康仕彬

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 20092）

松原天河大橋主橋設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題研究

康仕彬

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 20092）

松原天河大橋主橋?yàn)榭臻g主纜組合梁自錨式懸索橋，北汊橋主跨為266 m。詳細(xì)介紹了橋梁的建設(shè)條件、方案構(gòu)思、橋型總體設(shè)計(jì)和具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并針對(duì)主纜矢跨比、空間纜索索夾定位、結(jié)構(gòu)抗震性能等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的研究論證做了簡(jiǎn)要介紹。

橋梁工程；橋梁設(shè)計(jì)；自錨式懸索橋；空間主纜；抗震設(shè)計(jì)

1　工程概況

天河大橋橋址位于松原大橋下游約2.9 km處。大橋分南北汊兩座主橋，北汊橋跨徑布置為（40+100+266+100+40）m，南汊橋跨徑布置為（40+100+100+40）m，均為組合梁空間自錨式懸索橋，北汊橋橋型布置圖見(jiàn)圖1。

該橋建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為城市主干道，設(shè)計(jì)行車時(shí)速60 km/h。橋面全寬27.5 m，近期按雙向4車道劃線，遠(yuǎn)期可改為雙向6車道，設(shè)計(jì)荷載為城—A級(jí)。

松原市屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫5.4℃，最低氣溫-37.4℃，最高氣溫36.9℃，極端最高氣溫38℃。年平均風(fēng)速為3.4 m/s，最大風(fēng)速24 m/s。第二松花江屬于季節(jié)性封凍河流，一般11月中旬結(jié)凍封江，翌年4月中旬解凍，最大凍深為203 cm。

根據(jù)《松原市天河大橋工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》，該場(chǎng)地內(nèi)上部存在飽和砂土層，液化等級(jí)屬嚴(yán)重液化，一般液化影響深度為8～9 m。主橋所處地表面50年超越概率10%的地震最大加速度峰值為201 gal，50年超越概率2%的地震最大加速度峰值為369 gal。

2　橋型總體設(shè)計(jì)

2.1河床斷面特征

該橋橋位走廊帶河道屬寬淺、游蕩性河道，地勢(shì)平坦，河道寬闊，橋址區(qū)南北岸設(shè)有百年一遇防洪大堤，兩岸堤防間距離2.45 km。橋位河段具有廣闊的河漫灘、河心洲發(fā)育，土質(zhì)松散，河道主槽在橋位處偏向北側(cè)，緊貼北岸防洪大堤，河面寬度枯水期約250 m，南側(cè)主河槽寬度約40 m，河流比降0.13～0.17‰，流速1～1.5 m/s。

2.2總體布跨方案的確定

橋址區(qū)通航等級(jí)為內(nèi)河Ⅳ級(jí)，建議航道寬度不小于150 m。結(jié)合橋址區(qū)的水文情況，北汊河道水面寬度約500 m，其中江心島至北岸為深槽區(qū)域，寬度約200 m，水深約3～7 m，較適宜通航，可按北汊通航方案布置橋孔?？紤]采用大跨徑橋梁一跨跨越北汊主河槽范圍，主孔徑需在200 m以上，較適宜的橋型為自錨式懸索橋或斜拉橋，主橋長(zhǎng)度500～600 m，以覆蓋主河道寬度且適當(dāng)留有富余?？紤]到其上下游已有斜拉橋及部分斜拉橋型，故北汊橋采用雙塔自錨式懸索橋方案，跨徑布置為40 m+ 100 m+266 m+100 m+40 m=546 m。正常水位條件下，南汊主河槽寬度約40 m，壅水壩建成后南汊水面寬度約300 m，考慮到蓄水后的景觀因素，南汊橋采用獨(dú)塔空間索面自錨式懸索橋方案與北汊通航主橋遙相呼應(yīng)，跨徑布置為40 m+100 m+100 m+40 m= 280 m。其余范圍內(nèi)河道水深較淺，河床變遷較明顯，不考慮通航，僅按一般橋梁滿足行洪需求。

2.3空間自錨式組合梁懸索橋的適應(yīng)性

該橋橋?qū)?0.5 m，主跨為266 m，如采用H型索塔、平面索面，索塔的高寬比約為2∶1，橋梁結(jié)構(gòu)比例不協(xié)調(diào)。因此該橋主塔采用在傳統(tǒng)A型索塔的基礎(chǔ)上賦予其一定的曲線要素和動(dòng)感，形似漢字“人”字，傳遞“積極向上”的寓意；主纜采用空間主纜，跨中和邊跨分開(kāi)后在塔頂收攏，結(jié)構(gòu)顯得緊湊，挺拔。

橋位處于8度區(qū)，從抗震角度來(lái)說(shuō)，主梁采用全鋼結(jié)構(gòu)是有利的，計(jì)算結(jié)果表明如果主梁采取全鋼結(jié)構(gòu)后，主纜規(guī)格可以減小，基礎(chǔ)規(guī)?？梢越档停麄€(gè)方案造價(jià)和組合梁方案不相上下。但是本地冬季氣溫很低，采用全鋼結(jié)構(gòu)后橋面鋪裝很難處理，而且對(duì)鋼材和焊接質(zhì)量的要求較高；另一方面，全鋼結(jié)構(gòu)的主橋結(jié)構(gòu)剛度較小，對(duì)行車舒適性和結(jié)構(gòu)耐久性不利，綜合考慮主梁采用組合梁結(jié)構(gòu)較優(yōu)。

圖1　北汊主橋橋型布置（單位：cm）

3　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［1］

該橋分北汊橋和南汊橋兩個(gè)主橋，本文主要介紹北汊橋的設(shè)計(jì)，南汊橋和北汊橋邊跨類似。

3.1主塔

索塔造型見(jiàn)圖2。索塔為混凝土結(jié)構(gòu)，塔柱為變截面箱型斷面，索塔高度82 m，其中橋面以上塔高69 m，兩塔柱橫橋向間距由43.5 m漸變至9.8 m。橋塔截面縱向尺寸31.5 m以上為6.5 m，31.5 m以下由6.5 m漸變至10.5 m；橫橋向自索塔根部至上橫梁交接處由5.5 m漸變至3 m。塔柱設(shè)置兩根橫梁，加勁梁下方設(shè)置一道橫梁，均為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。塔頂采用鋼裝飾結(jié)構(gòu)以滿足造型要求。

圖2　北汊主橋效果圖

3.2加勁梁

橋面加勁梁采用縱、橫梁體系。箱形縱梁高2.75 m，寬2 m，梁高根據(jù)頂推過(guò)程中跨50 m航道的受力要求控制，三道小縱梁主要做為橋面支撐，不參與加勁梁總體受力。橫梁分為主橫梁和副橫梁，主橫梁為吊索橫梁，在縱系梁外挑，橫梁間距4 m，為工字形截面。鋼材采用Q345qE，以滿足松原地區(qū)-40℃以下的工作溫度。鋼梁上擱置C50鋼筋混凝土橋面板，標(biāo)準(zhǔn)板厚250 mm。橋面板與縱系梁、小縱梁之間采用圓頭焊釘剪力鍵連接。

加勁梁采用頂推施工，先頂推鋼梁就位，然后再安裝混凝土橋面板，最后架設(shè)主纜張拉吊桿。

3.3加勁梁尾端構(gòu)造

主纜中心線與縱梁中心線橫向偏差4.2 m，為了保證主纜軸力可靠均勻地傳遞至加勁梁，加勁梁尾端采用混凝土梁結(jié)構(gòu)以增加局部剛度。錨墩頂?shù)闹髁褐亓扛鶕?jù)主纜豎向分力計(jì)算確定。

3.4主纜

全橋共設(shè)2根主纜，平行布置。預(yù)制索股兩端錨頭采用冷鑄錨，每根主纜由35股預(yù)制平行鋼絲索股組成，每股預(yù)制平行鋼絲索股由127根直徑5.1 mm的鍍鋅高強(qiáng)鋼絲組成正六邊形。主纜鋼絲采用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 770 MPa的鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，設(shè)計(jì)彈性模量為2.0 MPa×105 MPa。主纜設(shè)計(jì)安全系數(shù)不小于2.5。成橋狀態(tài)中跨矢跨比為1/5，邊跨根據(jù)主邊跨水平力平衡的原則確定其線形。

主纜索股架設(shè)后經(jīng)索股調(diào)整，用緊纜機(jī)擠壓成圓形，并用高碳薄扁鋼條夾緊主纜。在完成索股安裝、懸掛吊索、加勁梁線形調(diào)整后進(jìn)行主纜纏絲，采用4的鍍鋅低碳鋼絲，用纏絲機(jī)纏繞，最后再進(jìn)行防護(hù)處理。

3.5索夾及吊索

索夾分為內(nèi)索夾和外索夾，內(nèi)索夾通過(guò)高強(qiáng)螺栓固定在主纜上，外索夾類似于套筒套在內(nèi)索夾上，可以繞主纜軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣主纜局部就不會(huì)產(chǎn)生扭矩，有利于結(jié)構(gòu)的耐久性。吊索采用PE防護(hù)的預(yù)制平行鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，每個(gè)吊點(diǎn)處布置2根吊桿，縱橋向并排布置，便于今后更換。

根據(jù)受力大小及特殊變形要求，吊索分為標(biāo)準(zhǔn)吊索和特殊吊索，標(biāo)準(zhǔn)吊索間距8 m，每股由557 mm鋼絲組成，安全系數(shù)不小于3。邊跨尾索和索塔兩側(cè)第1根吊索每股由737 mm鋼絲組成。

圖3　主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面（單位：mm）

為了減小吊索在錨杯口處的彎折疲勞，吊索錨杯口處設(shè)置氯丁橡膠澆注的緩沖器。另外，為了減少主梁縱向位移對(duì)吊桿的轉(zhuǎn)角影響，下錨點(diǎn)采用球型面墊板和螺母。

3.6鞍座

塔頂索鞍分為上座體與下座體，上部鞍槽為鑄件，下部為厚板焊接結(jié)構(gòu)。鞍座分前后兩部分，吊裝就位后兩部分采用M30的高強(qiáng)度螺栓連接。為了減輕施工時(shí)調(diào)整鞍座位置的頂推摩阻力，鞍座下方設(shè)四氟聚乙烯滑板，并作潤(rùn)滑處理。

3.7主墩

主墩承臺(tái)為分離式，每個(gè)塔柱下一個(gè)八邊形承臺(tái)，承臺(tái)厚5m，在兩個(gè)承臺(tái)之間設(shè)置了一道系梁，使兩個(gè)承臺(tái)共同作用。

橋墩基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，考慮施工定位、沖刷、砂土液化以及抗震需要，樁基施工時(shí)從地面以下設(shè)置15 m長(zhǎng)鋼護(hù)筒，護(hù)筒直徑較樁徑大30 cm。主墩采用32根2.0 m直徑的摩擦樁，持力層選擇在⑨層泥巖，樁長(zhǎng)70 m。

3.8支撐體系

主梁在主塔橫梁、錨墩上全橋共設(shè)置8個(gè)豎向支承支座，所有支座均為縱向活動(dòng)；在每個(gè)主塔處設(shè)置2個(gè)橫向抗風(fēng)支座。鑒于橋位處地震烈度較大，結(jié)構(gòu)豎向支承采用抗震球鋼支座，縱向限位采用間隙元內(nèi)設(shè)橡膠緩沖裝置的擋塊，此外，主梁在主塔處各設(shè)置2個(gè)縱向阻尼器。

4　關(guān)鍵技術(shù)研究

松原天河大橋是國(guó)內(nèi)首座跨度達(dá)266 m的空間主纜組合梁自錨式懸索橋，針對(duì)該橋的建設(shè)條件，設(shè)計(jì)特點(diǎn)和難點(diǎn)，開(kāi)展了大量的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題研究。

4.1主纜的垂跨比研究

自錨式懸索橋主跨垂跨比的選擇主要考慮的因素有主纜力、加勁梁軸向力、主纜錨固構(gòu)造及整體豎向剛度等。

主纜拉力的大小將直接影響主纜截面面積，從而影響整個(gè)主纜的造價(jià)。另外，主纜錨固在加勁梁的兩端，加勁梁承擔(dān)主纜傳遞來(lái)的巨大軸向壓力，所以需控制主纜拉力確保加勁梁的應(yīng)力指標(biāo)在合理范圍內(nèi)。

自錨式懸索橋垂跨比的變化對(duì)結(jié)構(gòu)剛度影響較大，對(duì)主跨主纜垂跨比分別采用1/6、1/5.5、1/5進(jìn)行了分析比較。

表1　不同垂跨比的比較

根據(jù)上表，可以看出垂跨比1/5的主纜內(nèi)力最小，結(jié)構(gòu)剛度和受力也較好，造價(jià)合理。

4.2空間纜索懸索橋施工控制研究［2，3］

該橋主纜從空纜到成橋位置變動(dòng)非常大，是典型的非線性大位移問(wèn)題。這就要求空纜時(shí)索夾安裝位置必須計(jì)算的非常精確，否則一方面會(huì)導(dǎo)致主纜局部受扭，主纜密封性可能會(huì)受到影響，另一方面如果吊索位置安裝誤差過(guò)大，吊索錨頭局部有彎折也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性不利。

為真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的變形和受力狀態(tài)，采用大型通用有限元軟件SAP2000建立空間有限元模型，模型中針對(duì)吊索和主纜采用桁架單元模擬，計(jì)算中采用非線性靜力分析，考慮了P-Delta（主要是軸向剛度）和大位移的影響。有限元模型如圖4。

圖4　北汊主橋有限元模型

計(jì)算結(jié)果表明，索夾最大位移發(fā)生在中跨26號(hào)索夾，從空纜到成橋，順橋向位移為0，豎向位移為0.698 m，橫橋向位移達(dá)12.634 m，索夾轉(zhuǎn)角為16.50°。各索夾的計(jì)算位移和轉(zhuǎn)角如圖5所示：

圖5　索夾位移和轉(zhuǎn)角

4.3結(jié)構(gòu)抗震性能研究［4］

由于該橋所處橋址地震烈度大，場(chǎng)地條件差，橋梁抗震設(shè)計(jì)是控制該橋造價(jià)重要因素。線性反應(yīng)譜分析結(jié)果表明主梁位移在E2地震下縱向位移可達(dá)0.646 m，主塔彎矩達(dá)1.00e6 kN·m，必須采取一定的抗震措施來(lái)降低地震響應(yīng)，設(shè)計(jì)中考慮采用抗震支座和阻尼器來(lái)進(jìn)行減隔震。非線性動(dòng)力時(shí)程分析計(jì)算模型考慮支座摩擦和粘滯性阻尼器的減隔震耗能作用，并對(duì)阻尼器進(jìn)行參數(shù)分析，以選擇合適該橋的阻尼器參數(shù)。

阻尼器參數(shù)分析結(jié)果見(jiàn)上表，當(dāng)單個(gè)阻尼系數(shù)取C=3 000時(shí)，主橋縱橋向各項(xiàng)地震響應(yīng)均得到很好的控制，故推薦單個(gè)阻尼器阻尼系數(shù)C=3 000，速度指數(shù)為0.3，每個(gè)主塔處設(shè)置兩個(gè)。設(shè)置阻尼器后，主塔最大彎矩值降低了20%，梁端位移減小了48%，減隔震效果顯著。

表3　阻尼系數(shù)變化對(duì)主橋縱橋向地震響應(yīng)影響表

5　結(jié)　語(yǔ)

松原天河大橋是目前國(guó)內(nèi)最大跨徑的空間主纜組合梁自錨式懸索橋，很好的適應(yīng)了該橋橋址的建設(shè)條件。該橋在空間主纜索夾定位、高寒區(qū)組合梁構(gòu)造和鋼混結(jié)合段設(shè)計(jì)、高烈度區(qū)自錨式懸索橋減隔震設(shè)計(jì)等方面積累了新的經(jīng)驗(yàn)，可為以后設(shè)計(jì)同類橋梁參考。

［1］孟凡超.懸索橋［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［2］周泳濤.自錨式懸索橋空間纜索分析與計(jì)算［J］.公路交通科技，2007，24（3）：51-54.

［3］梁智.自錨式懸索橋施工監(jiān)控研究［J］.城市道橋與防洪，2005（2）: 84-87.

［4］康仕彬.自錨式懸索橋地震特性及減震方法研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2008

U448.25

B

1009-7716（2016）07-0096-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.029

2016-04-30

康仕彬（1983-），男，湖南常德人，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。