范和港大橋主橋邊跨輔助墩設置探討

吳海平

(廣東省公路勘察規劃設計院股份有限公司，廣東廣州 510507)

1 工程概況

范和港大橋位于廣東省惠州市惠東縣，橫跨大亞灣東側的范和港海灣。橋梁全長2.741 km。主橋采用雙塔單索面預應力混凝土斜拉橋，跨徑組合為(152+300+152)m。主梁全寬26.9 m，采用近似三角形斷面。主塔塔高76 m，采用獨柱形塔。主墩采用圓端形截面。引橋采用43孔50 m跨預應力混凝土連續箱梁，移動模架法施工。

2 主要技術標準

1)設計荷載:公路—Ⅰ級;2)設計速度:100 km/h;3)公路等級:雙向四車道高速公路;4)設計洪水頻率:1/300;5)地震:地震動峰值加速度為0.10g(10%，50年);6)設計基本風速:43.6 m/s;7)通航凈空:單孔雙向通航，通航凈空不小于260 m×38 m;8)航道等級:5 000 t級海輪。

3 輔助墩設置一般原則

3.1 一般設置原則

斜拉橋的總體布置應綜合考慮橋位處地形、地勢、通航、水文、氣象、地質等建設條件及要求，根據結構受力情況，遵循技術先進、經濟合理、景觀協調等原則進行總體優化設計后確定。而輔助墩是總體布置的一個重要要素，其設置與否，應根據總體布置情況及全橋剛度、拉索疲勞應力幅、邊孔橋墩高度、邊孔通航要求、施工抗風安全以及經濟和使用性能等具體情況而定。當邊孔橋墩高度不大，基礎施工難度及費用不高，特別是自身結構具有抗船撞能力時，從提高全橋結構剛度、減小拉索疲勞應力幅、改善施工抗風安全及優化使用性能等方面考慮應盡量設置輔助墩。

3.2 設置輔助墩的優缺點

設置輔助墩的優點如下:

1)可顯著提高全橋總體剛度，有效改善結構的受力狀態，減少幾何非線性效應影響。大量設計實踐表明，加設輔助墩后，邊跨主梁彎矩、塔根彎矩、塔頂水平位移和主梁跨中撓度都大大減小，一般約為原來的40%～65%;

2)可大大減小拉索的應力變化幅度，一般約為原來的50%，使“尾索”(或稱背索)這個概念逐步淡化或消失;

3)輔助墩的設立使邊中跨布置變得更為自由，邊中跨比甚至可達到0.7左右，這使得邊跨橋墩的布置變得更為自由，同時對在立面上盡量舒展的美學要求得以實現，使得技術、經濟、美觀得以協調統一;

4)不通過壓重即可消除邊墩的負反力;

5)可提前結束主梁懸臂施工中的最大雙懸臂階段，對大橋施工期抗風有利，增加施工期的安全。

當然設置輔助墩也存在以下缺點:

1)邊孔各橋跨跨度變小，臨近通航區橋墩數量變多，船撞風險變大。當自身結構不具備抗船撞能力時，輔助墩防撞設施費用較大;

2)當邊孔橋墩高度較大、輔助墩處河槽較深時，則輔助墩基礎施工費用較高。

3.3 不設輔助墩的特點

不設輔助墩時，為提高結構剛度、優化結構使用性能、改善施工抗風能力及減小拉索疲勞應力幅，雙塔混凝土斜拉橋邊中跨比一般在0.45左右，但橋梁立面不夠舒展，景觀效果稍差。與0.5邊中跨比設輔助墩時相比，除缺項輔助墩費用外，其余費用不會減少，但兩邊引橋加長以及邊跨部分支架現澆費用變大，全橋總體費用則一般變化不大，但可減小邊孔船撞風險。

同時也存在著以下缺點:

1)邊中跨比接近0.5時，結構剛度相對設置輔助墩時大為減小，幾何非線性效應增大，使用性能變差，施工期抗風能力減弱;

2)邊跨尾索疲勞應力幅增大，容易出現疲勞問題;

3)活載往往在邊跨梁端附近產生很大的正彎矩，導致梁體轉動，伸縮縫易受損。

4 范和港大橋主橋總體設計

4.1 邊中跨比例一般原則

范和港大橋主橋為雙塔單索面斜拉橋。一般情況下雙塔三跨斜拉橋按恒載平衡的設計原則確定邊中跨比例?！霸诓豢紤]設置輔助墩時邊中跨比宜為0.30～0.5，其中鋼主梁宜為0.30～0.40，組合梁宜為0.40～0.50，混合梁宜為0.30～0.45，混凝土主梁宜為0.4～0.45”［6］。從國內外已建雙塔三跨混凝土斜拉橋(無輔助墩)實例來看，也有部分橋梁邊中跨比接近0.5甚至突破0.5，如日本北海道清森橋(240 m跨，邊中跨比0.538)，浙江溫州甌江二橋(主跨270 m，邊中跨比0.5)，湖南湘潭湘江三橋(主跨270 m，邊中跨比0.493)等(見圖1)。

在邊跨設置輔助墩，則可顯著提高橋梁整體剛度，邊中跨比選擇更為自由(見圖2)。

4.2 主橋總體設計

范和港大橋根據橋位處地形地貌、水文、氣象、地質、潮汐潮流、通航等建設條件及要求，在滿足通航要求的前提下，遵循技術先進、結構安全耐久、施工工藝成熟、造價經濟合理、景觀協調等原則進行總體方案比較后確定了主橋橋式方案，即采用主跨300 m雙塔混凝土斜拉橋方案。

根據上述統計資料的一般規律，結合計算分析，并且綜合考慮結構耐久性和橋梁立面盡量舒展的美學要求等，選定主跨為300 m、邊中跨比例為0.507(即邊跨為152 m)的橋型布置方案。此邊中跨比可使邊、中跨一直對稱懸臂施工，邊跨無需較長支架現澆段。

根據上述統計分析及計算，250 m跨以下雙塔混凝土斜拉橋是否設置輔助墩對邊中跨比選擇不敏感，300 m跨則為臨界，邊中跨比大于0.5時有無輔助墩影響稍大。

故在本橋距主塔中心線99.5 m處設置了輔助墩，形成(52.5+99.5+300+99.5+52.5)m五跨連續方案，以提高全橋結構剛度，改善結構受力狀態，減小幾何非線性效應及尾索疲勞應力幅。而且由于橋址處風速很大，設置輔助墩還可提前結束主梁懸臂施工中的最大雙懸臂階段，提高了施工抗風能力，增加了施工期的安全。

5 有無輔助墩方案的結構安全性、耐久性對比

由于300 m跨為臨界，故邊跨是否設置輔助墩具備研究探討的必要性。本橋擬定了有、無輔助墩兩種方案進行對比分析，跨徑組合為(152+300+152)m，主要評價兩種方案的結構安全性、耐久性和經濟合理性(見圖3，圖4)。

通過對范和港大橋有輔助墩方案及無輔助墩方案進行總體靜力計算、船撞、抗震、抗風等全面的計算分析，各部分分析結果如下。

5.1 對主梁應力的影響

無輔助墩方案正截面抗裂驗算主梁跨中下緣出現0.3MPa拉應力(有輔助墩方案為1.2 MPa壓應力)，考慮到幾何非線性影響后拉應力將達到0.8 MPa，不滿足大跨度橋梁關于全預應力設計的要求?？紤]節段施工誤差、索力誤差及收縮徐變誤差等，主梁實際應力與設計值還有一定差異。如果再考慮活載標準發展水平(增長為原設計活載的1.3倍)，將使主梁跨中下緣拉應力進一步加大，達到1.4 MPa拉應力。因此，無輔助墩方案運營階段主梁跨中下緣存在開裂風險，降低了結構耐久性。

5.2 對結構剛度的影響

無輔助墩方案會大幅降低主橋的整體剛度，塔頂水平位移、主梁跨中撓度、塔根及主梁跨中彎矩均明顯升高，具體對比數據見表 1，表 2。

表1 有無輔助墩方案活載內力對比表

表2 有無輔助墩方案活載撓度對比表

可以看出，無輔助墩方案主橋整體剛度下降，主梁跨中活載撓度大幅增加，與跨度之比增大為1/959，主梁跨中豎向剛度僅為有輔助墩方案的1/2;塔頂水平位移大幅增加，與塔高之比增大為1/522，塔頂水平剛度僅為有輔助墩方案的2/5。橋梁剛度降低，將增大結構風致振幅，降低抗風動力性能，加大拉索的疲勞應力幅，增加結構幾何非線性影響，對結構耐久性帶來影響。

5.3 對拉索應力狀態的影響

無輔助墩方案拉索活載應力幅變大，由有輔助墩方案的58 MPa增加至127 MPa，接近拉索疲勞容許應力幅值200/1.5=133.3MPa(安全系數1.5)，但富余空間已很小。如若進一步考慮拉索次應力、風振及活載增長趨勢等因素，則容易發生尾索疲勞問題。

5.4 對結構抗風穩定性的影響

有無輔助墩會影響結構的扭轉基頻和豎彎頻率，進而影響結構的抗風穩定性。經有限元分析，結構振動模態見表3。

表3 結構振動模態比較表 Hz

成橋階段，結構一階扭轉振型為主跨主梁的扭轉，本橋為塔、墩、梁固結體系，邊跨的輔助墩對主跨主梁的扭轉制約作用很小，基本未改變結構的一階扭轉頻率，故成橋狀態的扭轉顫振穩定性指數不會因輔助墩設置與否而有所改變;但取消輔助墩結構成橋一階豎彎振型會提前，顫振臨界風速會隨之變化。施工階段，有輔助墩方案結構顫振臨界風速由最大單懸臂狀態控制，而取消輔助墩后主梁雙懸臂施工階段變長，最大雙懸臂長度加大，結構一階扭轉頻率減小，顫振臨界風速轉由最大雙懸臂狀態控制，抗風穩定性變差。

5.5 輔助墩自身防撞能力

輔助墩基礎采用6D220 cm鉆孔灌注樁，樁頂設置D250鋼護筒，考慮沖刷后輔助墩基礎能承受的結構撞擊力為7.5 MN，可滿足近期船撞力要求(7.4 MN);如若對基礎進行拋填防護后，輔助墩基礎能承受的結構撞擊力可達到13 MN，滿足遠期船撞力要求。

6 有無輔助墩的經濟性對比

1)拉索用量。

無輔助墩方案結構整體剛度降低，需通過索力優化來滿足結構安全要求，所需拉索材料由有輔助墩方案877.6 t增加至無輔助墩方案940.5 t，增加了7.2%，即62.9 t，增加造價125.8萬元。

2)鋼束用量。

無輔助墩方案結構整體剛度降低，除通過索力優化來滿足整體結構安全外，還需通過鋼束調整來優化局部應力，特別是邊跨頂、底板合龍束及中跨跨中合龍束所需數量增加。有輔助墩方案合龍束總量為145.94 t，取消輔助墩后合龍束增加至167.1 t，增加了21.2 t，增加了14.5%，增加造價12.93萬元。

3)主墩主塔配筋。

根據結構計算，主塔由成橋無車橫橋向百年大風工況控制設計，單側配筋率為0.59%，主墩由E2縱橋向地震作用控制設計，單側配筋率為0.27%。由于此兩種工況下有無輔助墩對主墩主塔影響不大，因此主塔主墩配筋基本相同。

4)邊跨支架。

取消輔助墩后施工工序發生一定變化，邊跨支架現澆段變長，共增加費用約300萬元。

5)輔助墩造價。

輔助墩墩身承臺基礎及輔助墩支座、防撞設施合計造價1 594萬元。

綜上，在不考慮后期管養費用的前提下，無輔助墩方案比有輔助墩方案造價少1 155萬元，并可避免船舶撞擊輔助墩的風險。

7 結語

范和港大橋主橋采用主跨300 m、邊中跨比例為0.507的雙塔混凝土斜拉橋方案是合理可行的。在不考慮后期管養費用及困難的前提下，無輔助墩經濟性占優，并可避免船舶撞擊輔助墩的風險。但從主梁應力、結構剛度、拉索疲勞問題、結構幾何非線性、結構抗風穩定性等各方面對比分析來看，無輔助墩方案結構安全儲備不足，使用功能下降，后期管養困難，在輔助墩自身防撞能力滿足要求的前提下，推薦采用有輔助墩方案。

［1］ 王伯惠.斜拉橋結構發展和中國經驗［M］.北京:人民交通出版社，2004.

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［8］ JTG/T B02-01-2008，公路橋梁抗震設計細則［S］.

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