孫朝輝

[林同棪國(guó)際工程咨詢（中國(guó)）有限公司，重慶市 401121]

1 工程概況

長(zhǎng)江路延伸工程南起東環(huán)路，北至正陽(yáng)西路，全長(zhǎng)0.96m。墨水河大橋位于青島市城陽(yáng)區(qū)，為長(zhǎng)江路跨墨水河新建橋梁。墨水河大橋?qū)坝^性要求較高，經(jīng)方案設(shè)計(jì)論證后主橋采用兩跨獨(dú)塔中央雙索面斜拉橋，橋梁造型取自展翅翱翔的白鷺之態(tài)，張力十足，輕盈優(yōu)美。橋梁效果見圖1。

圖1 橋梁效果圖

墨水河大橋全長(zhǎng)313m，主橋?yàn)?×90m單塔中央雙索面斜拉橋。主橋立面布置見圖2。鋼箱梁采用分體式箱形截面，橋梁中心線處梁高3m，單幅橋?qū)?7.25m，聯(lián)系橫梁長(zhǎng)度5m，橋梁總寬度為39.5m。橋塔采用“人”字形鋼結(jié)構(gòu)塔，塔高48.6m。全橋共布置18對(duì)斜拉索，按中央雙索面扇形布置。主墩采用圓臺(tái)式墩，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)；過渡墩采用T形花瓶墩，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。主梁采用頂推法施工，橋塔采用節(jié)段吊裝后在空中焊接成形[1]。

圖2 主橋立面布置圖（單位：m）

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級(jí)：城市主干路。

（2）設(shè)計(jì)荷載：城-A級(jí)。

（3）設(shè)計(jì)行車速度：50km/h。

（4）設(shè)計(jì)車道：雙向6車道。

（5）橋面路幅分布：2.5m（人行道）+3.0m（非機(jī)動(dòng)車道）+11.75m（車行道）+5m（拉索區(qū)）+11.75m（車行道）+3.0m（非機(jī)動(dòng)車道）+2.5m（人行道）=39.5m。

（6）抗震設(shè)防：地震烈度為7度，地震動(dòng)峰值加速度為0.1g。

（7）設(shè)計(jì)使用年限：100a。

3 結(jié)構(gòu)支承體系

斜拉橋的結(jié)構(gòu)支承體系有：飄浮體系，塔墩固結(jié)、塔梁支承體系，塔梁固結(jié)、墩梁分離體系，塔梁墩固結(jié)體系4種結(jié)構(gòu)支承體系[2]。

飄浮體系的縱向水平力傳力路徑為：主梁→斜拉索→橋塔→下部結(jié)構(gòu)[2]，因此橋塔下端須與主墩固接，懸浮體系對(duì)抗震有利，但也有主梁位移量較大、對(duì)塔柱的壓曲穩(wěn)定不利的缺點(diǎn)?？紤]到該橋?yàn)橹醒胨髅嫘崩瓨颍瑯蛎鎸挾?9.5m，橋梁運(yùn)行過程中的橫向扭轉(zhuǎn)振動(dòng)問題不容忽視[3]。塔、梁相互之間無(wú)聯(lián)系將導(dǎo)致主梁約束較弱，不利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此漂浮體系不適合。

由于該橋?yàn)楠?dú)塔，且橋塔位于橋梁橫橋向中心處，塔墩固結(jié)、塔梁支承體系在本設(shè)計(jì)中不可取。

塔梁固結(jié)、墩梁分離體系即塔柱下端與梁體固接后用支座支承在墩頂上。采用這種支承體系需采用大噸位支座，支座的養(yǎng)護(hù)、更換較困難。

塔梁墩固結(jié)體系對(duì)中小跨徑的獨(dú)塔雙跨式斜拉橋比較適用，是獨(dú)塔斜拉橋采用最多的支承體系[4]。既避免了使用大型支座又增加了橫向有效約束，結(jié)構(gòu)整體剛度好。綜合考慮，該橋采用塔梁墩固結(jié)體系。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 主梁

墨水河大橋主橋橋塔布置在橋面橫向中心處，同時(shí)考慮景觀鏤空效果，因此主梁采用分體式箱形截面[5]，左右幅鋼箱梁通過間隔布置的聯(lián)系橫梁連接，鋼箱梁總寬39.5m。鋼箱梁構(gòu)造見圖3。斜拉索錨固在內(nèi)主梁內(nèi)邊腹板外側(cè)，錨點(diǎn)橫向間距為5m，主梁?jiǎn)蝹?cè)懸臂長(zhǎng)度為17.25m，屬于大懸臂結(jié)構(gòu)。由于中央索面斜拉索提供的扭轉(zhuǎn)約束比常規(guī)雙索面小得多，在偏載作用下主梁扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯[6]。因此鋼主梁需能提供較大的抗扭剛度。同時(shí)由于采用分體式鋼箱梁構(gòu)造，中間聯(lián)系橫梁是關(guān)鍵受力構(gòu)件[7]，該橫梁需承受橫橋向的彎矩和軸力、活載偏載引起的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。因此主梁梁高由橫向抗扭及橫梁受力控制，梁高取3m。鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面見圖4。

圖3 鋼箱梁構(gòu)造

圖4 鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：mm）

根據(jù)受力需要，頂板在順橋向采用了16mm、24mm、32mm三種不同的厚度。頂板采用U肋、板肋加勁，頂板U肋上口寬320mm，下口寬180mm，肋高300mm，U肋厚度為8mm，U肋基本間距600mm。

根據(jù)受力需要，底板在順橋向采用了12mm、24mm、32mm三種不同的厚度。底板采用U肋、板肋加勁，底板U肋下口寬400mm，上口寬250mm，肋高260mm，U肋厚度為6mm，U肋基本間距800mm。

中腹板、外邊腹板厚度為14mm。內(nèi)邊腹板墩梁固結(jié)梁段厚度為36mm，其余梁段均為30mm。作為錨箱直接的傳力構(gòu)件，為保證其具有足夠的抗壓屈能力，通長(zhǎng)設(shè)置了四道板肋加勁。在拉索錨固點(diǎn)腹板箱室內(nèi)側(cè)增設(shè)局部豎向和水平加勁板，以增大腹板剛度。內(nèi)邊腹板是鋼錨箱直接錨固的板件，受力較為不利。局部存在面外變形以及板厚方向的應(yīng)力，因此內(nèi)邊腹板采用Z向性能鋼板，性能級(jí)別為Z25。

橫隔板采用實(shí)腹式。橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距為3.0m。普通構(gòu)造橫隔板厚度為12mm、吊點(diǎn)位置橫隔板厚度為14mm，橫梁和主墩墩頂橫隔板厚度為24mm。

橫向聯(lián)系橫梁設(shè)置在兩分離式鋼箱之間，為箱形截面。橫向聯(lián)系橫梁的腹板在縱橋向與鋼箱梁橫隔板相對(duì)應(yīng)，頂?shù)装迮c鋼箱梁頂?shù)装逑嘟?。?biāo)準(zhǔn)段橫向聯(lián)系橫梁頂板厚16mm，底板厚12mm，腹板厚12mm；端橫梁及中墩處腹板厚均為24mm，頂?shù)装宸謩e為32和24mm。

為了提高橋面鋪裝的耐久性，鋼箱梁鋪裝采用50mm超高韌性混凝土（STC）+改性環(huán)氧樹脂粘結(jié)層+40mm瀝青鋪裝層。STC層配置?10＠37.5mm鋼筋網(wǎng)片，鋼箱梁頂板焊接規(guī)格為13×40mm的剪力釘，剪力釘縱橫向間距為150mm。

4.2 橋塔

鋼塔柱縱橫向均呈“人”字形結(jié)構(gòu)，橋面以上橋塔高48.6m。為了方便現(xiàn)場(chǎng)安裝架設(shè)，鋼橋塔沿塔高方向劃分節(jié)段，節(jié)段長(zhǎng)度3.9～11m，最大節(jié)段重量約35t。橋塔構(gòu)造見圖5。

圖5 橋塔構(gòu)造（單位：mm）

拉索區(qū)塔柱為單箱雙室箱形截面，下塔柱為四肢單箱單室箱形截面。塔根部單肢箱形截面尺寸為2.5m×1.5m（順橋向×橫橋向），塔頂箱形截面尺寸為1.7m×1.0m（順橋向×橫橋向），中間截面尺寸按曲線和線性變化。

塔柱壁板厚度為28mm，橫隔板的間距為2.2～3.25m，拉索區(qū)橫隔板厚為20mm，非拉索區(qū)橫隔板厚為16mm。

4.3 塔梁墩固接段

塔梁墩采用鋼-混凝土結(jié)合段的方式固結(jié)。在鋼-混凝土接頭處，橋塔鋼結(jié)構(gòu)錨固于橋墩混凝土內(nèi)，錨固段鋼構(gòu)件上布置剪力鍵以及圓孔，圓孔內(nèi)穿鋼筋形成PBL剪力鍵，保證混凝土與結(jié)合段的傳力和整體性。為增加鋼混結(jié)合段處的剛度和可靠性，鋼塔柱底部設(shè)置精軋螺紋預(yù)應(yīng)力鋼筋，精軋螺紋鋼筋穿過墊板對(duì)應(yīng)的開孔，通過預(yù)緊力使鋼塔柱與混凝土橋墩緊密連接成一體。

4.4 斜拉索

全橋共設(shè)置18對(duì)共36根斜拉索。斜拉索采用中央雙索面扇形布置，梁上索距9m，塔上索距2.2～2.628m。斜拉索采用?7mm環(huán)氧噴涂鋼絲，斜拉索規(guī)格為PES.E7-127。鋼絲標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1770MPa。

斜拉索上錨點(diǎn)、下錨點(diǎn)均采用鋼錨箱方式錨固，索梁錨固下錨點(diǎn)采用張拉端結(jié)構(gòu)冷鑄錨，索塔錨固上錨點(diǎn)采用固定端結(jié)構(gòu)冷鑄錨。

4.5 橋塔墩及過渡墩

橋塔墩為柱式墩，墩底為直徑7m圓形實(shí)心截面，向上漸變?yōu)橹睆?3m圓形實(shí)心截面。承臺(tái)厚為4m，基礎(chǔ)采用12根直徑2.0m鉆孔灌注樁。

交接墩采用T形花瓶墩，墩底截面尺寸為3m×1.5m，基礎(chǔ)采用2根直徑1.8m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

5 施工方法

根據(jù)該橋施工條件和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主橋鋼箱梁采用頂推法架設(shè)[8]，主塔結(jié)構(gòu)采用分段安裝工藝，主塔施工完后，再進(jìn)行斜拉索掛設(shè)，斜拉索按照距離主塔由近到遠(yuǎn)依次逐根張拉。

6 結(jié)構(gòu)計(jì)算

6.1計(jì)算模型

采用空間有限元程序MIDASCivil進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算，橋塔采用梁?jiǎn)卧M，鋼箱梁采用梁格單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬，橋塔和主梁之間采用剛性連接。全橋有限元計(jì)算模型見圖6。

圖6 有限元模型

6.2 有限元分析結(jié)果

（1）在活載作用下，主梁的正、負(fù)撓度最大絕對(duì)值之和為120mm，撓跨比為1/750；塔頂縱向位移為12mm，位移與橋塔高的比值為1/4050。剛度均滿足規(guī)范[9]要求。

（2）基本組合下鋼箱梁縱梁最大拉應(yīng)力為177MPa，最大壓應(yīng)力為218MPa，最大剪應(yīng)力為120MPa；基本組合下鋼箱梁的橫隔板、橫向聯(lián)系梁最大拉應(yīng)力為156MPa，最大壓應(yīng)力為191MPa，最大剪應(yīng)力為82MPa；基本組合下橋塔最大壓應(yīng)力為175MPa，應(yīng)力均滿足規(guī)范[9]要求。

（3）斜拉索成橋階段最大索力為2513kN，基本組合下最大應(yīng)力為677MPa，疲勞應(yīng)力幅為79MPa，受力性能滿足規(guī)范[5]要求。

（4）對(duì)主橋進(jìn)行第一類穩(wěn)定分析，結(jié)果顯示在永久作用、可變作用的作用下，主橋1階失穩(wěn)模態(tài)為橋塔橫橋向屈曲，穩(wěn)定安全系數(shù)為11.4，主橋整體穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求[5]。

7 結(jié)語(yǔ)

墨水河大橋結(jié)合建橋條件，采用了主跨90m的獨(dú)塔中央雙索面鋼斜拉橋，張力十足，輕盈優(yōu)美，作為城市跨河橋梁，兼具景觀標(biāo)志作用。采用塔梁墩固結(jié)體系、STC鋪裝體系，克服了主橋結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定、寬幅主梁的扭轉(zhuǎn)、鋼橋面鋪裝耐久性等難題。該橋已于2020年開工，預(yù)計(jì)2022年建成通車。