楊勝， 樊小偉

(中交第二航務工程勘察設計院有限公司， 湖北 武漢 430060)

1 工程概況

巴東清江特大橋位于湖北省恩施州巴東縣水布埡鎮(zhèn)，是鄂西山區(qū)修建的又一座大跨徑橋梁，是湖北省道巴(東)鶴(峰)公路的控制性工程(圖1)，主橋跨徑420 m，采用單跨雙鉸鋼桁架懸索橋。

圖1 巴東清江特大橋實景圖

巴東清江特大橋位于水布埡大壩上游，直線距離約1.8 km。橋位處地形為“V”字形峽谷，起終點岸坡度分別為50°、40°，起點岸坡高程為420～480 m，終點岸坡平臺高程為390 m左右，河床高程為190～210 m，地貌形態(tài)屬于剝蝕中山區(qū)峽谷地貌河谷地帶。

大橋設計采用雙向兩車道，主橋兩側設置人行道，橋梁寬度為12 m。橋梁設計車速為40 km/h，設計荷載：公路-Ⅰ級，人群荷載為2.5 kN/m2。巴東清江特大橋通航等級為規(guī)劃內河Ⅲ(1)級航道，最高通航水位為398.22 m，雙向通航孔凈寬210 m，凈高10 m。設計風速：橋面設計基準風速為31.0 m/s，地震烈度Ⅵ度。

2 大橋總體布置

巴東清江特大橋總體布置為(2×25+420+3×25) m，橋梁全長565 m，主橋采用420 m單跨雙鉸鋼桁架懸索橋，主纜垂跨比為1/9.6，主纜橫向間距為13.3 m，邊散索點至塔中心線120 m。橋梁寬度：2 m人行道+8 m車行道+2 m人行道。橋塔采用混凝土主塔，主塔高101.5 m。橋梁總體布置立面見圖2。

圖2 巴東清江大橋總體布置立面示意圖(單位：m)

3 主橋結構設計

3.1 主梁

主橋鋼桁梁由主桁架、上平聯、下平聯、橫向桁架組成。主桁架采用華倫式，桁高3.6 m(上下弦桿中心距)，桁寬13.3 m，小節(jié)間長度6.0 m，標準吊裝節(jié)段長度12.0 m，每6 m設置橫向桁架。上、下平聯采用K形體系。主桁架弦桿、橫梁桁架弦桿采用箱形截面，腹桿及平聯采用工字形截面，主梁構造布置示意圖見圖3。

圖3 主梁構造布置示意圖(單位：m)

主梁在橋塔橫梁處設置兩個雙向移動的拉壓豎向支座，該支座不僅承受主梁反力，還能有效約束梁端扭轉位移。在加勁梁兩端各設置4個水平支座，水平支座不對恒載及汽車荷載發(fā)揮作用，僅用于橫向抗風及橫向抗震功能。

為提高抗震性能，在主橋順橋向兩側橋塔橫梁處設置高阻尼裝置——黏滯阻尼器，以增加結構的阻尼耗能能力，降低地震響應，控制主梁位移，避免在地震力作用下相鄰構件之間的碰撞。每塔設置2組，全橋共設置4組。阻尼器與主塔、主梁的連接見圖4。

圖4 阻尼器與主塔、主梁的連接圖(單位：mm)

3.2 橋面系

橋面板采用C40鋼筋混凝土實心板，縱向板長6 m,橫向4塊，每塊預制板寬2.55 m。采用預制吊裝，預制板之間采用60 cm濕接縫連成整體。

3.3 橋塔

橋塔為主塔柱、上橫梁、下橫梁組成的門形框架結構；橋塔主塔柱、上橫梁、下橫梁均采用空心矩形截面。塔柱底標高為395.500 m，塔高為101.5 m。橋塔基礎采用8根φ2.5 m鉆孔灌注樁群樁基礎。承臺采用矩形承臺，承臺厚5.0 m。

3.4 主纜及吊桿

主纜采用1/9.6的垂跨比，中跨主纜計算跨徑420 m，邊跨主纜計算跨徑120 m。主纜橫橋向間距13.3 m，主纜共計52束索股，單索股為91φ5.1 mm高強鋼絲，主纜架設時為正六邊形，緊纜后為圓形，索夾內空隙率為18%，索夾外空隙率為20%，索夾內直徑為387.4 mm，索夾外直徑為392.2 mm。

吊索采用高強度鍍鋅鋼絲平行集束為索體的單吊索，吊索分為61絲φ5.1 mm鍍鋅高強鋼絲和73絲φ5.1 mm鍍鋅高強鋼絲。

3.5 索鞍、索夾

主索鞍采用縱、橫肋間接傳力方式設計，索鞍由座體、底座、拉桿、鋅填塊、隔板、螺栓等部件組成。座體采用鑄焊結合型結構，分為上下兩部分。上部為鑄造鞍頭，其頂部為鞍槽；下部為鞍身，由豎向縱肋板、向心狀豎向橫肋板、水平橫肋板、座體底板、上承板、不銹鋼滑板及側肋板等組焊形成。主索鞍施工預偏63.2 cm。主索鞍、散索鞍構造示意見圖5。

圖5 主索鞍、散索鞍構造圖(單位：mm)

散索鞍采用擺軸式結構，由鞍頭、座體、底座、壓緊梁、拉桿、鋅填塊、隔板、螺栓、墊板、上下擺軸、錐形銷、密封條等部件組成。鞍槽采用鑄鋼鑄造，鞍體上部由鋼板焊成、底部為鍛鋼件，鞍槽、鞍體上下部通過焊接連為一體。

索夾采用上下兩半對合式索夾，該橋索夾共3大類：① 位于中跨區(qū)、用于連接主纜與吊索的吊索索夾；② 位于邊跨、用于主纜定型的緊箍索夾；③ 位于塔頂主索鞍出口處及錨碇錨室出口處防護密封的密閉索夾。

3.6 錨碇

兩岸錨碇均采用隧道式錨碇，隧道錨的采用降低了工程造價。錨塞體為變截面楔形棱體，長嶺岸錨體長度為18 m，泗淌岸錨體長度為15 m，后錨室長度均為2.2 m；前錨面均為7.0 m×7.6 m(寬×高)，頂部為圓弧形，圓弧半徑3.5 m；后錨面長嶺岸為8.2 m×11.08 m(寬×高)、泗淌岸為8.0 m×10.5 m(寬×高)，頂部圓弧半徑為4.1 m。

4 主要結構計算

4.1 有限元模型

采用通用有限元程序Midas/Civil建立全橋模型(采用橋梁結構非線性分析系統(tǒng)BNLAS復核驗算)，全橋共劃分為3 306個單元，1 545個節(jié)點。有限元模型如圖6所示。

圖6 全橋有限元模型

4.2 設計荷載

設計荷載參數取值：① 混凝土重度26.0 kN/m3,鋼材重度78.5 kN/m3,瀝青重度24.0 kN/m3；② 整體升降溫按30 ℃計；③ 運營風荷載風速Vd=25 m/s；④ 支座沉降按0.5 cm(樁基位于中風化灰?guī)r)計；⑤ 人群荷載標準值為2.5 kN/m2；⑥車輛荷載為公路-Ⅰ級。

4.3 主纜及吊桿應力

根據有限元計算結果，主纜標準組合最大應力為626.1 MPa,安全系數為2.67，吊桿標準組合最大應力為532.0 MPa，安全系數為3.14。

4.4 主梁應力

主梁運營階段主要組合應力如表1所示。

表1 標準組合主梁最大應力匯總

4.5 抗風顫振穩(wěn)定計算

根據《清江特大橋橋位氣候背景和風參數專題研究報告》，地表粗糙度屬于D類，風剖面指數為0.3，橋面高度處的設計基準風速為：Vd=31 m/s；根據JTG/T D60-01—2004《公路橋梁抗風設計規(guī)范》的規(guī)定，橋梁的顫振檢驗風速為：[Vcr]=1.2×1.4×31=52.08 m/s。采用Midas/Civil有限元程序建立模型，進行特征值分析。

按規(guī)范公式計算顫振穩(wěn)定指數為：If=7.6>7.5，需要進行風洞試驗以檢驗顫振的穩(wěn)定性。該橋進行節(jié)段模型風洞試驗，根據試驗結果，采取在橋面中央橫梁下設置中央穩(wěn)定板的抗風構造措施，顫振臨界風速高于顫振檢驗風速，抗風穩(wěn)定滿足要求。

5 主要施工流程

5.1 主橋主要施工流程

主塔、索道錨施工→吊裝鞍座→架設導索→安裝貓道→安裝主纜索股→緊纜及安裝索夾→吊桿安裝→吊裝節(jié)段鋼桁梁→吊裝預制橋面板→橋面附屬設備施工。

5.2 主梁吊裝施工

鋼桁梁吊裝時以先吊裝的兩岸B1和B1′梁段為后續(xù)梁段的起吊平臺，其他梁段采用跨纜吊機運輸起吊?？缋|吊機帶梁行走方式整節(jié)段吊裝鋼桁架梁的新技術，克服了無垂直吊裝鋼桁梁條件下采用桿件吊裝的缺陷，簡化了工藝，節(jié)省了場地和工期，降低了造價?？缋|吊機帶梁行走吊裝主梁如圖7所示。

圖7 跨纜吊機帶梁行走吊裝主梁照片

6 主要科研試驗

該橋雖然在懸索橋中為中小跨徑，但是橋梁寬跨比較小，山區(qū)峽谷風較大，施工條件較差，設計施工難度與千米級懸索橋相差不多，為保證橋梁安全，在設計施工中進行的主要科研試驗如下：

(1) 為了確定橋位區(qū)風參數，設計階段進行了橋位氣候背景和風參數專題研究，確定了橋位區(qū)風參數。

(2) 為了確定該橋的抗風性能，設計階段對該橋進行了節(jié)段模型風洞試驗，經濟合理地確定該橋抗風構造措施。

(3) 為了驗證錨塞體與巖體的整體效應，采用隧道錨縮尺模型試驗，以驗證錨塞體尺寸的合理性。

(4) 為了保證橋梁運營安全，成橋后對主橋進行了車載試驗，通過應力及線形的檢測結果反饋，主橋成橋狀態(tài)與設計吻合度良好。

7 結語

巴東清江特大橋是鄂西山區(qū)成功建設的一座中等跨度懸索橋。山區(qū)低等級公路上建設懸索橋，由于大節(jié)段運輸困難，常采用鋼桁架主梁，鋼桁架主梁可以化整為零，采用桿件運輸到現場，再用高強螺栓拼裝為節(jié)段，解決了運輸問題；同時通過降低吊裝節(jié)段重量，采用跨纜吊機帶梁行走方式整節(jié)段吊裝鋼桁架梁的新技術為主梁吊裝提供了新的選擇。目前該橋已完成交工驗收，結束了巴東水布埡鎮(zhèn)清江兩岸以船代渡的歷史，方便了百姓出行。該橋的建設造就了“綠水、青山、大壩、大橋”渾然一體的立體景觀，長嶺岸設置觀景平臺方便游客觀賞，帶動了當地旅游業(yè)發(fā)展。