宜賓鹽坪壩長江大橋寬橋面組合梁設計

蔣建軍，田 波，文 凱

（四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院，四川 成都 610041）

0 引言

斜拉橋的主梁按照材料和結構類型劃分有混凝土梁、鋼箱梁、鋼桁梁、鋼混組合梁(又稱疊合梁、結合梁)；當鋼梁與混凝土梁混合使用時，稱為混合梁[1]。混凝土梁由于自重大，適用于跨徑500 m以下且橋面不寬的斜拉橋[1]。鋼箱梁自重輕、抗震和抗風性能好，且便于架設，適用于600 m以上跨度的斜拉橋。鋼桁梁可采用散件拼裝，適用于建橋條件困難的山區；且剛度大，也適用于雙層橋面的斜拉橋。鋼混組合梁與混凝土梁相比，具有自重較輕、架設工法多、耐久性好的特點，跨越能力更強[2]，適用跨徑為400～650 m的斜拉橋。鋼混組合梁斜拉橋與鋼斜拉橋相比，由于利用混凝土橋面板受壓，橋塔附近主梁的抗壓性能得到改善；橋梁抗彎與整體剛度加大，有利于抗風穩定；增大了橋面局部剛度，很好地避開了鋼箱梁鋼橋面疲勞及橋面鋪裝易損壞的問題[2]；且用鋼量少，經濟性較好。

我國從1991年建成主跨423 m的南浦大橋以來，鋼混組合梁斜拉橋良好的受力性能和經濟性逐漸得到認可。目前國內已建和在建的跨度大于400 m的鋼混組合梁斜拉橋有近20座，最大跨徑為2016年建成的望東長江大橋，其主跨為638 m[2]。鋼混組合梁斜拉橋最主要的問題是混凝土橋面板的抗裂性差[3]，在寬橋面斜拉橋的表現更加突出。混凝土橋面板通常采用鋼筋混凝土結構，在跨中或邊跨梁端順橋向軸壓力小，一般設置縱向預應力[5]；由于橋面板較薄，且橫梁間距小，以縱向受力為主，一般不設置橫向預應力體系；在單索面的組合梁斜拉橋中偶有使用，如東海大橋[4]。橋面板在車輛荷載、收縮徐變、泊松效應、拉索錨固力、溫度梯度等作用下，在順橋向和45°斜向可能出現裂縫[3，5-7]。寬橋面鋼混組合梁的剪力傳遞有明顯剪力滯后效應，導致混凝土橋面板與鋼主梁相接處的應力明顯高于截面中心處[8]，易導致橋面板在縱梁腹板附近產生順橋向裂縫。因此，大跨度斜拉橋寬橋面組合梁設計需要綜合考慮各方面因素，選擇合理斷面型式，協調混凝土橋面板、主縱梁、鋼橫梁之間的剛度，優化節段長度與鋼橫梁的間距，使得主梁各部位在順橋向、橫橋向均能合理分配內力，有效控制主梁各部位的應力和整體剛度。

1 概況

1.1 工程概況

宜賓鹽坪壩長江大橋連接四川省宜賓市臨港經濟開發區和鹽坪壩組團，位于三江口(金沙江與岷江匯合成為長江)下游約6.3 km處，是長江上游第二座跨江大橋。主橋為雙塔空間索面混合梁斜拉橋，跨徑布置為45 m+51 m+97 m+480 m+97 m+51 m+45 m，半漂浮支承體系，橋梁立面見圖1，效果圖見圖2。中跨采用鋼混組合梁、邊跨采用預應力混凝土梁，鋼混結合段位于中跨索塔附近彎矩較小處，鋼混結合面設置在距索塔中心線10.5 m處，鋼混過渡段總長度為10 m。中跨橋面寬度40 m，包含2.0 m人行道、1.0 m拉索區、2.5 m非機動車道，半幅凈寬12.5 m車行道，以及護欄和分隔帶，見圖3；邊跨橋面受立交匝道接入影響而漸變加寬。主橋采用弧形混凝土索塔、環氧涂層鋼絞線斜拉索。兩岸各設21對斜拉索，中跨名義索間距為10.5 m和11.1 m。

圖1 橋梁立面圖（單位：cm）

圖2 主橋效果圖

圖3 組合梁橫斷面（單位：cm）

1.2 主要技術標準

（1）道路等級：雙向6車道城市快速路，設計速度80 km/h；

（2）設計荷載：城—A 級，人群 2.5 kN/m2；

（3）抗震設防：地震基本烈度Ⅶ度，地震動峰值加速度系數為0.10g；

（4）橋梁設計基準期：100 a；

（5）主體結構設計使用年限：100 a；

（6）橋梁設計安全等級：一級；

（7）航道等級：Ⅰ-（3）級；

（8）基本風速：24.3 m/s（100 a重現期）。

2 組合梁設計關鍵技術

2.1 主梁斷面選型

隨著城市經濟發展，交通量大幅增長，考慮過江通道的稀缺性，大橋的車道數常采用雙向6車道或8車道，橋面寬度越來越大。寬橋面組合梁斜拉橋的主梁受力復雜，混凝土橋面板的抗裂問題突出，選擇受力性能良好的截面是關鍵。根據統計，大跨度寬橋面組合梁斜拉橋的主梁斷面型式主要有5種類型：雙“工”字形鋼梁+混凝土板[5]；雙鋼箱梁+混凝土板[2]；PK型分離雙箱鋼+混凝土板[6]；閉口鋼箱+混凝土板[9]；鋼桁梁+混凝土板[10]。我國已建成或在建的主跨400 m以上鋼混組合梁斜拉橋的主梁斷面型式見表1。

雙“工”字形鋼梁+混凝土板構成的組合梁型式具有自重輕、構造簡單、安裝方便、便于拉索錨固的特點[2]，在多數大跨度組合梁斜拉橋上使用。雙鋼箱梁+混凝土板構成的組合梁型式具有主梁抗彎、抗扭剛度大，鋼板厚度適當的特點[2]，適用于橋面寬度30m以上的大跨度斜拉橋。PK型分離雙箱鋼+混凝土板構成的組合梁型式具有抗彎、抗扭剛度大，橫向撓度小，抗風穩定性好的特點，適用于受臺風影響的大跨度斜拉橋[11]。閉口鋼箱+混凝土板構成的組合梁型式具有整體剛度大，抗風穩定性好，耐腐蝕性好的特點[9]，適用于跨海大橋。鋼桁梁+混凝土板構成的組合梁型式具有整體剛度大，便于安裝的特點，缺點是抗風性能稍差，適用于公鐵兩用雙層橋梁[2]。

宜賓鹽坪壩長江大橋位于丘陵開闊地帶，100 a重現期的基本風速為24.3 m/s，抗風問題不突出。主梁采用雙鋼箱梁+混凝土板構成的組合梁時，在0°、+3°、-3°三種風攻角下，懸臂施工階段最小顫振臨界風速為81.2m/s，顫振檢驗風速52.02 m/s；成橋階段最小顫振臨界風速為96.5 m/s，顫振檢驗風速56.54 m/s，抗風穩定性均較好。由于主梁外形為開口板梁，且橋面寬度大，有規律的漩渦脫落將可能激發主梁豎向振動，需要采取工程措施抑制主梁豎向渦激振動。

中跨組合梁的橋面寬度達到40 m，需要主縱梁具有較大抗扭剛度為鋼橫梁提供有效支承，減小橋面橫向下撓。另外，若主縱梁采用“工”字形鋼梁，經計算，底板厚度需要采用100 mm，鋼材采用Q370qD，使得節段之間無論采用焊接還是高強螺栓連接均不能保證質量。

經綜合分析，宜賓市鹽坪壩長江大橋最終采用雙鋼箱梁+混凝土板構成的組合梁型式。

2.2 鋼混組合梁構造設計

雙鋼箱梁+混凝土板構成的組合梁常由鋼箱主縱梁、鋼橫梁、小縱梁、混凝土橋面板組成。混凝土橋面板與鋼箱主縱梁、鋼橫梁之間采用剪力釘連接。

表1 我國主跨400 m以上組合梁斜拉橋的主梁斷面型式

宜賓鹽坪壩長江大橋的組合梁節段長度為10.5 m、11.1 m，跨中合龍段長度7 m。節段內鋼橫梁道數與主梁斷面型式和橋寬有關，一般為3.0～4.5 m（如椒江二橋橫梁標準間距為3.0 m、泉州灣跨海大橋為3.5 m、楊浦大橋為4.5 m）。本橋的橋面寬度達40 m，且為貨運主通道，具有重載交通特點；因此，每節段設置3道鋼橫梁，間距為3.5 m、3.7 m。設計過程中曾考慮設2道鋼橫梁，間距為5.25 m、5.55 m，其結果是橋面板厚度需增大至32 cm，鋼橫梁需要加高至3 m，恒載增加過多，結構受力不合理。橫橋向設3道工字鋼小縱梁，間距8 m，左右對稱布置。為提高鋼主縱梁的抗彎、抗扭剛度，梁高取3.5 m（含混凝土橋面板）。鋼箱主縱梁標準寬度2 m，橋塔附近受力較大，逐漸加寬至3 m，鋼板均采用Q370qD鋼材。鋼箱主縱梁頂板厚度16 mm，設三道縱向加勁肋，在變寬段逐漸增加至5道。腹板厚度為20 mm，在橋塔附近加厚至24 mm，設三道縱向加勁肋。底板厚度從跨中段的16 mm逐漸加厚至橋塔附近的50 mm，底板上布置3道縱向加勁肋。為提高腹板和底板的受壓局部穩定性，鋼箱主縱梁內每個節段等距設置6道橫隔板，間距為1.75 m（橋塔附近）、1.85 m（跨中附近）、2 m（跨中合龍段），橫隔板厚度16 mm。

鋼橫梁腹板與主縱梁之間通過高強螺栓連接。橫梁采用工字形斷面，跨中鋼梁高度2 620 mm（橋塔附近）、2 640 mm（跨中附近）。鋼橫梁底面保持水平，頂面隨橋面設置橫坡。鋼橫梁的腹板設置縱向、橫向加勁肋，與小縱梁對應位置的橫向加勁肋預留螺栓孔與小縱梁連接。小縱梁用于為澆筑橋面板濕接縫提供支承，為工字形斷面，梁高500 mm，寬度500 mm，翼板和腹板厚度均為16 mm。腹板通過高強螺栓連接在鋼橫梁腹板橫肋上，見圖4。

圖4 小縱梁與橫梁連接構造（單位：mm）

對應橫梁位置，在主梁外側設置挑梁。挑梁采用工字形鋼梁，長度2 000 mm，端部高度320 mm，根部高度760 mm。挑梁與鋼主縱梁焊接連接。

大跨度鋼混組合梁斜拉橋主梁標準斷面的混凝土橋面板厚度一般為23～28 cm（如香港汀九大橋預制橋面板厚為23 cm[10]，青州閩江大橋為25 cm，武漢二七長江大橋為26 cm，望東長江大橋為28 cm[2]），橫橋向在主縱梁腹板附近加厚，順橋向在橋塔附近局部加厚。混凝土橋面采用預制安裝，在鋼主縱梁、小縱梁、鋼橫梁頂面設置濕接縫，要求預制板的存梁時間不少于6個月。預制橋面板采用C60混凝土，濕接縫采用補償收縮的C60鋼纖維混凝土。根據分析計算，宜賓市鹽坪壩長江大橋的預制混凝土橋面板厚度取26 cm，在橋塔附近加厚至28 cm。橫橋向，混凝土橋面板在鋼主縱梁處為負彎矩，且在斜拉索巨大順橋向水平壓力下，混凝土橋面板泊松效應明顯，因此，為了防止橋面板開裂，需要提高截面面積和剛度，在鋼主縱梁頂面處加厚至40 cm。跨中附近斜拉索順橋向水平分力的合力小，橋面板壓應力儲備不足，因此需要設置縱向預應力。縱向預應力采用9根φs15.2預應力鋼束，跨中布置26對，向橋塔方向逐根下彎，依次設置齒塊錨固在橋面板底面。

2.3 索梁錨固構造

對于主梁為雙鋼箱梁+混凝土板的組合梁斜拉橋，索梁錨固方式有三種：（1）錨固在外腹板外側的鋼錨箱上；（2）錨固在鋼箱主縱梁內的鋼錨箱上；（3）錨固在與腹板對應的錨拉板上。本橋斜拉索最大索力達到8 532.8 kN，且拉索橫橋向與水平面的最小夾角為82.785°，即斜拉索與鉛垂線的偏角為7.215°，采用錨拉板錨固或單側腹板外側鋼錨箱錨固時，內外側腹板受力差異大，且存在厚板焊接與鋼板層狀撕裂問題，因此采用鋼箱內錨固。鋼箱內的鋼錨箱由錨墊板、錨箱底板、承壓板、索導管、加勁肋組成，索力通過錨箱底板傳遞至承壓板，然后傳遞至鋼主縱梁的兩側腹板，進而傳遞至主梁斷面，傳力途徑明確，結構受力均勻，見圖5。

3 主要計算結果

本橋采用Midas Civil和Wiseplus空間有限元分析軟件分別建立全橋空間模型進行計算。鋼橫梁及其上的橋面板采用單獨建模分析，鋼橫梁與鋼主縱梁之間采用螺栓連接，邊界條件采用簡支模擬。半橋單梁半橋空間網格模型見圖6。

圖5 索梁錨固構造（單位：mm）

圖6 全橋計算模型

3.1 施工期與成橋階段組合梁主要計算結果

施工期與成橋階段組合梁順橋向正應力計算結果：（1）中跨組合梁混凝土橋面板拉應力最大值1.6 MPa，壓應力最大值 9.8 MPa；（2）竣工狀態及收縮徐變后，中跨組合梁橋面板未出現拉應力，壓應力最大值為9.3/7.3 MPa；（3）施工階段中跨組合梁鋼板應力最大值為153.1 MPa壓應力；（4）竣工狀態及收縮徐變后，中跨組合梁鋼板應力最大值為126.1/153.1 MPa壓應力。

3.2 運營期組合梁主要計算結果

運營期組合梁順橋向正應力計算結果：（1）標準組合下中跨組合梁混凝土橋面板拉應力最大值1.4 MPa，壓應力最大值 10.8 MPa；（2）標準組合下中跨組合梁鋼板拉應力最大值64.5 MPa，壓應力最大值202.9 MPa；（3）承載力組合下中跨組合梁鋼板拉應力最大值101.5 MPa，壓應力最大值258.0 MPa。汽車荷載作用下，主梁豎向撓度最大值為-340 mm，剛度滿足要求。

3.3 鋼橫梁(帶橋面板)橫向計算結果

鋼橫梁與混凝土橋面采用剪力釘連接，為鋼混組合結構。橫向分析時，考慮自重、汽車荷載、整體升溫或降溫、梯度溫度、收縮徐變。不計斜拉索橫橋向水平分力的情況下，計算結果見表2。

由表2可知：在恒載、汽車荷載作用下，混凝土橋面板均受壓，鋼梁上緣受壓、下緣受拉；而在溫度梯度、混凝土收縮及徐變作用下，橋面板橫橋向均產生了拉應力；在最不利標準組合時，橋面板上緣拉應力為1.73 MPa，下緣拉應力為2.61 MPa；鋼梁上緣最大壓應力為155.0 MPa，鋼梁下緣最大拉應力為163.5 MPa。因此，混凝土橋面板橫橋向鋼筋配筋需要加強，以抵抗2.61 MPa的拉應力。

表2 鋼橫梁與混凝土橋面橫向應力結果

4 結語

宜賓鹽坪壩長江大橋主跨480 m，邊跨193 m，邊中跨比為0.402，中跨橋寬40m，雙向6車道，基本風速為24.3 m/s（100年重現期），地震動峰值加速度系數為0.10g。中跨選用雙鋼箱梁+混凝土橋面板組合梁，邊跨采用預應力混凝土梁；鋼混組合梁外腹板處梁高3.5 m，節段采用10.5 m、11.1 m，橫梁間距采用3.5 m、3.7 m，橋面板厚度26 cm，索梁錨固在鋼箱梁內部的鋼錨箱上。通過空間分析計算，鋼主縱梁、混凝土橋面板、鋼橫梁的應力均控制在合理范圍內，主梁剛度滿足要求。