趙維賀

北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 100082

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)城市建設(shè)管理水平日益提升，人們對(duì)城市建設(shè)景觀要求越來(lái)越高，永定河特大橋確定實(shí)施方案為寓意“和力之門”的斜拉剛構(gòu)組合體系，鋼梁、鋼塔斜拉橋。本方案外觀簡(jiǎn)潔大方，與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)融洽。但由于道路線位與河道形成57°斜交角，8 車道寬橋面功能需求，給本工程帶來(lái)許多結(jié)構(gòu)難題：處理斜寬橋、曲面鋼塔的局部穩(wěn)定、主梁超大高厚比腹板穩(wěn)定、大尺度橫斷面鋼塔與混凝土基礎(chǔ)的錨固連接、異形扭曲變截面鋼塔節(jié)段之間連接、扭曲鋼塔施工架設(shè)等一系列的問(wèn)題。本文著重介紹了永定河大橋的總體設(shè)計(jì)，并對(duì)一系列關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，提出合理可行的處理方法。

1 工程概況

永定河特大橋?yàn)楸本┦虚L(zhǎng)安街西延道路工程（古城大街-三石路）跨越永定河的一座特大型橋梁。橋位處規(guī)劃河道斷面寬455m，常水位水面寬270m。綜合考慮橋位處河床演變、工程地質(zhì)、地形等特定的建設(shè)條件，永定河大橋主橋采用北半橋跨徑組合為（50 ＋133 ＋280 ＋120 ＋56）m，南半橋跨徑組合為（50 ＋158.1 ＋280 ＋94.9 ＋56）

m的斜拉橋，主橋全長(zhǎng)639m，橋梁中心線與永定河河道中線夾角為57.36°，主橋采用雙塔斜拉-剛構(gòu)組合體系橋型方案，如圖1 所示。道路功能定位為城市主干路，橋面布置雙向8 車道，設(shè)計(jì)行車速度60km／h，兩側(cè)分別設(shè)置3.5m寬非機(jī)動(dòng)車道，2.5m 寬人行道，橋梁寬度47 ～54.7m漸變，主跨跨中標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖2 所示。汽車荷載等級(jí)為城A。地震基本烈度為8 度，設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)峰值加速度0.2g，抗震設(shè)防措施等級(jí)9 級(jí)。橋梁設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為300 年一遇。

圖1 永定河特大橋（單位： m）Fig.1 Yongding River Bridge（unit：m）

圖2 主跨跨中標(biāo)準(zhǔn)斷面（單位： m）Fig.2 Main span mid-span standard section（unit：m）

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)體系

本橋?yàn)樾崩瓌倶?gòu)組合體系［1］，高塔與梁、墩固結(jié)，矮塔與梁固結(jié)，梁底設(shè)置單向活動(dòng)支座，各輔助墩及分聯(lián)墩均設(shè)置單向活動(dòng)支座。

2.2 索塔設(shè)計(jì)

主橋橋塔采用全鋼結(jié)構(gòu)傾斜拱形塔，兩塔肢的塔柱中心線在塔底與基座連接處的順橋向間距均為25.1m，形成同一塔柱的兩塔肢非一致傾斜。高塔在橋面以上垂直塔高約為112.195m，整塔傾斜角度約為66°，單側(cè)塔柱傾斜角度北側(cè)約為61.251°，南側(cè)約為71.127°（圖3）；矮塔在橋面以上垂直高度約為65.915m，整塔傾斜角度約為66°，單側(cè)塔柱傾斜角度北側(cè)約為58.443°，南側(cè)約為74.554°（圖4）。塔柱根部設(shè)有拱形門洞供行人及非機(jī)動(dòng)車通過(guò)。由于景觀需求，在塔柱迎車面翼緣板部分設(shè)凹槽。

圖3 高塔外形示意（單位： m）Fig.3 Outline diagram of the tallest bridge towe（unit：m）

圖4 矮塔外形示意（單位： m）Fig.4 Outline of the shortest bridge tower（unit：m）

2.3 主梁設(shè)計(jì)

永定河特大橋主橋共5 孔，均為焊接鋼梁，主結(jié)構(gòu)由南北兩根主縱梁和大橫梁（含正交異性橋面系）構(gòu)成［2］。主縱梁中孔鋼梁跨中高3.3m（圖2），支點(diǎn)高約10m。中孔跨中設(shè)置合龍段梁長(zhǎng)3m，梁底面縱向按照?qǐng)A弧曲線過(guò)渡到高塔和矮塔根部，與高塔承壓板和矮塔底板銜接。中孔主縱梁鋼箱由跨中單箱四室變化至塔根部單箱五室。主縱梁邊孔和輔助孔梁高為3m，頂、底板平行；主縱梁邊孔和輔助孔均為單箱四室。腹板厚度變化范圍40mm ～16mm。主縱梁鋼箱內(nèi)每隔3m設(shè)置一道橫隔板，橫隔板與大橫梁一一對(duì)應(yīng)。隔板間設(shè)置一道T形腹板豎肋。輔助孔主梁為輔助墩至分聯(lián)墩范圍，全寬47m，梁高3m，外側(cè)鋼箱與邊跨一致，腹板厚度變化范圍25mm ～16mm。采用整體鋼箱斷面，每隔6m 設(shè)置一道14mm厚實(shí)腹式橫隔板，每?jī)傻缹?shí)腹式橫隔板之間設(shè)置一道14mm厚空腹式橫隔板。中孔和邊孔主縱梁之間設(shè)置大橫梁，大橫梁跨徑25.20m，順橋向間距3m，大橫梁兩端高3m，跨中高2.2m，下緣按圓曲線變化。大橫梁間設(shè)置三道通長(zhǎng)小縱梁，小縱梁梁高1.75m。

2.4 拉索設(shè)計(jì)

斜拉索采用高強(qiáng)鍍鋅平行鋼絲索，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1860MPa。拉索采用扇形布置，主梁上拉索間距5m ～11m，索塔上拉索間距3.4m ～7.4m，全橋拉索合計(jì)112 根，根據(jù)不同索力分別選用兩種型號(hào)139?7、151?7［3］。

2.5 輔助墩及分聯(lián)墩

墩柱截面為正方形，由墩底向墩頂線性變化，截面寬度3.2m ～1.9m。承臺(tái)尺寸為7.30m×7.30m × 2.65m，每個(gè)承臺(tái)下設(shè)置四根樁徑1.80m的鉆孔灌注樁。

2.6 伸縮縫及支座

高塔側(cè)分聯(lián)墩采用320 型減噪伸縮縫，矮塔側(cè)分聯(lián)墩采用560 型減噪伸縮縫。全橋支座均采用承載力和耐久性較好的球型鋼支座，除高塔為塔梁墩固結(jié)外，其余墩柱均設(shè)置單向活動(dòng)支座。分聯(lián)處設(shè)900t單向活動(dòng)抗震型球型鋼支座，每軸4 個(gè)；輔助墩采用1200t 單向活動(dòng)抗震型球型鋼支座，每軸3 個(gè)；矮塔豎向支座為單向活動(dòng)球型鋼支座，豎向承載力7500t，每個(gè)塔柱底設(shè)2 個(gè)，全橋共4 個(gè)。

3 主要結(jié)構(gòu)分析

3.1 靜力分析

采用MIDAS Civil 對(duì)橋梁成橋狀態(tài)及施工過(guò)程進(jìn)行分析［4-6］，圖5 為大橋空間有限元模型圖。計(jì)算表明，在最不利荷載工況標(biāo)準(zhǔn)組合下，主梁最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力均滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）要求?；钶d作用下主梁跨中的最大上拱度為4.6cm，最大撓度為15cm，變化幅度為19.6cm，小于《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG D65-01—2007）規(guī)定的主梁跨徑的1／400 即70cm；過(guò)渡墩在活載作用下不產(chǎn)生拉力，拉索的索力分布較為均勻，應(yīng)力幅滿足平行鋼絲斜拉索性能要求。

圖5 大橋空間有限元模型Fig.5 Finite element model

3.2 動(dòng)力分析

采用空間有限元進(jìn)行結(jié)構(gòu)自振特性、抗風(fēng)、抗震分析［7］，結(jié)構(gòu)體系自振特性一階頻率為0.55Hz，對(duì)應(yīng)模態(tài)為主梁中跨對(duì)稱豎彎，第二、第三階分別為0.76Hz 和0.84Hz，對(duì)應(yīng)模態(tài)分布為主梁全橋反對(duì)稱豎彎和高塔橫彎。根據(jù)抗風(fēng)性能分析，永定河大橋具有較好的顫振穩(wěn)定性和靜風(fēng)穩(wěn)定性［8］，塔柱施工狀態(tài)主梁可滿足抗風(fēng)要求，成橋狀態(tài)具有足夠的抗風(fēng)安全性。通過(guò)采用100 年5%和100 年2%兩水準(zhǔn)設(shè)防反應(yīng)譜分析，取前100 階振型按CQC方法進(jìn)行組合，計(jì)算結(jié)果表明永定河大橋抗震性能良好。表1 為前10 階模態(tài)的周期和頻率。

表1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性頻率、振型列表Tab.1 Frequency and mode list of structural dynamic characteristics

4.3 鋼塔錨固處地震作用核算

高塔基座采用C40 混凝土，錨固螺栓為40CrNiMoA級(jí)高強(qiáng)鋼棒，定義箍筋以內(nèi)范圍混凝土為C40 約束混凝土，箍筋以外范圍為C40 非約束混凝土，主受力鋼筋為85根70mm直徑的高強(qiáng)鋼棒，斷面情況按實(shí)際位置模擬。分別計(jì)算在豎向軸力1萬(wàn)噸、1.7萬(wàn)噸下各向彎矩包絡(luò)圖如圖6所示。（JTG D64—2015）平面加勁板局部穩(wěn)定容許應(yīng)力折減進(jìn)行雙折減規(guī)定（穩(wěn)定折減系數(shù)為1），則塔頂局部穩(wěn)定折減系數(shù)為0.85 ×1 ＝0.85 進(jìn)行承載力控制核算。

圖6 高塔基座彎矩包絡(luò)圖（單位： kN·m）Fig.6 Bending moment envelope diagram of tower base（unit：kN·m）

4 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題及處理對(duì)策

4.1 曲面加勁板的局部穩(wěn)定研究

本工程鋼橋塔為三維空間扭轉(zhuǎn)塔柱，為壓彎扭剪三維復(fù)合受力構(gòu)件，各主要受力板件均為三維曲面帶肋板。《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）中有關(guān)局部穩(wěn)定的條文規(guī)定仍是基于傳統(tǒng)的平板彈性屈曲理論進(jìn)行分析的結(jié)果，無(wú)法適用于本橋所采用的三維曲面帶肋板。本工程通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)行6 組試件實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬分析進(jìn)行回歸修正，再通過(guò)數(shù)值分析不同曲率對(duì)曲板的承載力影響程度，進(jìn)而得出相同板厚及加勁設(shè)置的曲板與平板的極限承載力相關(guān)折減系數(shù)［9］。并進(jìn)行回歸擬合得出不同曲率k 與局部穩(wěn)定折減系數(shù)ρ的相關(guān)曲線，如圖7 所示。本工程橋塔頂部彎曲程度最大位置的加勁板穩(wěn)定折減系數(shù)為0.85，結(jié)合《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》

圖7 局部穩(wěn)定折減系數(shù)ρ 與曲率kFig.7 Local stability reduction factor ρ and curvature k

4.2 鋼索塔與基座之間的連接方式

鋼塔與基礎(chǔ)連接部的主要作用是將鋼塔柱承受的巨大軸向壓力順暢地傳遞到混凝土基礎(chǔ)，另外由于鋼橋塔承受縱橋向的不對(duì)稱活載作用，以及橫橋向的風(fēng)荷載及與地震作用，導(dǎo)致塔-基連接部還可能承受很大的水平力和彎矩。實(shí)際工程中鋼橋塔與混凝土基礎(chǔ)之間的連接，有埋入式連接與螺栓錨固式連接兩種方式。鑒于永定河大橋塔柱壁板厚度達(dá)到52mm，且壁板四周應(yīng)力明顯不均，塔柱錨固平面尺寸達(dá)到14.85m×16m。若采用埋入式連接，其埋入深度過(guò)大，剪力釘群、及開孔板剪力鍵受力極不均勻，通過(guò)剪力鍵及混凝土受剪傳力，易造成混凝土內(nèi)部受拉，基座受力不利。另外焊接剪力釘，鋼板開孔穿入鋼筋等工藝使施工難度及繁瑣程度陡增。螺栓錨固式連接，承壓板與基座頂面?zhèn)鬟f壓力，錨固螺栓錨固承擔(dān)彎矩，傳力路徑明確，構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便。通過(guò)比選決定選用螺栓錨固方案，承壓板厚150mm，錨固螺栓采用高強(qiáng)合金結(jié)構(gòu)鋼40CrNimoA，直徑70mm，屈服強(qiáng)度835MPa，極限強(qiáng)度980MPa，每個(gè)塔肢設(shè)置75 根錨固螺栓［10］。采用無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨固方式，每個(gè)螺栓預(yù)拉力為1300kN，保證E2 地震作用工況下，鋼塔底承壓板與基座不脫空。承壓板與基座之間預(yù)留50mm間隙進(jìn)行后壓漿，要求承壓板與壓漿層的接觸率不小于85%。

4.3 鋼索塔安裝方式

根據(jù)“拱形”鋼索塔的特點(diǎn)，可采用“豎轉(zhuǎn)施工”和“節(jié)段吊裝”兩種方法安裝。整體豎轉(zhuǎn)施工方式，需要在鋼箱梁橋面現(xiàn)場(chǎng)焊接、拼裝鋼索塔，制造完成頂推到位后，再實(shí)施豎向轉(zhuǎn)體施工工藝，將平躺在橋面上的主塔“豎起”，即采用“先梁后塔”順序施工。“豎轉(zhuǎn)施工”對(duì)臨時(shí)支架搭設(shè)要求較高，支架規(guī)模較為龐大，費(fèi)用較高，對(duì)河道的影響也較大；在轉(zhuǎn)體施工期間，需長(zhǎng)期占用永定河河道；在復(fù)雜的環(huán)境中實(shí)施豎向轉(zhuǎn)體，施工控制難度較高，風(fēng)險(xiǎn)也較大，綜合考慮后不推薦采用。采用“支架上節(jié)段吊裝”方案，可借用大型塔吊或龍門吊吊裝，施工方便，操作靈活，風(fēng)險(xiǎn)基本可控。鑒于塔柱安裝精度較高，可加強(qiáng)塔柱安裝階段的安裝線形控制，建立塔柱安裝誤差累積監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)及修正系統(tǒng)。節(jié)段制造需修正不同時(shí)期安裝溫度差異以及索塔自重下壓縮變形的影響，通過(guò)節(jié)段焊縫間隙及角度修正等手段及時(shí)調(diào)整安裝誤差。能夠使本工程異形扭曲鋼塔架設(shè)精度得到保障。

5 結(jié)語(yǔ)

永定河大橋采用空間索面拱形索塔斜拉剛構(gòu)形式，空間線形、體量比例和諧，較好解決了“超寬橋面”與“斜度大”之間的矛盾。通過(guò)合理的體系設(shè)計(jì)解決了超寬橋面、斜度大的斜拉橋可行性、安全性問(wèn)題。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值分析比對(duì)，公式回歸擬合，得出曲板局部穩(wěn)定與同規(guī)格平板局部穩(wěn)定折減系數(shù)關(guān)系，切實(shí)指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作，使曲面板穩(wěn)定設(shè)計(jì)超越規(guī)范規(guī)定范疇問(wèn)題得以有效解決。通過(guò)工程案例調(diào)研分析，結(jié)合國(guó)內(nèi)工程鋼結(jié)構(gòu)制造、施工水平，結(jié)合實(shí)體注漿實(shí)驗(yàn)研究，提出超大斷面鋼塔合理簡(jiǎn)單的錨固方式，提出合理的注漿接觸率要求，解決了采用平面尺寸超過(guò)200m2的承壓板錨固的難題。通過(guò)方案比較，提出采用扭曲鋼塔支架架設(shè)的合理工法，具有施工方便、操作靈活，風(fēng)險(xiǎn)可控等諸多優(yōu)勢(shì)，保證本工程順利實(shí)施。本工程諸多技術(shù)難題得以攻克解決，為城市景觀性鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。