孝感白水湖大橋設計

蔣蓉蓉

（上海市政交通設計研究院有限公司，上海市 200030）

1 概述

白水湖大橋位于湖北省孝感市，該橋全長為345m，由主橋及東西兩側引橋組成。該橋主橋采用無背索斜拉橋，跨徑組合為100 m+35 m=135 m；引橋采用預應力混凝土小箱梁，橋梁總寬35 m。

如圖1所示，遠觀白水湖橋傾斜的橋塔，猶如“雙龍出水，一飛沖天”般氣勢恢宏；傾斜、筆直的橋塔給人以剛勁有力、巍峨壯觀的感受；白水湖橋主塔塔頂?shù)脑煨驮O計采用“龍”的意象，兩塔間的橫梁上嵌有一顆大型圓珠，整體打造出中國古代建筑雕刻中經(jīng)常采用的“二龍戲珠”的景觀造型，富有建筑美學感。

圖1 白水湖大橋效果圖

2 設計要點

2.1 主要技術標準

該工程的主要技術標準有：

（1）道路等級為城市主干路，設計速度50 km/h。

（2）汽車荷載為城-A級；人群荷載為3.6 kN/m2。

（3）抗震標準：地震基本烈度為6度；地震動峰值加速度a=0.05g。

（4）安全等級：一級。（5）環(huán)境類別：Ⅰ類。

（6）設計基準期：100 a。

（7）設計使用年限：100 a。

（8）設計基本風速：25.6 m/s。

（9）通航標準：無通航要求，但需考慮游船通行，主跨預留2.5 m凈空高度。

2.2 橋梁總體布置

白水湖大橋主橋采用100 m+35 m=135 m的無背索斜拉橋，塔、墩、梁固結體系，雙索面豎琴形布置。引橋采用交通部30 m預應力混凝土簡支變連續(xù)小箱梁。

白水湖規(guī)劃河口寬約265 m，由于現(xiàn)狀河口較寬（約400 m），為避免大量填湖，實施藍線寬約320 m，橋梁總長按照345 m布置，其中西側引橋跨徑組合為4×30 m=120 m，東側引橋跨徑組合為3×30 m=90 m（見圖 2）。

橋梁橫斷面布置：0.3 m（欄桿）+3.2 m（人行道）+3.5 m（非機動車道）+3 m（機非分隔帶）+15 m（機動車道）+3 m（機非分隔帶）+3.5 m（非機動車道）+3.2 m（人行道）+0.3 m（欄桿）=35 m（由南向北）（見圖 3）。

2.3 橋梁結構設計

2.3.1 主梁

圖2 主橋立面布置圖（單位：mm）

主梁采用全鋼、全焊接、正交異性橋面板的縱橫梁格體系。梁高為2.4m（最高處），梁寬為35m。為了充分發(fā)揮主梁全截面的材料受力性能，除按常規(guī)在主梁兩側拉索區(qū)布置雙主梁外，在橋軸線上增設一道主梁，全橋為三根縱梁，梁距為9.25m。順橋向每隔4 m設置一道中橫梁（縱梁之間）與外挑懸臂橫梁（縱梁之外），近橋塔處因塔梁固結的需要，將縱梁下翼緣聯(lián)成整體，形成閉合箱梁，提高其整體抗彎、扭能力。

2.3.2 主塔

主塔采用鋼箱結構作為主要受力結構，箱內(nèi)填充混凝土作為平衡重，同時通過焊釘?shù)扰c鋼結構結合成一體，部分參與結構整體受力。主塔兩根塔柱平行布置，間距18.5 m。塔柱順橋向傾角為58°。兩根塔柱之間設置圓管形剛橫梁，橫梁鋼管直徑為2m。塔柱順橋向寬度為4.5 m（塔頂）~9.0m（塔底），橫橋向寬度為2.25 m。橋面上塔高85.8 m（鉛垂方向）。主塔塔壁鋼板厚度為20~30 mm，橫隔板厚度為12 mm。

2.3.3 斜拉索

斜拉索采用雙索面豎琴形布置，全橋共10對拉索，水平夾角28°。斜拉索采用整束預制、現(xiàn)場安裝的平行鍍鋅高強鋼絲斜拉索結構。斜拉索索體防護采用熱擠雙層HDPE護套，主梁拉索錨固方式為板拉式，塔上設拉索張拉端。

2.3.4 主橋下部結構

主橋塔、梁與主墩固結，塔（鋼結構）與墩（混凝土結構）結合段位于主梁下側，采用將主塔下端鋼結構埋入墩身混凝土結構的連接方式。埋入段鋼結構內(nèi)外兩側均設置剪力釘，以確保鋼結構與混凝土結構結合牢靠。墩身內(nèi)設置豎向預應力鋼束，鋼束采用單端張拉，張拉端設于主梁頂板上方，P錨端設于承臺內(nèi)。墩身截面為八邊形，縱橋向寬度為11.5~14 m，橫橋向寬度為3.04~5.24 m，墩身高度為6.68 m。

主墩采用矩形承臺，兩個承臺間采用系梁連接。每個承臺厚度為4 m，縱橋向寬度為19 m，橫橋向寬度為11 m。為減小混凝土水化熱引起的不利影響，承臺內(nèi)設置冷卻管。

2.3.5 引橋結構

引橋采用交通部預應力混凝土簡支變連續(xù)小箱梁。跨徑為30 m，梁高為1 600 mm。

2.4 主橋施工方案

主橋無背索斜拉橋采用“先梁后塔”的施工方法，即采用支架法先完成主梁的施工架設，再逐節(jié)安裝塔節(jié)段，并張拉相應的斜拉索，最后施工橋面及附屬結構，完成主橋施工。

3 主橋結構受力分析

無背索斜拉橋結構新穎、受力復雜，其受力復雜性主要體現(xiàn)在：在無背索斜拉橋中，由斜拉索產(chǎn)生的水平力在塔根部需與斜塔的水平分力相平衡，同時需要依靠塔柱的傾斜來平衡橋面的恒載及活載，尤其是塔、墩、梁固結的節(jié)點區(qū)域，需承受巨大的軸力、剪力、彎矩及扭矩的共同作用。以下是白水湖大橋主橋的主要計算方法及計算結果。

3.1 計算模型

圖3 主橋橫斷面布置圖（單位：mm）

白水湖大橋主橋整體計算采用MIDAS/Civil 2012有限元分析軟件。其中塔與梁采用空間梁單元；斜拉索采用桁架單元，并根據(jù)Ernst公式考慮拉索垂度影響下的彈模修正。有限元模型如圖4所示。

圖4 計算模型

3.2 成橋階段靜力計算

在無背索斜拉橋的設計中，首先要確定一個合理的成橋狀態(tài)，即通過索力、主塔自重等參數(shù)的調(diào)節(jié)，使結構受力滿足某種理想狀態(tài)。該橋的成橋狀態(tài)控制目標主要選擇以下幾個方面：

（1）控制主梁彎矩，盡量減小主梁彎矩，并且使主梁在恒載作用下的彎矩分布接近剛性支承連續(xù)梁。

（2）控制主塔彎矩，盡量減小塔內(nèi)彎矩。（3）控制拉索索力，使拉索索力分布較為均勻。（4）控制邊墩支座反力，確保其在最不利荷載作用下不出現(xiàn)負反力。

3.2.1 結構內(nèi)力計算

根據(jù)既定的成橋狀態(tài)控制目標，利用MIDAS/Civil的未知荷載系數(shù)功能求出成橋索力，再利用影響矩陣法對索力進行微調(diào)，最終得到一個較為合理的成橋受力狀態(tài)。主要內(nèi)力計算結果如圖5～圖7所示。

圖5 恒載作用下彎矩分布圖

圖6 運營階段最不利組合彎矩包絡圖

圖7 成橋索力分布

根據(jù)內(nèi)力計算結果，主梁在恒載作用下彎矩很小，并且接近剛性支承梁的彎矩分布；主塔在恒載作用下彎矩不大，塔底留有一定負彎矩，用以部分抵消運營階段活載對塔產(chǎn)生的正彎矩；拉索索力分布較為均勻；邊墩支點不出現(xiàn)負反力且有一定安全儲備。由此可見，成橋受力狀態(tài)控制較為合理。

3.2.2 結構應力計算

主橋在塔、梁鋼結構運營階段主要應力計算結果如圖8所示。

圖8 運營階段塔、梁應力包絡圖

根據(jù)應力計算結果，主梁和主塔鋼結構的最大應力為174 MPa，結構受力滿足規(guī)范要求；拉索的最大拉應力為641 MPa，最小拉應力為479 MPa。最大拉應力滿足不大于0.4 fpk=708 MPa，應力幅為162 MPa，拉索受力滿足規(guī)范要求。

3.2.3 結構剛度計算

根據(jù)計算結果，恒載作用下，斜拉橋總體變形較小。在汽車和人群荷載的作用下，主梁的撓度為0.17 m，滿足《公路斜拉橋設計細則》（JTG/T D65-01—2007）中不大于L/400=0.25 m的要求，結構剛度滿足規(guī)范要求。

3.3 施工階段靜力計算

在確定合理成橋狀態(tài)之后，需要制定合理的施工步驟，最終實現(xiàn)成橋合理的內(nèi)力狀態(tài)。該橋無背索斜拉橋采用“先梁后塔”的施工方法，主要施工過程如圖9所示。

施工過程分析采用倒拆法分析各個施工階段的結構受力狀態(tài)，再根據(jù)倒拆得到的斜拉索初拉力進行正裝分析，并對倒拆法得到的結果進行驗證。

圖9 施工過程示意圖

根據(jù)施工過程倒拆的計算結果，各施工階段鋼結構最大應力為155 MPa，結構受力滿足規(guī)范要求。

根據(jù)施工過程正裝計算結果，正裝計算得到的成橋索力與倒拆的初始階段拉索索力比較接近，誤差在1%以內(nèi)，施工階段分析結果可信。圖10為倒拆與正裝的成橋階段索力比較。

圖10 倒拆與正裝的成橋階段索力比較

3.4 結構穩(wěn)定性計算

對主橋成橋后運營階段的整體穩(wěn)定性進行分析，主橋無背索斜拉橋第一階屈曲模態(tài)為塔橫向彎曲，臨界荷載系數(shù)為5.6，穩(wěn)定系數(shù)大于4，滿足規(guī)范要求（見圖11）。

3.5 結構抗震計算

圖11 第一階屈曲模態(tài)

該工程橋址處地震基本烈度為6度；地震動峰值加速度a=0.05g。對主橋結構空間計算模型按E1和E2設防水準進行反應譜分析，驗算結構的抗震性能。

根據(jù)驗算結果，在E1、E2地震作用下，塔、梁等鋼結構主要構件均在彈性范圍內(nèi)工作，下部結構及樁基強度均能滿足要求。

3.6 結構抗風計算

橋址處的設計風速取25.6 m/s，根據(jù)計算成橋狀態(tài)的顫振檢驗風速 [vcr]=41.8 m/s，扭轉基頻為0.51 Hz，顫振臨界風速vcr=114 m/s。成橋狀態(tài)的顫振臨界風速遠大于顫振檢驗風速，抗風穩(wěn)定性滿足要求。

4 結語

無背索斜拉橋結構受力相較傳統(tǒng)的斜拉橋更為復雜，且由于橋塔傾斜的緣故，施工難度較大；但因其優(yōu)美而獨特的景觀效果，正越來越多地得到工程界的應用。本文以湖北孝感白水湖大橋為背景，簡單闡述了該橋的結構設計思路及計算方法，為同類工程提供參考。