惠州下角東江大橋主橋設計

羅喜恒

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市 200092）

惠州下角東江大橋主橋設計

羅喜恒

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市 200092）

惠州下角東江大橋主橋是一座主跨180 m的獨塔雙索面混凝土斜拉橋，采用橫橋向仿天鵝造型混凝土索塔，介紹了總體設計及其關鍵結構設計，有關經驗可供相關專業人員參考。

斜拉橋；獨塔；異形塔；結構設計

1　橋址概況

下角東江大橋（現名：合生大橋）位于惠州市惠城區，橫跨東江，南、北引橋分別與下角南路、三新南路銜接，是市區二環路的控制工程。工程范圍自南岸樁號K-1+800至北岸樁號K1+860，全長2 060 m，其中橋梁總長約1 682 m，其中主線橋梁總長約1 328 m，匝道橋梁總長約354 m。

橋位處東江河谷寬度約450 m，河床較平緩，中部河谷較深，勘察期間水深2～6 m。河水水位及流量受季節性影響較大。引橋部分地貌為平原區，屬于東江一級階地及河漫灘，地形較平坦，南岸下角地段為居民區；北岸為江邊公園及空地。

東江洪水均由暴雨產生，橋址處歷史最高位水位18.10 m（1959年6月16日），歷史最枯位水位4.28 m（2004年1月30日），10 a一遇設計洪水位為16.42 m，100 a一遇設計洪水位為18.00 m，300 a一遇設計洪水位為18.72 m。

惠州市地處低緯，太陽高、角度大，日照時間長，太陽輻射能量豐富。靠近南海，季風影響明顯雨量充足，四季常青，全年無霜期達350天左右，屬亞熱帶季風氣候。年平均降雨量1 700 m m，年日照總數2 000多小時。年平均氣溫21.7℃，月平均最低氣溫10.4℃，月平均最高氣溫29.5℃，極端最低氣溫-1.9℃，極端最高氣溫38.9℃。

惠州風速夏小冬大，年平均風速2.4 m/s，1月份最大，2月和11月次大，8月最小，歷史最大風速27 m/s（1979年8月2日）。12～1月寒潮大風多，7月臺風多。

橋位地段揭露的地層有第四系人工填土層、沖積層、殘積層、下第三系的泥質粉砂巖和砂礫巖。其中下第三系基巖場地普遍分布，巖性為泥質粉砂巖和砂礫巖，其中泥質粉砂巖屬軟質巖石，遇水易軟化，失水易干裂；砂礫巖屬硬質巖石。泥質粉砂巖與砂礫巖常以互層形式出現。根據地勘報告，采用樁基礎，以弱風化砂礫巖下部層位（④2）或微風化泥質粉砂巖（④3）作樁端持力層。在弱風化巖帶厚度大的地方，以弱風化巖作樁基持力層，在弱風化巖帶厚度小的地方，以微風化巖作樁基持力層。

橋位地表水屬東江水系，水量豐富，豐水期與枯水期水位相差約8 m。橋位附近地下水主要為第四系砂層孔隙水，含水層為中砂和卵質圓礫等，分布廣泛，厚度較大，其透水性及富水性均良好，地下水水量豐富。地下水對混凝土無腐蝕，江水對混凝土具弱腐蝕。

2　主要技術標準

（1）橋面寬：主橋標準斷面寬度35.5 m，引橋寬度31.0 m。

（2）道路等級：城市主干道。

（3）荷載標準：公路-Ⅰ級，人群3.5 kN/m2。

（4）設計行車速度：主橋V=60 km/h，匝道及地面道路V≯40 km/h。

（5）設計洪水頻率：300 a一遇 +18.72 m（黃海高程）。

（6）最高通航水位：10 a一遇的洪水位+16.42 m（黃海高程）。

（7）通航等級：國家內河Ⅳ級（通航凈高不小于8 m，凈寬不小于150 m，上底寬不小于130 m，側高不小于5.0 m）。

（8）地震烈度：6度地震區，采用7度設防措施。

3　總體設計

橋址處兩岸大堤間距約640 m，設計時主通航孔位置根據廣東省航道局的有關文件進行布置，兩岸大堤之間及跨堤部分引橋采用35 m的跨徑，兩岸大堤以外的引橋采用26 m跨徑。堤外引橋采用35 m預制預應力混凝土T梁，堤內引橋采用預應力混凝土連續箱梁方案，圖1為河床范圍的立面布置圖。

圖1　總體布置圖（單位：m）

主橋標準橫斷面布置為：1.5 m（人行道）+2.0 m（非機動車道）+2.25 m（斜拉索布索區）+0.5 m（防撞欄桿）+23.0 m（機動車道）+0.5 m（防撞欄桿）+2.25 m（斜拉索布索區）+2.0 m（非機動車道）+1.5 m（人行道），總寬35.5 m，索塔處局部加寬到38.7 m。

引橋橫斷面布置為：1.5 m（人行道）+2.0 m（非機動車道）+0.5 m（防撞欄桿）+23.0 m（機動車道）+0.5 m（防撞欄桿）+2.0 m（非機動車道）+1.5 m（人行道），總寬31.0 m。

4　主橋結構設計

主橋為跨徑180 m+101 m+45 m的獨塔雙索面斜拉橋，全長326 m，塔墩梁固接，主梁設在豎曲線上，豎曲線半徑為8 000 m，南側接1.2539%的縱坡，北側接0.3903%的縱坡。索塔采用由直塔柱和斜塔柱組成、無上橫梁的異型索塔，直塔柱和斜塔柱之間設3 cm厚離縫，并通過預應力束相連；主梁采用預應力混凝土Π形梁，雙向預應力混凝土結構，斜拉索中心線處的梁高為2.3 m；斜拉索按扇形布置，塔上豎向間距1.8 m，梁上水平間距6.0 m，采用平行鋼絲斜拉索。

4.1主墩基礎及下部結構

索塔承臺分二層，下層高4.0 m，平面上為圓端形的亞鈴形，外形尺寸為為63.0 m×18.4 m，上層高2.0 m，體積約為5 085 m3，為大體積混凝土，下設44根2.0 m鉆孔樁。

該橋鉆孔樁按端承樁設計，以弱風化砂礫巖（④2）或微風化泥質粉砂巖（④3）作樁端持力層。

4.2主塔

索塔造型是斜拉橋景觀效果的最重要載體，本橋采用橫橋向仿天鵝造型混凝土索塔，以大寫意的手法創造性地用抽象的形追求一種神似的效果，塔形似比翼雙飛、曲頸向天的天鵝，寓意妙合惠州“鵝城”之譽，同時也和飛鵝嶺以及西湖天鵝形成呼應。

主塔由直塔柱、斜塔柱和下橫梁三部分組成。索塔底面高程8.5 m，塔頂高程127.59 m，索塔總高度為119.09 m，橋面以上塔的高跨比為0.504（見圖2）。

圖2　主塔一般構造（單位：m）

直塔柱為互相平行的豎直雙柱，凈距23 m。塔頂部因景觀需要，設半徑R=808 m曲線形塔冠，塔冠高度從頂部的1.3 m向下變小至0。在標高66.073 m位置為與斜塔柱外緣曲線銜接，塔壁加厚0.716 m。因本索塔考慮景觀因素，上部未設橫梁，為控制塔頂橫橋向位移，在下橫梁下方塔橫橋向尺寸加寬1.2 m。直塔柱橫橋向標準段寬4 m，塔壁加厚處最寬4.716 m，下橫梁下方寬5.2 m；縱橋向等寬7 m（見圖3）。同樣因為景觀需要，直塔柱外表面橫橋向兩個面上設尖角，尖角突出0.5 m。直塔柱壁厚橫橋向內側厚0.89 m，外側厚0.8 m；順橋向變厚，在尖角位置厚1.7 m，拉索錨固中心位置厚1.6 m，至邊緣厚1.2m。塔內設0.6 m×0.6 m倒角。塔底部、下橫梁位置、斜直塔柱預應力連接位置和塔頂部設橫隔板。

圖3　主塔直塔柱標準斷面（單位：m）

斜塔柱總高57.523 m。從底部開始向橋內側傾斜，外側面的直線段斜率1:4.309 4，標高41.428 m以上為半徑R=180 m圓曲線；內側面直線段斜率1: 5.094 9，頂部設裝飾塊。為避免因斜塔柱而使直塔柱產生太大的橫橋向位移從而對結構安全造成不利影響，斜、直塔柱相接位置設3 cm分隔縫，解除豎向剪力傳遞，為保證水平力的傳遞和提高直塔柱的穩定性，在標高46.9 m的橫梁位置處設水平預應力連接構造，同時在斜塔柱施工時設置一定的水平向預拱度。斜塔柱橫橋向和縱橋向均變寬，橫橋向從底部的4 m向上逐漸變窄，順橋向從底部的6 m向上線性加寬。斜塔柱橫橋向兩外表面上設尖角，尖角兩側的四個斜面的斜率在斜塔柱尺寸變化過程中始終保持不變。斜塔柱橫橋向壁厚0.6 m，順橋向變厚。斜塔柱在底部、下橫梁位置和斜直塔柱連接處設橫隔板。斜塔柱在標高13.5 m處設置一0.5 m厚橫隔板，以增強其抵抗船舶撞擊的能力。

下橫梁連接直塔柱和斜塔柱，橫橋向形成框架，為預應力混凝土構件。橋中心位置下橫梁高5 m，向兩側逐漸變低。直塔柱之間部分下橫梁底面水平，斜直塔柱之間部分設曲線造型。下橫梁頂面設1.5%雙向坡。直塔柱之間部分為空心斷面，壁厚0.8 m，設兩道0.5 m橫隔板。斜、直塔柱之間部分為實心斷面。下橫梁順橋向等寬5 m。

4.3主梁

從降低工程造價，便于后期維護，并方便施工考慮，主梁截面除壓重段為箱形斷面和主跨端部設2.2 m寬的底板外，其余均采用預應力混凝土Π形斷面（見圖4），為雙向預應力混凝土結構，標準段主梁寬度35.5 m，梁肋外設3.1 m懸臂板，斜拉索中心處的梁高為2.3 m，頂面設1.5%的橫坡。主梁橋面板厚度0.32 m，標準段主梁肋寬2.3 m，索塔根部向兩邊加寬到4.0 m，兩者之間設18m長的過渡段；主跨端部約58 m范圍主梁肋寬向內側加寬到2.63 m，同時每側設置2.2 m長、0.3 m厚的底板，與標準段之間設12m的過渡段；輔助墩與過渡墩之間的壓重段采用箱形斷面，底板厚度0.3 m，邊跨主梁標準段與壓重段之間設19.5 m長的過渡段，每側底板寬度從0變到8.35m。

圖4　主梁標準斷面（單位：m）

主梁兩肋間設橫梁，連接梁肋和車行道板使之成為整體。主梁標準段橫梁厚度0.3 m，壓重段的橫梁寬度為0.72 m，輔助墩頂橫梁寬度為1.0 m。

主梁縱向共劃分了44個節段，分索塔區0#段、標準梁段、邊跨支架現澆段（含壓重段）、主跨支架現澆段和主、邊跨合攏段。0#段總長30.0 m，標準段（不區分梁肋寬度的不同）共39個，梁段長6.0 m，邊跨支架現澆段長50.9 m，主跨支架現澆段長6.86 m，主、邊跨合攏段長均為2.0 m。

主梁采用前支點掛籃現澆施工，0#段、邊跨支架現澆段、主跨支架現澆段采用支架現澆施工。由于主梁挑臂長度較大，為方便前支點掛籃的設計和減小其重量，主梁挑臂可滯后2個節段澆筑，但挑臂鋼筋的接頭應按規范要求錯開。

主梁按A類部分預應力混凝土構件設計，采用C50混凝土。主梁內配置的縱向預應力束分為施工階段預應力束和運營階段預應力束兩類。施工階段預應力束有精軋螺紋鋼筋和高強度低松馳鋼絞線2種，每個節段均間隔錯開張拉錨固，運營階段預應力束采用高強度低松馳鋼絞線。

4.4斜拉索

斜拉索采用標準強度為1 670 M Pa的鍍鋅高強鋼絲斜拉索，錨墊板間的最大長度約為190 m。根據索力的不同，共采用PES7—127、—151、—163、—199、—223、—253六種規格。

斜拉索設計壽命為30a，并考慮其可更換性。對于在大橋上安裝后不可進行現場維護的錨固部件，其防腐系統的設計應該確保在整個設計壽命期間不需維護仍然可以有效使用；對于可以進行現場維護的錨固部件，其防腐系統的設計壽命為大于30 a。

斜拉索設雙層護套（黑色和彩色），外套兩層聚乙烯護套之間設置隔離層。

4.5輔助墩及過渡墩

主橋輔助墩為雙柱式墩，墩身為2.6 m×2.0 m的六角形斷面，墩柱中心線間距27.0 m，系梁（蓋梁）為變高度T形斷面，下緣為圓弧線。過渡墩為三柱式墩，墩身為3.1 m×2.3 m的六角形斷面，墩柱中心線間距13.5 m，系梁（蓋梁）為變高度T形斷面，下緣為圓弧線，頂面水平。輔助墩下各設4根1.8 m鉆孔樁，過渡墩下各設6根1.8 m鉆孔樁。

4.6結構靜力分析

靜力分析考慮了恒載、活載、混凝土收縮徐變、預應力、各種溫度荷載、汽車制動力、支座沉降以及施工荷載等，其中恒載模擬了施工過程的影響。同時，對主梁和索塔錨固區的局部應力進行了空間有限元分析研究［2，3］，保證了結構的安全性、經濟性和施工便利性。

對主塔和主梁作了施工及成橋狀態的彈性穩定分析，失穩安全系數均大于4，滿足規范要求。

該橋主塔為仿天鵝造型的異型塔，由直塔柱、斜塔柱和下橫梁組成，且因景觀需要，主塔上部未設置橫梁。因主塔設有斜塔柱且又未設上橫梁，如斜、直塔柱固結成一個橫橋向框架，在拉索豎向分力作用下，斜塔柱會對直塔柱產生水平分力，由此導致直塔柱頂端產生向橋內側較大的水平位移。因此，為實現這種造型，如何控制塔柱的橫橋向變形、如何保證不設上橫梁的90多米高塔柱穩定性是需要解決的關鍵問題。

為此，設計通過對索塔多種方案的大量計算比較和多次優化，最終確定在直塔柱和斜塔柱之間設30 m m寬的離縫，并通過水平預應力束將直塔柱和斜塔柱相連，這樣既保留了斜塔柱對直塔柱的水平支撐作用，以利于塔柱的橫向穩定，又避免了斜塔柱對直塔柱塔頂橫橋向變化的不利影響。索塔的這一結構處理既符合索塔景觀效果的要求，又保證了索塔受力合理、塔頂變形可控、穩定有保障，并且施工方便。表1為3個典型工況的計算結果，表中，狀態1為斜塔柱、直塔柱固結，常規施工法，狀態2為斜、直塔柱設滑動面，解除豎向和轉角約束，斜塔柱設置預拱度；成橋后滑動面間張拉水平索，狀態3為在狀態2基礎上，作如下調整：下橫梁以下的直塔柱橫橋向由4 m加寬到5.2 m，內壁厚0.89 m加厚到2.09 m。計算表明，直、斜塔柱分離后，通過調整下塔柱的尺寸即可將塔頂水平位移控制在可接受的范圍。

表1　塔頂水平位移計算結果　mm

5　結語

該橋于2005年7月形式，2008年9月1日建成通車。大橋的建成通車極大地促進惠州江北地區及老城區的經濟發展，解決江北地區與老城區之間的交通瓶頸問題，改善開發區的投資環境，拉動老城區與江北地區的土地利用和開發，對打造惠州半小時城市生活圈具有非常重要的意義。

大橋建筑造型獨特、新穎，與地域文化融為一體，成為惠州市標志性建筑之一，2009年本橋作為唯一的現代建筑物入選惠州市“鵝城十景”。

［1］同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司.廣東省惠州市下角東江大橋工程施工圖設計［Z］.2005.

［2］同濟大學橋梁工程系.惠州市下角東江大橋主梁局部應力分析研究［R］.2005.

［3］同濟大學橋梁工程系.惠州市下角東江大橋索塔錨固區局部應力分析研究［R］.2005.

U448.27

B

1009-7716（2016）09-0118-04

2016-06-28

羅喜恒（1969-），男，福建上杭人，高級工程師，從事橋梁設計和研究工作。