張洪金
[上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司,上海市200092]
鋼桁梁橋是鋼結(jié)構(gòu)橋梁比較常用的橋型之一,具有外形雄偉壯觀、跨越能力大、結(jié)構(gòu)剛度大、承載能力高等優(yōu)點,世界上已建成鋼桁梁橋的最大跨徑超過了500 m[1]。國外的早期鐵路橋大多采用鋼桁梁橋,建成于1890年的英國福斯鐵路橋是一座兩跨懸臂鋼桁架橋,至今仍處于營運狀態(tài),這座大橋也代表了當(dāng)時世界橋梁建設(shè)的領(lǐng)先水平。
新中國成立后,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,我國的鋼桁梁橋技術(shù)水平有了長足的發(fā)展,逐步實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)形式多樣化、橋梁規(guī)模大型化、連接方式焊接化。1957年建成通車的武漢長江大橋,主橋為3 聯(lián)3×128 m連續(xù)米字型連續(xù)鋼桁梁橋,是第一座跨越長江的現(xiàn)代化大橋。1995年4月建成的孫口黃河大橋是我國第一次應(yīng)用整體節(jié)點和節(jié)點外拼接技術(shù)[1-2]的大橋。整體節(jié)點技術(shù)的應(yīng)用,提高了鋼梁工廠化制造程度,方便工地安裝,改善了工地工作條件。
寧波三官堂大橋工程南起江南路與院士路平交路口,路線向北跨越臘梅路、盎孟港路、甬江、寧鎮(zhèn)路后落地與中官西路平交。工程全長約3300 m,主線跨甬江采用橋梁方案,一跨過江,主橋采用連續(xù)鋼桁梁橋,跨徑布置為160+465+160=785 m,主線橋梁全長約2203 m,地面輔道全長約2680 m,主橋立面布置見圖1。
圖1 主橋立面布置(單位:m)
(1)道路等級:城市主干路。
(2)設(shè)計速度:60 km/h。
(3)橋面規(guī)模:雙向8 車道+兩側(cè)人非通道。
(4)設(shè)計荷載:城-A 級。
(5)通航標(biāo)準(zhǔn):海運Ⅲ級航道,凈寬140 m,凈高20 m,最高通航水位為3.27 m;跨甬江主橋一跨過江,江內(nèi)不可設(shè)墩。
(6)設(shè)計基本風(fēng)速:31.3 m/s。
(7)地震動峰值加速度:E1 為0.098g,E2 為0.162g。
(1)地形、地貌
本項目所屬地貌類型在甬江大堤兩側(cè)均為濱海沖湖積平原地貌,地貌類型單一,地勢平坦,在甬江南岸大堤向北150 m 左右為灘涂地貌,現(xiàn)狀蘆葦茂密??缭金幒硬蹖挾燃s450 m,航道繁忙,北岸碼頭林立,橋梁需考慮通航凈空要求,并應(yīng)考慮航道偏向北岸的實際情況。
(2)工程地質(zhì)
主橋主墩及邊墩上部軟土地層以淤泥質(zhì)黏土為主,主墩選擇10-2 層礫砂作為樁基持力層,邊墩采用9-1 層粉質(zhì)黏土作為樁基持力層,樁基均按摩擦樁計算,根據(jù)實際計算樁長。
(3)航空限高
本工程擬建場地西北方向有一座機場,即莊橋機場。本工程主橋基本正對現(xiàn)狀莊橋機場跑道,位于航線位置上,主橋主墩距現(xiàn)狀莊橋機場直線距離約3.3 km,橋梁方案需滿足機場限高的要求,結(jié)構(gòu)高度不得超限。
主橋上部結(jié)構(gòu)為三跨連續(xù)鋼桁梁,跨徑布置為160+465+160=785 m。桁架采用變高桁,桁式采用“N”形桁,跨中桁高14.5 m,邊墩頂桁高15.0 m,中墩墩頂桁高42.0 m。桁架基本節(jié)間距15.0 m,在中墩頂附近為18.75 m,主墩處橋面下設(shè)置V 撐。橋面系采用正交異性鋼橋面板,板桁結(jié)合,主桁橫斷面見圖2。
圖2 主梁橫斷面(單位:m)
主桁由兩片桁架組成,單片桁架包括上弦桿、下弦桿、V 撐、豎腹桿和斜腹桿。桁架節(jié)點采用焊接整體式節(jié)點,節(jié)段之間采用焊接連接。桁梁采用Q345qD、Q420qE 兩種鋼材。
上、下弦桿及V 撐均采用箱型斷面,上弦桿外寬2200 mm,外高1800~2800 mm,板厚12~55 mm;下弦桿外寬2200 mm,外高2000 mm,板厚16~50 mm;V 腿外寬2200 mm,外高3000 mm,板厚45~50 mm。弦桿頂、底、腹板均設(shè)板式縱向加勁肋,對于上、下弦桿一般斷面,頂、底、腹板各設(shè)兩道縱向加勁肋。
豎腹桿及斜腹桿斷面均為箱型,標(biāo)準(zhǔn)豎腹桿順橋向外寬1200 mm,橫橋向外寬2200 mm,板厚16~28 mm;斜腹桿順橋向外寬1200 mm,橫橋向外寬2200 mm,板厚12~36 mm。腹桿頂、底、腹板均設(shè)板式縱向加勁肋,其中腹板(橫橋向)設(shè)一道,頂、底板(順橋向)各設(shè)一道。
上、下弦桿及腹桿的斷面見圖3。
圖3 弦桿及腹桿斷面(單位:mm)
在上弦桿平面內(nèi)設(shè)置菱形上平聯(lián),上平聯(lián)由斜桿以及撐桿組成。上平聯(lián)斜桿采用箱形斷面,外寬600 mm,外高600 mm,板厚16~20 mm。標(biāo)準(zhǔn)上平聯(lián)撐桿采用焊接工字型斷面,外寬600 mm,外高600 mm,翼緣厚20 mm,腹板厚16 mm;墩頂處上平聯(lián)撐桿受力較大,采用箱形斷面,外寬800 mm,外高600 mm,板厚20~30m m。為減小上弦桿面外力,在主墩菱形平聯(lián)中間增設(shè)箱形撐桿,撐桿外寬800 mm,外高800 mm,板厚24 mm。上平聯(lián)及橫聯(lián)總體布置圖見圖4。
圖4 上平聯(lián)及橫聯(lián)總體布置圖(單位:mm)
在V 撐下弦桿平面內(nèi)設(shè)置K 形下平聯(lián),因受力較大,其斜桿及撐桿均采用箱形斷面。標(biāo)準(zhǔn)斜桿及撐桿外寬1500 mm,外高1200 mm,板厚16~24 mm。
主桁每兩個節(jié)間設(shè)置一道桁架式橫聯(lián),位于菱形平聯(lián)交點處。橫聯(lián)有3.0 m 高、3.5 m 高及4.0 m 高三種類型。標(biāo)準(zhǔn)橫聯(lián)腹桿采用雙槽鋼構(gòu)造,槽鋼規(guī)格為36 a;下弦桿采用焊接工字鋼,外寬600 mm,外高800 mm,翼緣厚24 mm,腹板厚16 mm。
在中支點處設(shè)桁架式橋門架,高8 m,腹桿及下弦桿均采用箱形截面,腹桿高660 mm,寬640 mm,下弦桿外寬800 mm,外高600 mm,板厚20~30 mm。
平聯(lián)及橫聯(lián)采用Q345qD 鋼材,槽鋼采用Q345D鋼材。
橋面系采用正交異性鋼橋面板,板桁結(jié)合,橋面板厚16 mm,下設(shè)8 mm 厚U 形閉口加勁。桁架節(jié)點位置設(shè)置箱形主橫梁,標(biāo)準(zhǔn)間距15.0m,主橫梁外高2000~2700 mm,外寬1200 m,板厚14~28 mm。主橫梁之間設(shè)置工字形副橫梁,副橫梁標(biāo)準(zhǔn)段間距為3.45 m,梁高800 mm,寬300 mm,腹板厚12 mm,底板厚16 mm。橋面橫向設(shè)置8 道工字形小縱梁,靠近主桁側(cè)小縱梁高2000 mm,其余小縱梁高1200 mm,底板寬400 mm,小縱梁腹板厚14~16 mm,底板厚16 mm。橋面系采用Q345qD 鋼材。
為了平衡邊墩支座處出現(xiàn)的負(fù)反力,邊跨邊墩頂17.1m 范圍橋面采用整箱結(jié)構(gòu),在箱形斷面內(nèi)采用容重為31 kN/m3的鐵砂混凝土集中壓重。箱形斷面梁高2400~2700 m,頂板厚16 mm,底板厚16~24 mm,每3.45 m 設(shè)置一道橫隔板,標(biāo)準(zhǔn)隔板板厚14~20 mm。
主墩承臺采用整體式承臺,平面上呈啞鈴形。承臺橫橋向尺寸為52.7 m,順橋向尺寸為19.0 m,中間系梁尺寸為10 m,承臺通厚6 m。主墩承臺下部采用30 根φ2.0 m 鉆孔灌注樁,樁長為84-86 m,樁端持力層為10-2 層礫砂層。主墩基礎(chǔ)構(gòu)造圖見圖5。
圖5 主墩基礎(chǔ)構(gòu)造圖(單位:mm)
邊墩采用框架式雙柱墩,兩根立柱中心線間為30.4 m,關(guān)于道路中心線對稱布置。墩柱采用箱形斷面,外觀呈矩形,斷面尺寸為5 m(橫橋向)×4.5 m(順橋向),壁厚0.7~1 m。邊墩蓋梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),空心矩形截面,斷面尺寸為6 m(順橋向)×3 m(橫橋向),頂、底、腹板厚0.5~1 m。
與主墩承臺類似,邊墩亦采用啞鈴形承臺,承臺平面尺寸為8.4 m(順橋向)×38.8 m(橫橋向),厚度3.0 m,中間系梁寬4.5 m。每個邊墩基礎(chǔ)下采用21根φ1.2 m 鉆孔灌注樁,樁長69 m,樁端持力層為9-1 層粉質(zhì)粘土層。邊墩及基礎(chǔ)構(gòu)造圖見圖6。
圖6 邊墩及基礎(chǔ)構(gòu)造圖(單位:mm)
主橋主墩采用140000 kN 級球形鋼支座,邊墩采用15000 kN 級球形鋼支座。主墩支座并聯(lián)疊層橡膠支座,在E2 地震作用下,允許縱向固定支座連接件順橋向破壞,通過疊層橡膠支座耗能,這種新型組合抗震體系不但有效地解決了本橋的抗震問題,同時也節(jié)約了工程造價。
主橋兩端采用單元式多向變位梳形板橋梁伸縮縫,滿足橋梁的縱向位移以及梁端轉(zhuǎn)角需要。
主橋設(shè)橋梁檢修車,檢修車分橋上檢修車與橋下檢修車兩種,各一部,全橋共兩部,均為桁式檢修車,檢修范圍覆蓋全橋。橋上檢修車軌道位于主橋上弦桿頂部,用于檢修上弦桿、腹桿、上平聯(lián)等橋面以上的結(jié)構(gòu);橋下檢修車懸掛于橋面系下方,用于檢修梁底。
主橋施工比選了懸臂拼裝、中跨大節(jié)段吊裝及轉(zhuǎn)體施工方案,綜合主墩基礎(chǔ)規(guī)模、對兩岸大堤的影響、對航道的影響、施工風(fēng)險及費用等因素,最終采取中跨節(jié)段懸臂拼裝、邊跨散拼的施工方案。
下部結(jié)構(gòu)采用先鉆孔灌注樁后澆筑承臺及墩柱的陸上橋梁下部結(jié)構(gòu)常規(guī)施工方案,上部結(jié)構(gòu)施工先從主墩墩頂處及邊跨施工開始。邊跨橋面系采用支架施工,橋面系及主桁桿件在工廠分段加工制造,船運至施工現(xiàn)場,利用運梁小車將橋面系逐段滑移至安裝位置。橋面系安裝完畢后自墩頂位置逐段焊接拼裝桁梁桿件,邊跨安裝完畢后分批次澆筑壓重混凝土,中跨鋼桁梁由橋面吊機按每15 m 一個節(jié)段逐段安裝直至中跨合龍。為改善體系受力,在安裝前預(yù)先將邊墩支點下壓0.8 m,待中跨合龍后頂升至原位。主橋施工步驟示意圖見圖7。
圖7 主橋施工步驟示意圖
三官堂大橋主橋采用大跨徑三跨連續(xù)鋼桁梁橋橋型,整個橋梁外觀簡潔舒展,大橋猶如金龍騰飛,以獨特的結(jié)構(gòu)體系、精致的構(gòu)造細(xì)節(jié)、優(yōu)美的景觀造型、創(chuàng)記錄的全焊接制造工藝,為同類型橋梁在結(jié)構(gòu)設(shè)計、工廠制造、施工架設(shè)等方面積累了豐富的經(jīng)驗。本橋目前已建成通車,其優(yōu)美的造型使該橋成為寧波市新的地標(biāo)性橋梁之一。