)準(zhǔn)強度為1 670 M Pa的鍍鋅高強鋼絲斜拉索，錨墊板間的最大長度約為190 m。根據(jù)索力的不同，共采用PES7—127、—151、—163、—199、—223、—253六種規(guī)格。

斜拉索設(shè)計壽命為30a，并考慮其可更換性。對于在大橋上安裝后不可進(jìn)行現(xiàn)場維護的錨固部件，其防腐系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)該確保在整個設(shè)計壽命期間不需維護仍然可以有效使用；對于可以進(jìn)行現(xiàn)場維護的錨固部件，其防腐系統(tǒng)的設(shè)計壽命為大于30 a。

斜拉索設(shè)雙層護套（黑色和彩色），外套兩層聚乙烯護套之間設(shè)置隔離層。

4.5輔助墩及過渡墩

主橋輔助墩為雙柱式墩，墩身為2.6 m×2.0 m的六角形斷面，墩柱中心線間距27.0 m，系梁（蓋梁）為變高度T形斷面，下緣為圓弧線。過渡墩為三柱式墩，墩身為3.1 m×2.3 m的六角形斷面，墩柱中心線間距13.5 m，系梁（蓋梁）為變高度T形斷面，下緣為圓弧線，頂面水平。輔助墩下各設(shè)4根1.8 m鉆孔樁，過渡墩下各設(shè)6根1.8 m鉆孔樁。

4.6結(jié)構(gòu)靜力分析

靜力分析考慮了恒載、活載、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力、各種溫度荷載、汽車制動力、支座沉降以及施工荷載等，其中恒載模擬了施工過程的影響。同時，對主梁和索塔錨固區(qū)的局部應(yīng)力進(jìn)行了空間有限元分析研究［2，3］，保證了結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟性和施工便利性。

對主塔和主梁作了施工及成橋狀態(tài)的彈性穩(wěn)定分析，失穩(wěn)安全系數(shù)均大于4，滿足規(guī)范要求。

該橋主塔為仿天鵝造型的異型塔，由直塔柱、斜塔柱和下橫梁組成，且因景觀需要，主塔上部未設(shè)置橫梁。因主塔設(shè)有斜塔柱且又未設(shè)上橫梁，如斜、直塔柱固結(jié)成一個橫橋向框架，在拉索豎向分力作用下，斜塔柱會對直塔柱產(chǎn)生水平分力，由此導(dǎo)致直塔柱頂端產(chǎn)生向橋內(nèi)側(cè)較大的水平位移。因此，為實現(xiàn)這種造型，如何控制塔柱的橫橋向變形、如何保證不設(shè)上橫梁的90多米高塔柱穩(wěn)定性是需要解決的關(guān)鍵問題。

為此，設(shè)計通過對索塔多種方案的大量計算比較和多次優(yōu)化，最終確定在直塔柱和斜塔柱之間設(shè)30 m m寬的離縫，并通過水平預(yù)應(yīng)力束將直塔柱和斜塔柱相連，這樣既保留了斜塔柱對直塔柱的水平支撐作用，以利于塔柱的橫向穩(wěn)定，又避免了斜塔柱對直塔柱塔頂橫橋向變化的不利影響。索塔的這一結(jié)構(gòu)處理既符合索塔景觀效果的要求，又保證了索塔受力合理、塔頂變形可控、穩(wěn)定有保障，并且施工方便。表1為3個典型工況的計算結(jié)果，表中，狀態(tài)1為斜塔柱、直塔柱固結(jié)，常規(guī)施工法，狀態(tài)2為斜、直塔柱設(shè)滑動面，解除豎向和轉(zhuǎn)角約束，斜塔柱設(shè)置預(yù)拱度；成橋后滑動面間張拉水平索，狀態(tài)3為在狀態(tài)2基礎(chǔ)上，作如下調(diào)整：下橫梁以下的直塔柱橫橋向由4 m加寬到5.2 m，內(nèi)壁厚0.89 m加厚到2.09 m。計算表明，直、斜塔柱分離后，通過調(diào)整下塔柱的尺寸即可將塔頂水平位移控制在可接受的范圍。

表1　塔頂水平位移計算結(jié)果　mm

5　結(jié)語

該橋于2005年7月形式，2008年9月1日建成通車。大橋的建成通車極大地促進(jìn)惠州江北地區(qū)及老城區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，解決江北地區(qū)與老城區(qū)之間的交通瓶頸問題，改善開發(fā)區(qū)的投資環(huán)境，拉動老城區(qū)與江北地區(qū)的土地利用和開發(fā)，對打造惠州半小時城市生活圈具有非常重要的意義。

大橋建筑造型獨特、新穎，與地域文化融為一體，成為惠州市標(biāo)志性建筑之一，2009年本橋作為唯一的現(xiàn)代建筑物入選惠州市“鵝城十景”。

［1］同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司.廣東省惠州市下角東江大橋工程施工圖設(shè)計［Z］.2005.

［2］同濟大學(xué)橋梁工程系.惠州市下角東江大橋主梁局部應(yīng)力分析研究［R］.2005.

［3］同濟大學(xué)橋梁工程系.惠州市下角東江大橋索塔錨固區(qū)局部應(yīng)力分析研究［R］.2005.

U448.27

B

1009-7716（2016）09-0118-04

2016-06-28

羅喜恒（1969-），男，福建上杭人，高級工程師，從事橋梁設(shè)計和研究工作。