楊成峰，王少勛，高恩全

（1.浙江數智交院科技股份有限公司，浙江 杭州310030；2.舟山市交通工程試驗檢測中心有限公司，浙江 舟山316021）

0 引言

近幾十年來，城市化進程越來越快，與之密切相關的現(xiàn)代交通也得到了飛速的發(fā)展?，F(xiàn)代交通的發(fā)展離不開道路設施的建設，而橋梁結構作為道路交通的咽喉，起到了至關重要的作用。斜拉橋以其強大的跨越能力、良好的抗風性能、成熟的施工工藝以及優(yōu)美的景觀效果越來越多的應用于橋梁建設中，斜拉橋修建數量急劇增加，跨徑也不斷增大。

斜拉橋已成為跨越海峽一種重要的橋型結構，鋼混組合梁斜拉橋作為其中的一種類別，也得到了快速的發(fā)展。鋼混組合梁斜拉橋充分利用了鋼結構良好的抗拉性能和混凝土結構良好的抗壓性能，基于混凝土橋面板良好的受壓性能，改善了主梁的抗壓、抗彎性能以及主梁的整體剛度；很好地解決了鋼箱梁橋面鋪裝易損壞的問題；自重較混凝土梁輕，大大提升斜拉橋的跨越能力；解決了混凝土梁易開裂、耐久性差的缺點。因此，鋼混組合梁斜拉橋在世界范圍得到了廣泛的應用[1]。

本文依托舟山市富翅門大橋，針對跨海單索面鋼混組合梁斜拉橋結構體系及受力特點，對主梁結構設計、施工技術、抗風穩(wěn)定性以及結構耐久性設計等關鍵問題開展了探討分析。

1 工程概況

舟山市富翅門大橋[2]起點接甬舟高速富翅互通，設富翅門大橋跨富翅門水道，終點順接舟山329國道，并設岑港互通順接寧波舟山港主通道工程。富翅門大橋按雙向四車道高速公路等級設計，標準段橋面全寬27.5 m，設計速度為80 km/h，設計荷載等級公路-Ⅰ級，設計基準風速40.5 m/s，地震基本烈度Ⅶ度。通航等級為500噸級，通航凈空寬度180 m，凈高21 m。

橋位區(qū)氣候條件復雜，災害天氣頻繁，臺風登陸頻繁，風力大、風況復雜；地形條件復雜，水下地形呈“V”型，最大水深達56 m；橋位與航道軸線存在一定夾角，且位于航道彎道處。通過綜合比選，設計確定了跨越能力大、抗風性能好、造型美觀的雙塔單索面鋼混組合梁斜拉橋方案，跨徑組合57 m+108 m+340 m+108 m+57 m，總體布置見圖1。

圖1 富翅門大橋主橋總體布置（單位：m）

2 鋼混組合梁結構設計

2.1 主梁結構設計

組合梁斜拉橋主要斷面形式[3]有肋板式鋼混組合梁、分離式雙箱鋼混組合梁、半封閉鋼箱組合梁以及單箱三室鋼混組合箱梁。由于肋板式鋼混組合梁、分離式雙箱鋼混組合梁、半封閉鋼箱組合梁均僅適用于雙索面斜拉橋，而本橋由于岑港側邊跨變寬的限制采用了單索面的形式，故主梁采用了單箱三室鋼混組合箱梁結構。該斷面受力特點為結構整體性好、抗扭性能佳，具有良好的抗風性能。組合箱梁結構為封閉截面，相對于開口截面，具有良好的抗腐蝕、耐久性性能，能有效減少后期的養(yǎng)護費用，所以較多的應用于跨海橋梁中。

鋼混組合梁采用單箱三室箱形截面，見圖2。標準節(jié)段主梁頂板寬27.5 m，底板寬16.24 m，中心線處梁高3.5 m，頂面設置2%雙向橫坡。主梁由鋼主梁和混凝土橋面板兩部分組成。

圖2 主梁標準橫斷面（單位：m）

鋼主梁中心線處梁高2.95 m，底板寬16.24 m，頂板全寬20.3 m，由斜腹板、縱隔板、底板組成開放式單箱三室結構。斜腹板厚度為20 mm，縱隔板厚度為24 mm，底板厚為16 mm。斜腹板與底板上均設置開口寬300 mm、高280 mm，板厚6 mm的U型肋，標準間距為700 mm?？v腹板上縱向設置L型肋，板厚10 mm，間距為400 mm。在斜腹板與縱隔板頂上分別設置寬度為800 mm和3 600 mm的主梁面板，板厚24 mm。

混凝土橋面板兩側懸臂長度各為4 m，懸臂板端部厚度為20 cm，邊腹板頂80 cm寬和中箱直腹板360 cm寬的厚度為55 cm，邊箱跨中頂板厚度為28 cm，長度455 cm，兩邊板厚變化段長度150 cm。

2.2 主梁節(jié)段預制拼裝設計

為減少海上施工作業(yè)、提高施工質量，主梁采用節(jié)段預制、懸臂拼裝施工[4]，在預制梁場完成鋼結構的制作加工、混凝土頂板的澆注，并預留混凝土板的現(xiàn)場澆注寬度。

鋼主梁由專業(yè)公司加工制作，混凝土橋面板在鋼主梁上現(xiàn)澆生產，船運到現(xiàn)場。為減少鋼混組合梁混凝土收縮、徐變造成混凝土開裂，影響結構耐久性，結合梁整體節(jié)段施工完成后應至少存梁6個月后方可進行安裝，同時在主梁橋面板C60海工混凝土內添加纖維素纖維。

主梁節(jié)段濕接縫采用UHPC超高性能混凝土，相比傳統(tǒng)混凝土濕接縫，每節(jié)段施工周期可由13 d縮短為8 d，大幅提升懸臂拼裝工效。

2.3 變寬段結構計算分析

富翅門大橋接岑港互通，受互通設置限制，富翅門大橋岑港側邊跨位于互通變寬段，主梁相應變寬至35.5 m。變寬段構造新穎、受力復雜，有必要通過有限元軟件進行受力狀態(tài)分析。采用ANSYS空間有限元模型進行計算分析，等寬段采用梁單元模擬，變寬段采用殼、實體單元進行精細化空間模擬，見圖3。

圖3 主梁變寬段模型

有限元分析結果表明，底板、底板U肋、腹板以及混凝土頂板全斷面受壓，底板最大壓應力為66 MPa，腹板最大壓應力為84 MPa，橫隔板最大拉應力為85 MPa，混凝土頂板最大壓應力7.4 MPa,結構受力良好。

3 抗風穩(wěn)定性分析

主橋具有主跨跨徑大、結構阻尼低、主梁為單索面布置等的特點，橋位所在的舟山地區(qū)為亞熱帶海洋季風季候，夏秋多臺風，全年多大風，氣象條件十分復雜。因此，橋梁結構的風致響應及抗風穩(wěn)定性，是影響本橋施工安全和運營安全的重要問題。

3.1 結構動力特性分析

采用Midas/civil分析軟件建立有限元模型，主梁、橋塔采用空間梁單元模擬，其中主梁采用組合梁截面，斜拉索采用空間桿單元模擬。計算主要對橋梁施工中最大懸臂階段、運營階段進行抗風穩(wěn)定性分析。結構動力特性是抗風穩(wěn)定性分析的基礎，故首先要進行橋梁結構動力特性分析[5]。根據橋梁結構模型計算分析，動力特性計算結果見表1、表2。

表1 成橋階段結構自振模態(tài)表

表2 最大懸臂狀態(tài)結構自振模態(tài)表

3.2 抗風穩(wěn)定性分析

根據橋梁抗風設計規(guī)范，動力特性計算所得扭轉頻率和設計基準風速等計算顫振穩(wěn)定性指數[6]If=計算顫振穩(wěn)定性指數成橋狀態(tài)為3.4，最大懸臂狀態(tài)為3.1。

當顫振穩(wěn)定性指數If＜2時，可按抗風設計規(guī)范7.5.4條規(guī)定計算橋梁顫振臨界風速，當顫振穩(wěn)定性指數處于2≤If＜4時，可按規(guī)范7.5.4條規(guī)定計算橋梁顫振臨界風速，也可通過節(jié)段模型風洞試驗或虛擬風洞試驗進行檢驗，當顫振穩(wěn)定性指數4≤If＜10時，應進行主梁氣動選型，并通過節(jié)段模型試驗或全橋氣動模型試驗進行檢驗。

本橋顫振穩(wěn)定性指數處于2≤If＜4范圍，可按照抗風規(guī)范第7.5.4條、7.5.8條規(guī)定計算顫振臨界風速及顫振穩(wěn)定性檢驗Uf＞γfγtγαUd。成橋狀態(tài)為Uf=125 m/s＞71 m/s，最大懸臂狀態(tài)Uf=129 m/s＞71 m/s。計算表明成橋階段和最大懸臂階段顫振臨界風速大于橋址處的顫振檢驗風速，橋梁抗風穩(wěn)定性能滿足規(guī)范要求。

4 海洋環(huán)境的結構耐久性設計

4.1 鋼結構的耐久性設計

（1）防腐措施可以針對組合梁鋼箱不同部位，選擇不同的方法[7]。對于鋼箱外表面，采用金屬噴涂重防腐，設計使用年限須達到30～40 a。鋼箱梁底設置養(yǎng)護行車，便于運營期間檢查和維護以及施工期間梁底作業(yè)。

（2）鋼箱內壁構造復雜，表面積大，箱體密閉，空氣不流通。設計考慮采用除濕防腐，使箱內空氣相對濕度保持在50%以下，鋼結構表面長期處于干燥空氣環(huán)境中，防止鋼板表面銹蝕。

4.2 混凝土結構的耐久性設計

（1）結構混凝土均采用海工耐久性混凝土，對海工混凝土的材料選擇、配置要求作詳細規(guī)定，檢測指標參見表3。

表3 海工耐久混凝土抗氯離子滲透性要求（12 W齡期）

（2）浪濺區(qū)和水下混凝土摻加阻銹劑、海水耐蝕劑。嚴格控制鋼筋保護層厚度，保留施工用鋼護筒作為永久結構等措施，來增加鉆孔灌注樁的防腐性能。

（3）上部梁板及橋墩墩身、蓋梁、承臺等表面進行防腐蝕涂裝。

4.3 鋼-混凝土結合部位的耐久性設計

為了提高鋼-混凝土結合部位的密封性能，全橋所有結合面周邊均填充硫化型橡膠密封劑。同時，覆蓋混凝土的鋼梁上翼緣上表面兩側部分涂裝環(huán)氧玻璃鱗片漆，環(huán)氧玻璃鱗片漆具有優(yōu)異的耐水和耐化學品滲透，高附著力和機械強度，能有效抵抗界面的錯動，且具有良好的防腐性能。

4.4 維護和檢修設施

在橋梁運營期間應對結構進行定期的維護和檢修。檢修和維護通道就是對該工作能夠得以進行的基本保證，檢修和維護通道在橋梁結構設計時統(tǒng)一考慮，主梁內設置檢修通道，主梁外側設置橋檢車，主塔內設置爬梯、電梯等。

5 結 語

富翅門大橋是甬舟高速進入舟山本島的主要門戶，橋址區(qū)建設條件惡劣，對結構質量和耐久性要求高。受互通設置限制，主橋岑港側邊跨橋面寬度由27.5 m漸變?yōu)?5.5 m，提出適用于單索面的單箱三室鋼混組合箱梁截面，該斷面結構具有良好的抗風性能和耐久性能。大橋踐行工廠化設計理念，為減少海上施工作業(yè)、提高施工質量，主梁采用節(jié)段工廠預制、現(xiàn)場懸臂拼裝施工，并在國內首次將超高性能混凝土應用到跨海鋼混組合梁斜拉橋濕接縫，每節(jié)段施工周期由傳統(tǒng)混凝土的13 d縮短為8 d，大幅提升懸臂拼裝工效。建立有限元計算模型，對橋梁施工中最大懸臂階段、運營階段進行抗風穩(wěn)定性分析，表明大橋具有良好的抗風性能。針對大橋所處的海洋環(huán)境，采取多項設計措施，全方位提升海洋環(huán)境下的橋梁結構耐久性。