沈旭東，高恩全，王豐平

（浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310006）

0 引言

小干大橋起于舟山本島浦西開發(fā)區(qū)，起點與329國道相連，跨越著名的沈家門水道至小干島，與規(guī)劃中的島上東西向干線連接，路線全長9.118 km。該項目為連接舟山本島、沈家門329國道至小干島、馬峙島的唯一公路，是發(fā)展兩島臨港工業(yè)，滿足島內(nèi)貨物，以及居民出行本島的必由之路。

小干大橋主橋采用（130+300+130）m雙塔雙索面PC梁斜拉橋，主橋長560 m，斜拉索采用扇形空間索面（見圖1）。兩側(cè)引橋采用先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁。由于道路等級較低，橋面凈寬僅15 m，對主梁斷面型式、主塔形式選擇提出了挑戰(zhàn)；主跨位于圓曲線上，邊跨縱坡最大處達(dá)到4%，邊中跨縱坡差形成的懸臂狀態(tài)結(jié)構(gòu)不平衡，對理論計算提出了更高的要求。本文重點介紹小干大橋主橋的總體布置、局部構(gòu)造和施工方案等要點[1-4]。

1 主要技術(shù)指標(biāo)

小干大橋采用二級公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計速度為80 km/h。橋梁凈寬采用15.0 m，橋面寬度為0.75 m（護(hù)欄、C 值）+3.0 m（硬路肩）+2×3.75 m（行車道）+3.0 m（硬路肩）+0.75 m（護(hù)欄、C值）=15.0 m。橋位處于Ⅶ度區(qū)域，地震動峰值加速度為0.1g，設(shè)防措施等級8級。

圖1 總體布置圖（單位：m）

汽車荷載等級采用公路—I級，設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速按V10=40.5 m/s。橋位處航道等級為3 000 t級油船，需滿足單向200 m×30.5 m通航要求。此外靠該島碼頭側(cè)布設(shè)通航孔時需考慮500 t級漁船停泊凈空16 m×21.5 m。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

小干大橋橋區(qū)處于沈家門航道中心漁港碼頭處，橋軸上下游碼頭密布，為避免碼頭的搬遷，減少岸線資源的破壞，同時為避免橋梁對主航道通航的影響，防止船舶撞擊的危險，一側(cè)主墩設(shè)置在碼頭內(nèi)側(cè)，主跨一跨跨越主航道深水區(qū)。通航孔除滿足3 000 t級油輪海船的通行外，還需兼顧500 t級漁船在碼頭側(cè)停泊和通航富裕寬。小干島側(cè)主墩則跨過主航道深水區(qū)后落在暗礁附近，降低船撞風(fēng)險。綜合考慮上述因素，確定主跨跨徑為300 m，邊跨根據(jù)計算采用130 m，不設(shè)輔助墩。最終主橋跨徑組合為（130+300+130）m，邊、中跨之比為0.433。圖2為橋位平面圖。

圖2 橋位平面圖

主橋采用半漂浮體系，主塔、主梁之間設(shè)KFPZ10000SX橫向抗風(fēng)支座，邊墩處主梁底設(shè)橫向限位擋塊；主梁縱向均設(shè)活動支座，但在塔梁處設(shè)750S×350X型阻尼器（最大阻尼力±750 kN，最大位移±350 mm）。圖3為支承體系總體布置圖。

圖3 支承體系總體布置圖

2.2 主梁

對混凝土斜拉橋常規(guī)的雙邊箱、“π”型、整體單箱斷面進(jìn)行了對比。由于該橋橋面凈寬僅15 m，考慮拉索區(qū)后為19 m，橋面寬度小，采用雙邊箱或“π”型斷面，單肋寬度小，主梁剛度受到限制，經(jīng)分析僅活載作用下，混凝土梁應(yīng)力幅達(dá)到9 MPa，受力性能較差，因此推薦采用整體箱斷面，以提高主梁的抗彎、抗扭剛度。整體箱采用單箱三室斷面，箱梁中心高度采用2.75 m。橋面行車道凈寬15 m，兩側(cè)各0.5 m防撞護(hù)欄，護(hù)欄外側(cè)為1.5 m斜拉索錨索區(qū)和檢修道區(qū)，總寬度為19 m。

箱梁標(biāo)準(zhǔn)段每8m為一個節(jié)段，單個節(jié)段混凝土重320 t左右。箱梁頂板厚0.25 m，底板厚0.3 m，三角邊箱底板厚0.25 m，中腹板厚0.4 m。中間箱室凈寬6 m，邊箱室凈寬4.2 m，兩側(cè)1.5 m挑臂根部厚1 m，為拉索梁端部的錨固區(qū)域。0號段頂板加厚至0.4 m，底板加厚為0.6 m，三角邊箱底板加厚為0.4 m，中腹板為0.6 m。邊跨現(xiàn)澆段除頂板仍為0.25 m厚，其余結(jié)構(gòu)尺寸同0號節(jié)段。邊跨箱梁設(shè)壓重混凝土，分步施工。

主梁設(shè)縱、橫向預(yù)應(yīng)力，其中縱向預(yù)應(yīng)力依施工步驟分為兩種：懸臂施工用預(yù)應(yīng)力，采用預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼筋；中、邊跨合龍段預(yù)應(yīng)力，采用?s15.2低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線。橫向預(yù)應(yīng)力依橫梁位置大致分為六種，分別采用15?s15.2預(yù)應(yīng)力鋼絞線和19?s15.2預(yù)應(yīng)力鋼絞線。圖4為錨固橫梁橫向預(yù)應(yīng)力布置圖。

圖4 錨固橫梁橫向預(yù)應(yīng)力布置圖（單位：cm）

2.3 主塔及基礎(chǔ)

索塔采用倒Y型，一方面增加主塔自身的橫向穩(wěn)定性，另一方面為斜拉索空間索面布置提供條件，增加結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能。

索塔承臺以上全高113.5 m。索塔上塔柱為直線段，高35.45 m，中塔柱為51.75 m。塔柱采用空心箱形斷面，上塔柱橫向?qū)? m，壁厚0.85 m，中塔柱單柱橫向?qū)? m，壁厚從0.85 m至1 m變化，下塔柱橫向名義寬從3.2 m至5.5 m直線過渡，壁厚1 m。下塔柱底橫梁為高3.5 m實心段連接。上、中塔柱順橋向?qū)?m，壁厚分別為1 m和1.2 m，下塔柱順橋向?qū)拸? m直線變化到8.5 m，標(biāo)準(zhǔn)段壁厚1.2 m，與下橫梁連接段4.5 m高范圍內(nèi)為實心段。

索塔在中塔柱弧線段分叉處設(shè)置了預(yù)應(yīng)力，由于該處受力較為復(fù)雜，因此，從1號斜拉索錨固頂面至橫向分叉圓弧頂6.95 m高范圍內(nèi)采用了實心段。為了承受傾斜的中、下塔柱在中橫梁內(nèi)產(chǎn)生的拉應(yīng)力，在下橫梁內(nèi)配置了70根15?s15.2 0 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線。圖5為主塔構(gòu)造圖。

主墩基礎(chǔ)每墩設(shè)15根?2.5 m鉆孔灌注樁，矩形布置，為抵抗橫橋向的風(fēng)荷載產(chǎn)生的較大水平力和彎矩，橫向布置5排，順橋向布置3排，樁尖進(jìn)入中風(fēng)化巖層不小于3倍樁徑。過渡墩采用矩形空心板式墩，墩身厚3.0 m，橫橋向?qū)?.3 m，墩高24.6 m；基礎(chǔ)為6根?1.8 m鉆孔樁。

圖5 主塔構(gòu)造圖（單位：cm）

2.4 斜拉索

斜拉索的間距與索力成正比，索距越大每根索的索力越大。目前的密索體系斜拉橋在混凝土主梁上的間距為4～12 m。該橋斜拉索采用扇形空間雙索面布置，每塔每索面共18對斜拉索，共144根。因錨固方式采用鋼錨梁形式，考慮到張拉空間的需要，塔上索距分別為2 m、2.1 m，梁上索距除邊跨壓重區(qū)為4 m外，其余均為8 m。斜拉索采用高強(qiáng)度低松弛平行鋼絲索，索體采用雙層HDPE防護(hù)的全防腐索體，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為fpk=1 670 MPa。拉索錨具采用冷鑄鐓頭錨錨固體系，均在主塔端張拉。斜拉索在預(yù)埋鋼導(dǎo)管內(nèi)設(shè)置體內(nèi)減振器，拉索外表面壓麻坑或設(shè)雙螺旋線，以防止產(chǎn)生風(fēng)雨振。

2.5 主要聯(lián)接構(gòu)造設(shè)計

2.5.1 索梁連接

斜拉索梁端采用混凝土齒塊錨固，在箱梁外側(cè)設(shè)置齒塊，預(yù)埋斜拉索導(dǎo)管，斜拉索采用牽引索拉伸至塔端，梁端作為固定端，斜拉橋在塔端進(jìn)行張拉。圖6為斜拉索主梁錨固構(gòu)造圖。

2.5.2 索塔連接

除1號索直接錨固于塔壁外，其余斜拉索塔端均采用鋼錨梁錨固結(jié)構(gòu)。鋼錨梁設(shè)置在上塔柱中，共17節(jié)，各錨固一對斜拉索。鋼錨梁由受拉錨梁和錨固構(gòu)造組成（見圖7、圖8）。

圖6 斜拉索主梁錨固構(gòu)造圖（單位：cm）

圖7 鋼錨梁空間視圖

圖8 鋼錨梁有限元模型

每對斜拉索面內(nèi)的平衡水平分力由鋼錨梁承受，部分不平衡水平分力通過梁端頂座傳遞到預(yù)埋鋼板，由索塔承受；豎向分力通過牛腿傳到塔身后，全部由索塔承受；空間索在面外的水平分力由鋼錨梁自身平衡。為達(dá)到此受力模式，構(gòu)造上采取下列措施：

（1）與鋼牛腿的接觸面之間采用不銹鋼和四氟板構(gòu)成滑動摩擦副，用以消除鋼錨梁與鋼牛腿接觸面之間的摩阻力對塔的影響，確保平衡水平分力全部由鋼錨梁承受的受力模式。工地整體組裝前，四氟板面涂硅脂，增加摩擦副的潤滑性。

（2）一端設(shè)置固接螺栓，安裝斜拉索時，鋼錨梁的一端與牛腿固結(jié)，以避免施工中發(fā)生兩側(cè)掛索不同步時，造成鋼錨梁位置的失控而沖擊塔壁。

（3）利用鋼錨梁與鋼牛腿的連接螺栓抗剪傳遞橫橋向的不平衡水平分力。

吊裝施工時，錨梁與牛腿臨時固結(jié)，形成整體一起吊裝。鋼錨梁與鋼牛腿整體安裝后，先松開一側(cè)的連接螺栓，再進(jìn)行斜拉索張拉。張拉完成后，再松開另一側(cè)的螺栓，保證鋼錨梁與鋼牛腿間順橋向無約束（見圖9）。

圖9 鋼錨梁、牛腿連接示意圖

2.6 抗風(fēng)設(shè)計

小干大橋采用混凝土閉合箱梁斷面，主跨自重較大，主梁的扭轉(zhuǎn)剛度較大，具有較高的扭轉(zhuǎn)自振頻率和扭彎頻率比；同時，也對控制截面地震響應(yīng)貢獻(xiàn)最大的振型周期相對較長，為大橋的抗風(fēng)抗震安全性提供了良好的結(jié)構(gòu)動力學(xué)基礎(chǔ)。根據(jù)主橋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)驗算和主梁節(jié)段模型風(fēng)洞試驗，成橋狀態(tài)和施工階段主梁顫振臨界風(fēng)速均大于主梁的顫振檢驗風(fēng)速，滿足抗風(fēng)規(guī)范相關(guān)要求。圖10為施工狀態(tài)主梁節(jié)段模型。

圖10 施工狀態(tài)主梁節(jié)段模型

2.7 抗震設(shè)計

塔梁之間需設(shè)KFPZ10000SX橫向抗風(fēng)支座，邊墩處主梁底設(shè)置橫向限位擋塊；主梁縱向均設(shè)活動支座，但在塔梁處設(shè)KZ-750Sx350X型阻尼器。由于縱向阻尼器對溫度、混凝土收縮徐變等速率緩慢的變形，約束力很小，對活載、風(fēng)、地震等速率較快的變形，能有效約束，因此，設(shè)置縱向阻尼器可防止主梁瞬間位移，提高行車舒適性，同時，阻尼器對地震反應(yīng)的消能作用也較顯著。

主橋抗震驗算結(jié)果表明，從地震作用下主梁控制截面的內(nèi)力結(jié)果與靜力計算結(jié)果可知，主梁控制截面的地震內(nèi)力小于靜力結(jié)果，地震力不控制設(shè)計，主塔結(jié)構(gòu)各控制截面承載能力均能滿足要求

2.8 施工方案

小干大橋主橋采用懸臂澆筑、前支點掛籃施工。由于該橋邊中跨縱坡差較大，對稱懸臂狀態(tài)下因兩側(cè)拉索錨固點高程、索傾角存在一定的差異，主梁、主塔受力難以保證完全平衡，為改善施工過程中的受力平衡，對斜拉索提出多次張拉的要求：

（1）前支點掛籃前移，斜拉索掛索臨時錨固，張拉1/3施工索力；

（2）混凝土澆筑一半左右，第二次張拉對應(yīng)索力，索力約為施工索力的2/3，以控制主梁梁端位移和應(yīng)力滿足施工過程需要為宜；

（3）全部混凝土澆筑完畢，達(dá)到齡期要求后，斜拉索錨固轉(zhuǎn)移至主梁，第三次張拉斜拉索；

（4）掛籃前移，重復(fù)（1）-（3）步驟；

（5）待邊中跨合攏，橋面及附屬設(shè)施施工完成后，檢查斜拉索索力與設(shè)計成橋索力的差異，進(jìn)行調(diào)索，確保成橋索力與設(shè)計索力基本一致，主梁、主塔各項指標(biāo)處于合理狀態(tài)。

2.9 耐久性設(shè)計

該橋位于海洋環(huán)境，耐久性設(shè)計是該橋設(shè)計的重點。

2.9.1 海工耐久性混凝土

采用的海工耐久混凝土，其配合比根據(jù)不同結(jié)構(gòu)部件、不同配筋部件、不同設(shè)計要求、不同施工方法、不同環(huán)境侵蝕作用、不同原材料分別進(jìn)行設(shè)計，主要從原材料和混凝土配合兩方面嚴(yán)格要求。對橋梁各部位海工耐久混凝土的抗氯離子滲透性提出嚴(yán)格要求（見表1）。

表1 海工耐久混凝土抗氯離子滲透性要求一覽表（12W齡期）

2.9.2 增加混凝土的保護(hù)層厚度

理論上加大保護(hù)層厚度對提高構(gòu)筑物耐久性具有顯著效果，但厚度增加是有一定限度的。當(dāng)保護(hù)層過厚時，將減小截面受壓區(qū)高度，降低結(jié)構(gòu)的承載能力，使得結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能得到損害。因此需要根據(jù)結(jié)構(gòu)部位和受力特點，設(shè)置合理的鋼筋保護(hù)層厚度。該橋各部位的保護(hù)層厚度如表2所列。

表2 構(gòu)件保護(hù)層厚度一覽表

2.9.3 混凝土外表面涂裝

主橋主梁及主塔外表面進(jìn)行防腐蝕涂裝。

3 總體計算組合選擇

小干大橋總體靜力計算采用空間有限元程序Midas進(jìn)行計算。計算從施工階段(主橋計算包括掛籃懸臂澆筑、支架現(xiàn)澆、各跨合龍、二期恒載等)至竣工后運營階段等，對不同的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了全過程結(jié)構(gòu)分析。根據(jù)該項目特點，對于各主要構(gòu)件采用以下組合進(jìn)行驗算。

3.1 主梁、斜拉索驗算

施工階段：恒載+施工荷載。

組合（1）：恒載+汽車活載+支座不均勻沉降。

組合（2）：組合（1）+風(fēng)力 +體系升溫 +材質(zhì)溫差+梯度溫度。

組合（3）：組合（1）+風(fēng)力 +體系降溫 +材質(zhì)溫差+梯度溫度。

組合（4）：組合（1）+ 風(fēng)力 + 體系升(降)溫 + 材質(zhì)溫差+梯度溫度。

百年風(fēng)荷載與汽車活載不同時組合。

3.2 主塔及基礎(chǔ)驗算

索塔結(jié)構(gòu)計算主要分為四個階段：裸塔階段、最大雙懸臂施工階段、最大單懸臂施工階段和使用階段。在各階段均進(jìn)行縱橋向、橫橋向及縱橫耦合計算。施工階段采用容許應(yīng)力法計算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，使用階段進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)驗算和正常使用極限狀態(tài)驗算。

施工階段：恒載+施工荷載+風(fēng)荷載。

組合（1）：恒載+汽車活載+支座不均勻沉降。

組合（2）：組合（1）+ 風(fēng)力 + 體系升(降)溫 + 材質(zhì)溫差＋梯度溫度。

組合（3）：組合（1）+船撞力。

組合（4）：組合（1）+地震力。

百年風(fēng)荷載與汽車活載不同時組合。

4 結(jié) 語

小干大橋作為較低等級公路上的一座特大橋，縱坡大、橋面窄、跨度要求高，造價指標(biāo)控制嚴(yán)，跨越沈家門水道，通航條件復(fù)雜，海洋環(huán)境耐久性要求高，建設(shè)條件較為復(fù)雜，施工和運營難度較大，同時景觀要求高，給設(shè)計工作帶來了巨大挑戰(zhàn)。

該橋橋跨布置突破常規(guī)設(shè)計，將主墩設(shè)置于該島側(cè)碼頭后延，保證了主墩防撞、船舶通行安全，同時縮短了主跨的跨徑，有效地控制了工程造價。方案設(shè)計采用了混凝土斜拉橋方案，倒Y型橋塔，研究采用了整體箱斷面、鋼錨梁等構(gòu)造。針對懸臂狀態(tài)體系的不平衡，提出了精細(xì)化斜拉索施工方案。

大橋設(shè)計結(jié)合橋面大縱坡，主梁線形流暢，主塔高跨比協(xié)調(diào)，橋型整體與沈家門航道相映成趣，在景觀上也取得了良好的效果，真正體現(xiàn)了安全、經(jīng)濟(jì)、適用、美觀的設(shè)計原則。