舟山小干大橋主橋總體設計

2019-06-29 06:34:10沈旭東高恩全王豐平

城市道橋與防洪 2019年6期

沈旭東，高恩全，王豐平

（浙江省交通規劃設計研究院有限公司，浙江杭州 310006）

0 引言

小干大橋起于舟山本島浦西開發區，起點與329國道相連，跨越著名的沈家門水道至小干島，與規劃中的島上東西向干線連接，路線全長9.118 km。該項目為連接舟山本島、沈家門329國道至小干島、馬峙島的唯一公路，是發展兩島臨港工業，滿足島內貨物，以及居民出行本島的必由之路。

小干大橋主橋采用（130+300+130）m雙塔雙索面PC梁斜拉橋，主橋長560 m，斜拉索采用扇形空間索面（見圖1）。兩側引橋采用先簡支后連續預應力混凝土組合箱梁。由于道路等級較低，橋面凈寬僅15 m，對主梁斷面型式、主塔形式選擇提出了挑戰；主跨位于圓曲線上，邊跨縱坡最大處達到4%，邊中跨縱坡差形成的懸臂狀態結構不平衡，對理論計算提出了更高的要求。本文重點介紹小干大橋主橋的總體布置、局部構造和施工方案等要點[1-4]。

1 主要技術指標

小干大橋采用二級公路技術標準，設計速度為80 km/h。橋梁凈寬采用15.0 m，橋面寬度為0.75 m（護欄、C 值）+3.0 m（硬路肩）+2×3.75 m（行車道）+3.0 m（硬路肩）+0.75 m（護欄、C值）=15.0 m。橋位處于Ⅶ度區域，地震動峰值加速度為0.1g，設防措施等級8級。

圖1 總體布置圖（單位：m）

汽車荷載等級采用公路—I級，設計基準風速按V10=40.5 m/s。橋位處航道等級為3 000 t級油船，需滿足單向200 m×30.5 m通航要求。此外靠該島碼頭側布設通航孔時需考慮500 t級漁船停泊凈空16 m×21.5 m。

2 結構設計

2.1 總體設計

小干大橋橋區處于沈家門航道中心漁港碼頭處，橋軸上下游碼頭密布，為避免碼頭的搬遷，減少岸線資源的破壞，同時為避免橋梁對主航道通航的影響，防止船舶撞擊的危險，一側主墩設置在碼頭內側，主跨一跨跨越主航道深水區。通航孔除滿足3 000 t級油輪海船的通行外，還需兼顧500 t級漁船在碼頭側停泊和通航富裕寬。小干島側主墩則跨過主航道深水區后落在暗礁附近，降低船撞風險。綜合考慮上述因素，確定主跨跨徑為300 m，邊跨根據計算采用130 m，不設輔助墩。最終主橋跨徑組合為（130+300+130）m，邊、中跨之比為0.433。圖2為橋位平面圖。

圖2 橋位平面圖

主橋采用半漂浮體系，主塔、主梁之間設KFPZ10000SX橫向抗風支座，邊墩處主梁底設橫向限位擋塊；主梁縱向均設活動支座，但在塔梁處設750S×350X型阻尼器（最大阻尼力±750 kN，最大位移±350 mm）。圖3為支承體系總體布置圖。

圖3 支承體系總體布置圖

2.2 主梁

對混凝土斜拉橋常規的雙邊箱、“π”型、整體單箱斷面進行了對比。由于該橋橋面凈寬僅15 m，考慮拉索區后為19 m，橋面寬度小，采用雙邊箱或“π”型斷面，單肋寬度小，主梁剛度受到限制，經分析僅活載作用下，混凝土梁應力幅達到9 MPa，受力性能較差，因此推薦采用整體箱斷面，以提高主梁的抗彎、抗扭剛度。整體箱采用單箱三室斷面，箱梁中心高度采用2.75 m。橋面行車道凈寬15 m，兩側各0.5 m防撞護欄，護欄外側為1.5 m斜拉索錨索區和檢修道區，總寬度為19 m。

箱梁標準段每8m為一個節段，單個節段混凝土重320 t左右。箱梁頂板厚0.25 m，底板厚0.3 m，三角邊箱底板厚0.25 m，中腹板厚0.4 m。中間箱室凈寬6 m，邊箱室凈寬4.2 m，兩側1.5 m挑臂根部厚1 m，為拉索梁端部的錨固區域。0號段頂板加厚至0.4 m，底板加厚為0.6 m，三角邊箱底板加厚為0.4 m，中腹板為0.6 m。邊跨現澆段除頂板仍為0.25 m厚，其余結構尺寸同0號節段。邊跨箱梁設壓重混凝土，分步施工。

主梁設縱、橫向預應力，其中縱向預應力依施工步驟分為兩種：懸臂施工用預應力，采用預應力精軋螺紋鋼筋；中、邊跨合龍段預應力，采用?s15.2低松弛預應力鋼絞線。橫向預應力依橫梁位置大致分為六種，分別采用15?s15.2預應力鋼絞線和19?s15.2預應力鋼絞線。圖4為錨固橫梁橫向預應力布置圖。

圖4 錨固橫梁橫向預應力布置圖（單位：cm）

2.3 主塔及基礎

索塔采用倒Y型，一方面增加主塔自身的橫向穩定性，另一方面為斜拉索空間索面布置提供條件，增加結構的抗風性能。

索塔承臺以上全高113.5 m。索塔上塔柱為直線段，高35.45 m，中塔柱為51.75 m。塔柱采用空心箱形斷面，上塔柱橫向寬5 m，壁厚0.85 m，中塔柱單柱橫向寬3 m，壁厚從0.85 m至1 m變化，下塔柱橫向名義寬從3.2 m至5.5 m直線過渡，壁厚1 m。下塔柱底橫梁為高3.5 m實心段連接。上、中塔柱順橋向寬7m，壁厚分別為1 m和1.2 m，下塔柱順橋向寬從7 m直線變化到8.5 m，標準段壁厚1.2 m，與下橫梁連接段4.5 m高范圍內為實心段。

索塔在中塔柱弧線段分叉處設置了預應力，由于該處受力較為復雜，因此，從1號斜拉索錨固頂面至橫向分叉圓弧頂6.95 m高范圍內采用了實心段。為了承受傾斜的中、下塔柱在中橫梁內產生的拉應力，在下橫梁內配置了70根15?s15.2 0 mm預應力鋼絞線。圖5為主塔構造圖。

主墩基礎每墩設15根?2.5 m鉆孔灌注樁，矩形布置，為抵抗橫橋向的風荷載產生的較大水平力和彎矩，橫向布置5排，順橋向布置3排，樁尖進入中風化巖層不小于3倍樁徑。過渡墩采用矩形空心板式墩，墩身厚3.0 m，橫橋向寬8.3 m，墩高24.6 m；基礎為6根?1.8 m鉆孔樁。

圖5 主塔構造圖（單位：cm）

2.4 斜拉索

斜拉索的間距與索力成正比，索距越大每根索的索力越大。目前的密索體系斜拉橋在混凝土主梁上的間距為4～12 m。該橋斜拉索采用扇形空間雙索面布置，每塔每索面共18對斜拉索，共144根。因錨固方式采用鋼錨梁形式，考慮到張拉空間的需要，塔上索距分別為2 m、2.1 m，梁上索距除邊跨壓重區為4 m外，其余均為8 m。斜拉索采用高強度低松弛平行鋼絲索，索體采用雙層HDPE防護的全防腐索體，抗拉強度標準值為fpk=1 670 MPa。拉索錨具采用冷鑄鐓頭錨錨固體系，均在主塔端張拉。斜拉索在預埋鋼導管內設置體內減振器，拉索外表面壓麻坑或設雙螺旋線，以防止產生風雨振。

2.5 主要聯接構造設計

2.5.1 索梁連接

斜拉索梁端采用混凝土齒塊錨固，在箱梁外側設置齒塊，預埋斜拉索導管，斜拉索采用牽引索拉伸至塔端，梁端作為固定端，斜拉橋在塔端進行張拉。圖6為斜拉索主梁錨固構造圖。

2.5.2 索塔連接

除1號索直接錨固于塔壁外，其余斜拉索塔端均采用鋼錨梁錨固結構。鋼錨梁設置在上塔柱中，共17節，各錨固一對斜拉索。鋼錨梁由受拉錨梁和錨固構造組成（見圖7、圖8）。

圖6 斜拉索主梁錨固構造圖（單位：cm）

圖7 鋼錨梁空間視圖

圖8 鋼錨梁有限元模型

每對斜拉索面內的平衡水平分力由鋼錨梁承受，部分不平衡水平分力通過梁端頂座傳遞到預埋鋼板，由索塔承受；豎向分力通過牛腿傳到塔身后，全部由索塔承受；空間索在面外的水平分力由鋼錨梁自身平衡。為達到此受力模式，構造上采取下列措施：

（1）與鋼牛腿的接觸面之間采用不銹鋼和四氟板構成滑動摩擦副，用以消除鋼錨梁與鋼牛腿接觸面之間的摩阻力對塔的影響，確保平衡水平分力全部由鋼錨梁承受的受力模式。工地整體組裝前，四氟板面涂硅脂，增加摩擦副的潤滑性。

（2）一端設置固接螺栓，安裝斜拉索時，鋼錨梁的一端與牛腿固結，以避免施工中發生兩側掛索不同步時，造成鋼錨梁位置的失控而沖擊塔壁。

（3）利用鋼錨梁與鋼牛腿的連接螺栓抗剪傳遞橫橋向的不平衡水平分力。

吊裝施工時，錨梁與牛腿臨時固結，形成整體一起吊裝。鋼錨梁與鋼牛腿整體安裝后，先松開一側的連接螺栓，再進行斜拉索張拉。張拉完成后，再松開另一側的螺栓，保證鋼錨梁與鋼牛腿間順橋向無約束（見圖9）。

圖9 鋼錨梁、牛腿連接示意圖

2.6 抗風設計

小干大橋采用混凝土閉合箱梁斷面，主跨自重較大，主梁的扭轉剛度較大，具有較高的扭轉自振頻率和扭彎頻率比；同時，也對控制截面地震響應貢獻最大的振型周期相對較長，為大橋的抗風抗震安全性提供了良好的結構動力學基礎。根據主橋結構抗風驗算和主梁節段模型風洞試驗，成橋狀態和施工階段主梁顫振臨界風速均大于主梁的顫振檢驗風速，滿足抗風規范相關要求。圖10為施工狀態主梁節段模型。

圖10 施工狀態主梁節段模型

2.7 抗震設計

塔梁之間需設KFPZ10000SX橫向抗風支座，邊墩處主梁底設置橫向限位擋塊；主梁縱向均設活動支座，但在塔梁處設KZ-750Sx350X型阻尼器。由于縱向阻尼器對溫度、混凝土收縮徐變等速率緩慢的變形，約束力很小，對活載、風、地震等速率較快的變形，能有效約束，因此，設置縱向阻尼器可防止主梁瞬間位移，提高行車舒適性，同時，阻尼器對地震反應的消能作用也較顯著。

主橋抗震驗算結果表明，從地震作用下主梁控制截面的內力結果與靜力計算結果可知，主梁控制截面的地震內力小于靜力結果，地震力不控制設計，主塔結構各控制截面承載能力均能滿足要求

2.8 施工方案

小干大橋主橋采用懸臂澆筑、前支點掛籃施工。由于該橋邊中跨縱坡差較大，對稱懸臂狀態下因兩側拉索錨固點高程、索傾角存在一定的差異，主梁、主塔受力難以保證完全平衡，為改善施工過程中的受力平衡，對斜拉索提出多次張拉的要求：

（1）前支點掛籃前移，斜拉索掛索臨時錨固，張拉1/3施工索力；

（2）混凝土澆筑一半左右，第二次張拉對應索力，索力約為施工索力的2/3，以控制主梁梁端位移和應力滿足施工過程需要為宜；

（3）全部混凝土澆筑完畢，達到齡期要求后，斜拉索錨固轉移至主梁，第三次張拉斜拉索；

（4）掛籃前移，重復（1）-（3）步驟；

（5）待邊中跨合攏，橋面及附屬設施施工完成后，檢查斜拉索索力與設計成橋索力的差異，進行調索，確保成橋索力與設計索力基本一致，主梁、主塔各項指標處于合理狀態。

2.9 耐久性設計

該橋位于海洋環境，耐久性設計是該橋設計的重點。

2.9.1 海工耐久性混凝土

采用的海工耐久混凝土，其配合比根據不同結構部件、不同配筋部件、不同設計要求、不同施工方法、不同環境侵蝕作用、不同原材料分別進行設計，主要從原材料和混凝土配合兩方面嚴格要求。對橋梁各部位海工耐久混凝土的抗氯離子滲透性提出嚴格要求（見表1）。

表1 海工耐久混凝土抗氯離子滲透性要求一覽表（12W齡期）

2.9.2 增加混凝土的保護層厚度

理論上加大保護層厚度對提高構筑物耐久性具有顯著效果，但厚度增加是有一定限度的。當保護層過厚時，將減小截面受壓區高度，降低結構的承載能力，使得結構的力學性能得到損害。因此需要根據結構部位和受力特點，設置合理的鋼筋保護層厚度。該橋各部位的保護層厚度如表2所列。

表2 構件保護層厚度一覽表

2.9.3 混凝土外表面涂裝

主橋主梁及主塔外表面進行防腐蝕涂裝。

3 總體計算組合選擇

小干大橋總體靜力計算采用空間有限元程序Midas進行計算。計算從施工階段(主橋計算包括掛籃懸臂澆筑、支架現澆、各跨合龍、二期恒載等)至竣工后運營階段等，對不同的結構體系進行了全過程結構分析。根據該項目特點，對于各主要構件采用以下組合進行驗算。

3.1 主梁、斜拉索驗算

施工階段：恒載+施工荷載。

組合（1）：恒載+汽車活載+支座不均勻沉降。

組合（2）：組合（1）+風力 +體系升溫 +材質溫差+梯度溫度。

組合（3）：組合（1）+風力 +體系降溫 +材質溫差+梯度溫度。

組合（4）：組合（1）+ 風力 + 體系升(降)溫 + 材質溫差+梯度溫度。

百年風荷載與汽車活載不同時組合。

3.2 主塔及基礎驗算

索塔結構計算主要分為四個階段：裸塔階段、最大雙懸臂施工階段、最大單懸臂施工階段和使用階段。在各階段均進行縱橋向、橫橋向及縱橫耦合計算。施工階段采用容許應力法計算結構的應力，使用階段進行承載能力極限狀態驗算和正常使用極限狀態驗算。

施工階段：恒載+施工荷載+風荷載。