佛山菊花灣大橋主橋的設計與施工

劉厚軍，鄭國富，胡 駿

（中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北 武漢430050）

佛山市順德區(qū)菊花灣大橋建設工程跨越順德水道，連接佛山新城與勒流鎮(zhèn)，道路等級為一級公路，兼顧城市道路功能，雙向六車道，設計車速為60km/h。

橋址處順德水道大堤間寬度約500m，航道等級為Ⅲ級，雙孔單向通航，航道寬75m，高度≥10m。兩岸河堤寬度均為45m左右。

為適應航道及水利的要求，主橋采用2×120m混凝土獨塔斜拉橋，主梁為混凝土雙邊箱，主塔為混凝土主塔，斜拉索為平行鋼絲拉索。該項目在設計施工過程中面臨結(jié)構(gòu)體系比較、低樁承臺深水基礎設計施工、主梁方案選擇等問題和挑戰(zhàn)，文章對這些內(nèi)容進行了詳細闡述，進而選出了最佳設計與施工方案。

1 主橋結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)體系

獨塔斜拉橋可以采用漂浮體系或固結(jié)體系，兩個體系的優(yōu)劣如下：（1）采用漂浮體系，即半漂浮或全漂浮+縱向約束體系時，可通過主梁的縱向位移釋放地震力，但斜拉橋結(jié)構(gòu)的整體剛度相對較低，活荷載作用下梁端位移和跨中撓度相對較大，結(jié)構(gòu)構(gòu)造上需增加支座（半漂浮時）、縱向阻尼器，伸縮縫也需要選擇能夠適應漂浮體系大位移量的產(chǎn)品。（2）全橋采用塔梁固結(jié)體系時，地震作用對結(jié)構(gòu)受力相對不利，但方案明顯提高了斜拉橋結(jié)構(gòu)剛度，避免了主梁縱向漂移，減少了大噸位支座及阻尼器，伸縮縫也不需要適應較大的位移量，便于施工與養(yǎng)護。該橋塔梁固結(jié)點至承臺的高度為27m，經(jīng)驗算塔梁固結(jié)設計可滿足抗震要求，故采用塔梁固結(jié)體系。主橋跨度布置為120m+120m=240m（見圖1），設計為獨塔雙索面預應力混凝土雙邊箱主梁斜拉橋，橋?qū)?4.8m。

圖1 主橋橋式布置圖（單位：m）

1.2 主塔基礎

橋梁水中基礎一般采用樁基礎。根據(jù)廣東省河道管理范圍內(nèi)建設項目技術規(guī)程及該項目省水利廳的防洪影響評價批復文件“河道內(nèi)橋墩承臺位于河床以下”要求，該項目水上橋梁基礎需采用低樁承臺方案。

低樁承臺方案將承臺埋置于河床以下，有利于防洪，但增加了施工難度。為減少施工費用，主墩基礎結(jié)構(gòu)選用分離式，即兩基礎相互獨立。根據(jù)地勘資料，基巖埋置較淺，其上覆蓋層厚度約20m，故設計為柱樁基礎。每側(cè)基礎采用10根2.5m鉆孔灌注樁，設計樁長為47m，樁底標高以“樁底在巖層傾斜處最低點嵌入4-2b中風化層連續(xù)深度≥6m”控制，樁基平面布置呈梅花形，樁間距為6.25m。

承臺頂布置于河床面以下，高程為-10.4m。考慮施工期減少對水流影響以及主墩防船撞需求，承臺平面為圓端形，順橋向?qū)挾葹?7m，橫橋向?qū)挾葹?3.25m，承臺厚度為5m（見圖2）。主墩承臺位置水深在10～16m變化，再計入承臺高度及封底厚度，施工期最大水頭差達25m。

圖2 主塔基礎及雙壁鋼圍堰布置圖（單位：m）

低樁承臺如何施工是項目實施的一個難點，設計時要對鋼板樁圍堰、雙壁鋼圍堰等工法進行比選。鋼板樁圍堰施工簡便，且鋼板樁可以重復利用，但其剛度相對小，擋水高度一般不宜＞11m；雙壁鋼圍堰方案施工相對復雜，但剛度大、密閉性好，可適應大水頭差。為降低工程風險，設計采用雙壁鋼圍堰方案。經(jīng)驗算采用壁厚1.2m的雙壁鋼圍堰可滿足施工需求。

1.3 主塔

根據(jù)景觀造型，主塔結(jié)構(gòu)為H形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。塔底高程為-10.4m，塔頂高程為+96.075m，主塔塔高106.475m。塔梁固結(jié)位置設一道下橫梁，為改善塔柱受力性能，在距塔頂41m處設置一道上橫梁（見圖3）。橫橋向上塔柱及下塔柱均為鉛垂布置，中塔肢向外傾斜，斜率為12∶340；主塔上塔柱兩塔肢間距為28.5m，下塔柱兩塔肢間距為30.9m。

圖3 主塔結(jié)構(gòu)布置圖（單位：m）

主塔上塔柱及中塔柱采用單箱單室截面，下塔柱考慮船撞設計為實心截面。上塔柱橫橋向?qū)挾?.5m，順橋向?qū)挾葹?m；中塔柱橫橋向?qū)挾葹?.5m，順橋向?qū)挾扔?m漸變至7.345m；下塔柱橫橋向?qū)挾扔?.5m漸變至7m，順橋向?qū)挾扔?.345m漸變至8m。上、中塔柱標準截面縱橋向壁厚為0.8m，橫橋向壁厚1.2m。

上塔柱為斜拉索錨固區(qū)段，采用鋸齒塊構(gòu)造。塔壁四周布置“井”字形預應力。錨固區(qū)預應力采用直徑32mm預應力高強精軋螺紋粗鋼筋，單端張拉。

主塔上橫梁和下橫梁均采用單箱單室箱型截面，預應力混凝土結(jié)構(gòu)。橫梁上下緣及腹板上布置17-φS15.2預應力鋼絞線，兩端張拉。

1.4 主梁

雙索面混凝土斜拉橋主梁結(jié)構(gòu)可采用邊主梁或邊箱梁結(jié)構(gòu)（兩種結(jié)構(gòu)對比情況見表1）。

表1 主梁方案對比表

考慮邊箱梁結(jié)構(gòu)剛度明顯大于邊主梁結(jié)構(gòu)，同時方便縱向預應力布置，且材料數(shù)量增加不多，該項目主梁采用預應力混凝土雙邊箱梁斷面結(jié)構(gòu)（見圖4）。

橋面上需要布置雙向六車道和人行道慢行系統(tǒng)，為減少主梁橫向跨度，設計通過1m斜拉索索區(qū)分隔機動車道與人行道，在橋塔處人行道繞塔外側(cè)布置。橋面建筑寬度為35m（含兩側(cè)人行道踢腳外掛各0.1m），主梁結(jié)構(gòu)頂板寬34.8m，設2%橫坡，橋梁對稱中心線處梁高2.8m，塔根處主梁由2.8m加高至3.6m。

圖4 主梁結(jié)構(gòu)布置圖（單位：m）

標準節(jié)段（見圖4）邊箱梁寬9.25m，頂板厚0.3m，直腹板厚0.4m，拉索錨梁寬1.8m，斜腹板厚0.35m，底板厚0.35m，箱梁挑臂長2.35m。斜拉索通過布置于梁底的齒塊將荷載傳遞至主梁上。

標準節(jié)段橫梁厚度0.4m，箱內(nèi)橫隔板設檢修過人孔。

主梁采用雙向預應力體系。縱向預應力設15-φS15.24腹板束及3-φS15.2頂板束，兩者都為分段施工過程束，采用連接器錨具錨固，施工過程中交錯張拉。縱向預應力還包括頂板合攏束及底板合攏束。橫梁采用15-φS15.2鋼絞線，橫梁預應力根據(jù)橫梁受力差異，不同類型的橫梁預應力鋼絞線的數(shù)量、規(guī)格和排列有所不同，所有橫梁預應力采用兩端張拉，開槽錨固。

主梁采用分段施工工藝，根據(jù)施工方式劃分為以下三種：（1）主塔下橫梁附近0#塊，梁段長27m，對稱于主塔墩中心線兩側(cè)，采用支架現(xiàn)澆；（2）左右跨1#～16#梁段為標準節(jié)段，梁段長6m，采用掛籃懸澆施工；（3）左右跨現(xiàn)澆段長10.4m，采用支架現(xiàn)澆。

1.5 斜拉索

斜拉索采用平面扇形布置，拉索在梁上的錨固點間距為6m，塔上的錨固點間距為2m。斜拉索索體可采用平行鋼絲或者鋼絞線。本項目考慮平行鋼絲索整體張拉，應力更均勻，因此采用φ7mm鍍鋅高強低松弛鋼絲束。

斜拉索采用定型產(chǎn)品，全橋斜拉索共34對68根。斜拉索兩端均采用張拉端錨具，安裝時在塔端張拉，主梁端錨固。

2 主橋施工

2.1 基礎的施工

主墩樁基及承臺的主要施工過程：（1）搭設棧橋施工鉆孔平臺；（2）平臺上布置鉆機施工鉆孔灌注樁；（3）采用雙壁鋼套箱圍堰施工承臺。

圍堰形狀為圓端形，與承臺外輪廓相同，兼作承臺模板使用。其平面外尺寸為26.05m×19.8m，為兩端弧形段加中間直線段組合結(jié)構(gòu)，最外側(cè)弧長74.7m，最大弧度半徑為9.9m；圍堰壁厚1.2m，內(nèi)壁板距承臺邊20cm。圍堰內(nèi)設鋼管內(nèi)支撐。

雙壁鋼圍堰在工廠內(nèi)分段預制，在鉆孔樁施工平臺上組拼，后分段下沉并接高，施工過程中保證定位的精確并進行下沉糾偏，然后施工水下混凝土封底，抽水后分兩層澆注承臺混凝土。

2.2 主塔的施工

橋塔采用液壓爬模進行施工。鑒于工期緊張，該項目主塔與主梁部分節(jié)段同步施工。在上橫梁未施工完成時即進行主梁懸臂施工、橋塔斜拉索的張拉。為保證橋塔施工期的穩(wěn)定性，在上橫梁下布置臨時橫撐，該橫撐同時作為上橫梁現(xiàn)澆支架系統(tǒng)的一部分。上橫梁采用一次澆筑，一次張拉的施工工藝。采用上述的施工方案，工期可節(jié)約2個月。

2.3 主梁的施工

主梁除0#塊及邊跨現(xiàn)澆段采用支架現(xiàn)澆施工外，其余16個節(jié)段均采用懸臂澆筑施工。每一節(jié)段長度為6m，標準節(jié)段梁體自重428t。

混凝土主梁懸臂澆筑的掛籃可以采用前支點牽索掛籃或者組合式掛籃。該項目的設計施工中對這兩種掛籃進行了詳細對比與分析（見表2）。

表2 掛籃方案對比表

綜上，組合式掛籃相較前支點牽索掛雖然存在主體結(jié)構(gòu)臨時荷載增大的問題，但掛籃的橫向受力有利，結(jié)構(gòu)重量輕，施工速度快。若主體結(jié)構(gòu)懸臂施工時能夠承擔組合式掛籃方案的臨時荷載，該方案是具有優(yōu)勢的。

菊花灣大橋主橋采用雙邊箱主梁結(jié)構(gòu)剛度大，經(jīng)檢算通過調(diào)整部分預應力鋼束用量可滿足組合式掛籃的施工條件。

主梁節(jié)段的主要施工步驟：（1）掛籃就位，立模板，綁扎鋼筋，澆筑混凝土；（2）已澆筑節(jié)段上掛設斜拉索并初張拉；（3）掛籃前移，對斜拉索進行二次張拉，預抬掛籃，然后再進行模板定位、鋼筋綁扎、預應力筋安裝、預埋件埋設等后續(xù)工作。

3 結(jié)束語

文章介紹了一座獨塔雙索面混凝土斜拉橋的設計與施工，并重點研究了該項目結(jié)構(gòu)體系、低樁承臺的設計與施工、主梁結(jié)構(gòu)的設計與施工，有如下小結(jié)：

（1）該類型斜拉橋在滿足抗震設計的條件下宜采用塔梁固結(jié)體系，可提高斜拉橋結(jié)構(gòu)剛度，減少大噸位支座及阻尼器的應用，便于施工與養(yǎng)護。

（2）受防洪影響制約基礎必須采用低樁承臺時，雙壁鋼套箱圍堰是合適的施工方案。

（3）主梁設計采用雙邊箱主梁方案具有剛度大、方便施工的優(yōu)點，掛籃施工方案采用組合式掛籃方案可加快施工速度、減少項目投資。