武漢市楊泗港快速通道轉體斜拉橋設計

王新國，周 繼，嚴定國，李元俊

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

1 工程概況

楊泗港快速通道作為武漢市“三環、十三射”中的“一射”，全線由四新段、楊泗港長江大橋過江段、青菱段組成。楊泗港快速通道青菱段(八坦立交～丁字橋路)西起白沙洲大道八坦立交，東至丁字橋路，全長4.459 km，道路紅線寬60～70 m。全線采用高架+地面輔道的形式建設，其中主橋采用(40+88+252+88+40) m雙塔斜拉橋，全長508 m，橋面設雙向八車道(兩側防撞區間兼做人行道)，設計車速60 km/h。主橋位于青菱段的中前段，自西向東依次上跨江岸車輛段牽出線、京廣鐵路上行線、武南編組站、焊軌基地、京廣鐵路下行線、武石城際余花聯絡線和武昌首義學院[1]。橋址處地理環境如圖1所示。

圖1 橋址處地理環境

2 建設標準

(1)道路等級：城市快速路[2]；

(2)設計基準期[3]：100年；

(3)設計速度：60 km/h；

(4)設計荷載：城-A級[4]、雙向八車道(兩側人行道)；

(5)最小凈空：軌頂距離梁底距離不低于10 m；

(6)平面線形：直線；

(7)橋面縱橫坡：2%；

(8)橋梁設計安全等級：一級，結構重要性系數γo=1.1；

(9)地震參數：地震動峰值加速度0.05g，地震動反應譜特征周期為0.35 s，Ⅱ類場地，按7度設防。

3 橋型方案設計

跨鐵路段為雙向八車道，橋面較寬，主孔跨度的確定以轉體施工平面尺寸不侵入既有鐵路限界和不得干擾武石城際接觸網為原則，考慮既有鐵路限界兩側再富裕8 m安全距離的條件，綜合確定涉鐵工程主跨跨度為252 m。

當跨徑在200～500 m時，斜拉橋[5]是最具競爭力的橋型。斜拉橋由加勁梁、鋼或混凝土橋面、索塔及受拉的斜拉索組成，具有良好的空間工作性能。結合工期、鐵路管理部門對施工方案的意見、混凝土寬幅橋面主梁設計、施工質量困難的影響，主橋最終采用轉體鋼箱梁斜拉橋。

本橋在方案設計時擬定3種斜拉橋方案：(1)(30+138+252+80) m高低塔斜拉橋，靠近武昌首義學院側轉體半徑為80 m，避免對學校進行拆遷；另一側轉體半徑為168 m，合龍段設置在焊軌基地上方。該方案由于在焊軌基地上方施工，鐵路管理部門未予采納。(2)(264+264) m獨塔對稱斜拉橋，轉體半徑為264 m，橋梁一次轉體就位，無合龍段施工。該方案由于轉體噸位約3萬t，施工風險較大，鐵路管理部門未予采納。(3)(40+88+252+88+40) m雙塔斜拉橋，轉體半徑124 m，跨中合龍段位于編組站內部空地上方，為推薦橋式方案。

4 結構設計

主橋設計為(40+88+252+88+40) m雙塔轉體鋼箱梁斜拉橋，采用半漂浮結構體系[6]。橋長508 m，橋面寬44 m。跨高鐵處增設異物侵限裝置，橋面局部寬度46 m。主橋立面布置如圖2所示。

圖2 主橋立面布置(單位：m)

橋梁兩側均采用轉體施工[7]，跨中合龍，轉體長度均為124 m+124 m，合龍段4 m置于武南編組站內部中央空地上方。橋梁西側(八坦立交)施工完畢后逆時針旋轉77°至合龍位置，橋梁東側(丁字橋路)施工完畢后順時針旋轉105°至合龍位置。

4.1 主梁

主梁采用正交異性板扁平流線形栓焊鋼箱梁[8]，由頂板、平底板、斜底板、錨固腹板、人行道腹板圍封而成，箱梁內腔被縱橫隔板分隔。由于主橋為獨柱寬幅中央雙索面斜拉橋，為提高主梁抗傾覆和抗扭轉特性，主梁中心線處梁高取3.3 m，同時增大中央分隔帶寬度至8 m。鋼箱梁頂面設雙向2%橫坡，頂板寬44.04 m，平底板寬37.4 m，每側斜底板寬5.6 m，人行道寬2.72 m，鋼箱梁全寬44.04 m，不含人行道全寬38.6 m。主梁標準橫斷面如圖3所示。

圖3 主梁標準橫斷面(單位:cm)

鋼箱主梁全長507 m(不含梁端主橋梁縫)，鋼箱梁梁段劃分考慮結構受力、橫隔板間距以及鋼箱梁運輸和安裝架設吊裝能力。全橋共分為46個梁段(10種類型)：標準梁段(C、D類型)28個，長12 m；塔區A梁段2個，長12 m，B梁段4個，長10.5 m；40 m邊跨E、F、G、H梁段各2個，長度分別為13.5 m、10.5 m、11.5 m、3.5 m；合龍段I梁段1個，長4 m；緊鄰中跨合龍段J梁段2個，長11.5 m。鋼箱梁吊裝質量為96.6～347.4 t。

箱梁頂板厚16 mm，人行道處箱梁邊板及箱梁外斜底板厚度分別為16、8 mm。箱梁內斜底板板厚12～16 mm，底板橫向為水平，板厚12～16 mm，橫隔板間距為3 m。箱梁縱隔板厚20～30 mm，錨固腹板板厚30 mm。

4.2 橋塔及基礎

采用獨柱[9]形鋼筋混凝土橋塔，塔柱采用矩形空心截面[10]。塔柱順橋向寬度由塔頂的7.5 m漸變至索塔橫梁處的9.5 m，坡率為74.7807∶1；再由索塔橫梁處的9.5 m漸變至塔底的11 m，坡率為24.4257∶1。橫橋向寬度由塔頂至索塔橫梁處均為6.2 m，再由索塔橫梁處的6.2 m漸變至塔底的10.2 m，坡率為9.1596∶1。塔高95.6 m(包括2.5 m塔冠高度)，上塔柱錨固墻壁厚140 cm，側墻壁厚90 cm；下塔柱壁厚150 cm；主梁底塔上設橫梁，橫梁為預應力混凝土結構。橫梁高度為3～5.9 m，寬度為5 m，壁厚為100 cm。橋塔構造如圖4所示。

圖4 橋塔構造(單位：m)

上承臺尺寸14 m×14 m×3 m，下承臺尺寸19 m×19 m×5 m。基礎采用16根φ2.0 m的樁孔灌注柱樁。

4.3 斜拉索

斜拉索采用熱擠聚乙烯雙層護套的高強度平行鋼絲拉索。斜拉索為空間雙索面體系，扇形布置，全橋共72根(36對)；斜拉索在主梁上的標準索距為12 m，塔上索距4.5 m。根據索力的不同，規格分別為PES(C)7-163、PES(C)7-187、PES(C)7-199、PES(C)7-211、PES(C)7-241。斜拉索的兩端均采用冷鑄錨[11](張拉端錨具)，施工時在索塔內張拉。最大索長約137.925 m，最大索重(含護套和錨具)11.317 t。為抑制拉索振動，拉索在塔張拉端、梁錨固端均設置配套內置減振器，部分斜拉索設置外置式阻尼器。

4.4 轉體結構

轉體結構由下轉盤、球鉸[12]、上轉盤、轉體牽引系統等組成，轉動體系采用鋼球鉸，分上下兩片。球體半徑10 m，球缺面直徑5 m。本橋轉體噸位約1.75萬t，承臺設計為預應力混凝土結構。考慮局部承壓，部分采用C55混凝土。承臺下部縱、橫向均設置預應力鋼絞線，向上彎起后錨固在承臺側面。轉體構造如圖5所示。

圖5 轉體構造(單位：m)

在上轉盤的牽引盤下設置8組撐腳[13]，環向等間距布置，中心線直徑10 m，與環形滑道中心線一致。環形滑道寬1.4 m。每個撐腳由2個φ900 mm×20 mm的鋼管和2片綴板焊接成啞鈴形柱再與走行板焊接組成，鋼管和綴板腔內灌注C55微膨脹混凝土[14]。

上、下轉盤[15]在各施工階段均保持良好受力狀態，正應力、主應力均小于公路規范C55混凝土的容許值。上轉盤最大主拉應力1.84 MPa，最大主壓應力發生于球鉸與轉盤交接部位，為22.59 MPa，此部位材料為球鉸鋼板，滿足抗壓要求。扣除球鉸部位，最大主壓應力值為14.7 MPa。下轉盤施工過程中最大主拉應力為2.15 MPa，最大主壓應力為9.28 MPa。轉體過程中，樁基最大應力為3.7 MPa。

4.5 索梁及索塔錨固

鑒于本橋臨近鐵路施工[16]，鋼結構吊裝存在一定風險，同時從工程經濟性考慮，推薦齒塊錨固方案作為索塔錨固形式[17]。索塔錨固塊如圖6所示。

圖6 索塔錨固塊

對于索梁錨固結構，錨管式錨頭露于梁底，出于鐵路凈空、檢修安全角度著想，不推薦。而若本橋設置耳板式或錨拉板將導致橋面寬進一步增加，因此本次設計從鐵路安全、橋梁美觀、結構斷面優化等綜合考慮，最終采用鋼錨箱作為索梁錨固結構形式。索梁鋼錨箱如圖7所示。

圖7 索梁鋼錨箱

5 結構分析

5.1 靜力分析

橋梁設計荷載考慮結構恒載、汽車、人群、制動力、風荷載、溫度荷載及施工臨時荷載，其中恒載包括結構自重、二期恒載、壓重荷載、混凝土收縮徐變、基礎變位、支座摩阻力等。基礎沉降按索塔基礎2 cm，其他1 cm考慮[18]。對于溫度作用，考慮混凝土結構整體升溫20 ℃，整體降溫30 ℃；鋼箱梁及斜拉索整體升溫29 ℃，整體降溫41 ℃；索梁及索塔間溫差取±10 ℃；索塔單側±5 ℃；鋼梁溫度梯度按英國規范BS5400相應條文執行，正溫差24 ℃，負溫差6 ℃。風荷載計算按《公路橋梁抗風設計規范》(JTG/T D60—01—2004)執行，與汽車荷載組合的風力按橋面風速25 m/s計算，超過25 m/s(基本風速)不與汽車荷載組合。

全橋總體靜力分析采用MIDAS空間有限元程序，以設計豎曲線為基準進行結構離散，并根據施工過程形成各階段的計算圖式，分析結構各階段的內力和位移變化情況，建立空間有限元模型。MIDAS空間有限元模型如圖8所示。

圖8 MIDAS空間有限元模型

建模分析過程中，對于主梁、主塔采用三維梁單元模擬，其截面特性按照實際情況定義相應的截面。計算考慮斜拉索垂度效應、主梁或索塔在顯著軸壓力作用下的P-Δ效應、結構大變形效應等非線性影響，其中斜拉索采用只受拉單元模擬，考慮垂度效應和索端轉角的影響，斜拉索其截面特性按照實際截面模擬。索塔橫梁按真實情況建立空間預應力。

邊界條件：(1)施工階段，主梁與塔臨時固結(鎖定)；(2)運營階段，結構體系采用半漂浮體系，即主橋邊墩處設豎向、橫向約束，縱向活動；索塔與主梁間設豎向約束和橫向約束，縱向設置阻尼限位器。樁-土相互作用以柔度矩陣的形式等代考慮。約束體系布置如圖9所示。

圖9 約束體系布置(單位：m)

5.1.1 鋼箱梁

在汽車活載作用下，主跨最大豎向下撓為0.249 m，撓跨比為1/1012。

基本組合下，鋼箱梁上緣最大壓應力為58.5 MPa，最大拉應力為37.0 MPa；下緣最大壓應力為137.9 MPa，最大拉應力為70.6 MPa。鋼箱梁應力第一體系應力值均小于強度設計值270 MPa，同時對頂板進行二三體系應力疊加[19]，最大值為152.4 MPa，滿足規范要求。鋼箱梁應力包絡圖如圖10、圖11所示。

圖10 基本組合鋼箱梁上緣應力包絡圖(單位：MPa)

圖11 基本組合鋼箱梁下緣應力包絡圖(單位：MPa)

按規范采用疲勞荷載計算模型Ⅰ檢算鋼箱梁疲勞應力，考慮多車道的影響[20]。疲勞車道荷載作用下，鋼箱梁上緣疲勞應力最大為13.0 MPa；下緣疲勞應力最大為24.9 MPa。疲勞應力值均小于控制值51.85 MPa。

5.1.2 橋塔

標準組合作用下，塔柱正應力基本表現為受壓，最大壓應力為10.66 MPa，出現在塔柱與橫梁交接處；最大名義拉應力為2.02 MPa，亦出現在塔柱與橫梁交接處。

標準組合作用下，橫梁正應力基本表現為受壓，壓應力儲備最大值為4.5 MPa，最大名義拉應力為橫梁根部下表面，出現0.3 MPa拉應力。經空間實體有限元模型驗證，橫梁均呈受壓狀態。

5.1.3 斜拉索

斜拉索在標準值組合下最大拉應力為658 MPa，最小拉應力為320 MPa。疲勞活載(含動力作用)引起的最大應力幅值為63 MPa(未計彎曲二次應力)，遠小于200 MPa。斜拉索在標準值組合下安全系數最小為2.54，最大為2.85，均大于2.5，滿足斜拉索容許安全系數要求。各種斷索工況下，斜拉索最小強度安全系數為2.37，大于安全系數2.0，滿足要求。各種換索工況下，斜拉索最小強度安全系數為2.40，大于安全系數2.0，滿足要求。

5.2 動力分析

采用SAP2000程序建立的楊泗港快速通道青菱段斜拉橋三維結構動力分析模型。

5.2.1 結構動力特性

分析和認識橋梁結構的動力特性是進行橋梁結構抗震性能分析的基礎和重要環節，為此，對結構進行了動力特性分析。表1列出了主橋前10階振型圖周期、頻率和主要振型特征[21]。

表1 主橋前10階動力特性

5.2.2 抗震分析

采用反應譜法和非線性時程方法進行了結構地震反應分析，計算了結構在E1地震作用(50年超越概率10%)和E2地震作用(50年超越概率2%)兩種設防水準地震輸入下的地震響應。

E1和E2地震作用下，在縱橋向+豎向、橫橋向+豎向地震輸入下，主橋所有橋塔、橋墩截面及樁基礎最不利單樁截面地震彎矩小于其初始屈服彎矩，截面保持為彈性工作狀態，滿足預期性能目標要求。其中E1地震作用下，橫橋向邊墩、輔助墩和主塔牛腿處固定支座最大剪力分別為2 411、1 592 kN和14 007 kN。

對于主塔處固定支座，結合抗風支座聯合作用，設計噸位滿足地震作用抗剪承載力需求。

5.3 穩定性分析

基于MIDAS有限元程序，建立空間有限元模型，計算分析了主橋裸塔狀態、轉體施工階段、運營階段的空間穩定性分析。

計算工況：①計算工況1，恒載作用；②計算工況2，恒載作用+橫橋向風荷載(100年重現期，阻力、升力、升力矩)；③計算工況3，恒載作用+順橋向風荷載(100年重現期)；④計算工況4，恒載作用+全橋滿布活載+橫橋向風荷載(行車風速，阻力、升力、升力矩)；⑤計算工況5，恒載作用+全橋滿布活載+順橋向風荷載(行車風速)；⑥計算工況6，恒載作用+主跨滿布活載+橫橋向風荷載(行車風速，阻力、升力、升力矩)；⑦計算工況7，恒載作用+主跨滿布活載+順橋向風荷載(行車風速)。主橋各主要階段穩定性分析見表2。

表2 主橋各主要階段穩定性分析

6 結論

(1)武漢市楊泗港快速通道青菱段工程線路走向與鐵路建筑相交，需要通過的既有鐵路建筑物類型繁多，主要有武石城際、京廣鐵路、焊軌基地及武南編組站；而且還需在武昌首義學院內穿行，學校建筑與工程建設區域較近。為減少對既有鐵路建筑物的干擾，確保鐵路運營安全，同時縮短施工工期，本橋綜合考慮采用鋼箱梁斜拉橋、轉體施工方案。

(2)本橋為國內首座半漂浮體系獨柱塔轉體斜拉橋，首創獨柱塔這一獨特轉體斜拉橋橋塔形式，該橋塔縮減了基礎規模，景觀效果好，可為上跨鐵路橋梁的橋式方案選擇提供一定的借鑒。

(3)靜動力分析表明，本橋結構受力性能良好，結構安全可靠，獨柱寬幅中央索面轉體鋼箱梁斜拉橋可進一步推廣。