汕頭市西堤大橋主橋總體設計方案研究

段銀龍, 劉 琴, 徐東進

(廣東省交通規劃設計研究院集團股份有限公司，廣東 廣州 510507)

1 概 述

1.1 工程概況

西堤大橋主橋是汕頭市海濱路西延項目中的控制工程，該工程起點在西堤路口對接現狀海濱路，往西跨越礐石橋和梅溪河，沿堤布置，終點近期與建設中的牛田洋快速通道連接，遠期繼續沿堤西延與潮汕環線相接。西堤大橋的地理位置如圖1所示。

圖1 西堤大橋地理位置示意

西堤大橋跨越梅溪河，是連接汕頭東西城區的重要通道，同時也作為汕頭市區快速外環和快捷內環的聯絡線，全長約2.01 km。主橋采用變截面連續鋼箱梁，跨徑布置為(145+200+122)m，效果圖如圖2所示。由于過江通道資源緊缺，主橋采用左右分幅、上下雙層布置，單幅上層布置3車道，下層布置觀光人行道。

圖2 西堤大橋主橋效果圖

項目所在區域水系發達，屬南亞熱帶季節風氣候，年降雨量1 300～1 800 mm，多集中在4～9月份。橋址區場地穩定，無活動斷裂帶；覆蓋層深厚，主要由第四系人工填土、河流沖積相粉質黏土、砂層、海陸交互相軟土、砂層、殘積粉質黏土組成。地震設防烈度為8度，Ⅱ類場地，基本地震動峰值加速度為0.20g。

1.2 主要技術指標

(1)設計行車速度60 km/h；

(2)公路-I級設計荷載；

(3)設計洪水頻率P=1/300；

(4)Ⅲ級航道，單孔雙向通航(船撞力10.6 MN)；

(5)地震動峰值加速度0.2g；

(6)基本設計風速41.2 m/s(重現期100年)。

2 結構設計

2.1 橋型選擇

(1)主橋跨徑選擇。橋位處跨徑制約因素主要有通航、防洪以及自然保護區的要求。結合專題研究，通航凈空要求156 m(寬)×22 m(高)(斜交投影寬度為167.5 m)。考慮到輪跡線與橋位有一定的夾角及承臺安裝防撞設施等，主橋跨徑不少于180 m，結合自然保護區的位置及落墩條件，跨徑選擇為200 m。過渡墩位于兩岸淺灘上，水中一孔跨越通航水域，阻水比滿足規范的相關要求。

(2)橋型構思。針對200 m跨徑，可選擇的橋型有連續鋼箱梁方案、鋼桁梁方案、斜拉橋方案和懸索橋方案。西堤大橋與礐石大橋空間交叉，存在上跨和下穿的關系，結合通航凈空要求，需采用上跨礐石大橋方案。另因橋位處于景觀敏感地段，附近為西堤公園，線路走向為和沿江路平行，大橋的修建會破壞“天際線”，為保證江景一色，應盡可能降低建筑物的高度，減小對江景的阻礙，并應考慮到與周圍礐石大橋、西堤公園等景觀融合。綜合考慮景觀、文化寓意等因素，最終選擇為大跨連續鋼箱梁方案，梁高相對矮，線型流暢簡潔，對景觀有利且鋼橋結構較輕有利于抗震。

2.2 主橋總體布置

主橋實施方案為(145+200+122)m連續鋼箱梁(橋型布置如圖3所示)，采用左右幅設置形式，兩幅間距為1.5 m，標準橫斷面如圖4所示。東岸引橋考慮工期影響，采用連續鋼箱梁方案，西引橋不受工期限制，從節約造價考慮采用30 m預應力混凝土小箱梁。

圖3 西堤大橋主橋橋型布置圖(單位：cm)

圖4 標準橫斷面布置圖(單位：cm)

由于主橋的構造設計及施工方法等對結構內力或位移有較大的影響，設計時需兼顧主梁梁高取值、跨中直線段長度、底板混凝土疊合長度及疊合時機、拆除支架的時機及橋面鋪裝輕質超高性能混凝土(LUHPC)的施工順序等，以改善結構的受力。同時,構造設計時應考慮后期施工養護的便利性。

2.3 鋼箱梁設計

鋼箱梁全寬13 m，為箱形斷面，腹板間距6 m，跨中梁高5 m，為跨徑的1/40，中支點梁高9 m，為跨徑的1/22.2，主跨跨中段等高段長80 m，梁高變化段按二次拋物線變化。鋼梁采用左右腹板變高形成橫坡，底板水平。腹板外側外挑4 m寬的觀光人行道。

2.3.1 梁段劃分

根據結構受力特點和施工的便捷性，邊跨鋼梁劃分為S1～S10(S1～S9′)共10個類型，梁段長為9 m、12 m、15 m、18 m梁段；中跨鋼梁劃分為M1～M6共6個類型，標準梁段長為9 m、12 m、15 m、16.5 m及58 m；墩頂梁段類型為SM0。

2.3.2 構造尺寸

(1)頂板。鋼箱梁頂板厚度16～30 mm，不同厚度頂板對接時，頂板下緣保持齊平。頂板U肋采用熱軋U肋， U肋高300 mm、上口寬300 mm、下口寬180 mm、厚度為8～10 mm，橫向標準間距580 mm。頂板板肋高度為200 mm，厚度為16 mm。為了提高正交異形橋面板的抗疲勞性能，U肋與橋面板之間采用雙面焊接工藝。

(2)底板。根據受力需要，底板在順橋向不同區段采用24～50 mm的不同厚度。支點附近區域采用32 mm厚度，中跨跨中下緣采用50 mm。不同厚度底板對接時，底板上緣對齊。底板加勁肋采用板式肋，在非疊合區域，按剛性加勁的原則設置，板肋尺寸為240 mm×24 mm～320 mm×32 mm，橫向標準間距500 mm。

(3)腹板。鋼梁腹板厚度為16～28 mm，腹板設置多道縱向加勁肋，縱向加勁肋采用板式構造，結構尺寸為180 mm×16 mm～300 mm×28 mm。在兩道橫隔板之間的腹板上設一道T形橫肋，T肋尺寸根據不同腹板高度加以區別，橫肋翼緣及腹板厚度12～16 mm。不同厚度腹板對接時，內側對齊。

(4)橫隔板。橫隔板間距3 m，隔板采用實腹式與V形撐兩種方式，采用2道實腹式隔板間設2道V形隔板的混合布置方式。結合人行道的布設，全橋范圍在人行道面以上部分同類隔板可保持一致尺寸。V形桁式隔板斜撐采用雙肢角鋼。V形斜撐采用節點板焊接，斜撐中間設填板。雙角鋼斜撐采用L200 mm×200 mm×14 mm。

在中支點附近高腹板區域，為解決高腹板的穩定問題，在人行道位置高度設置水平橫隔板，并開設人孔。

(5)下層人行道。人行道寬4 m，采用間隔3 m的挑臂與14 mm厚面板組成。挑臂端部高300 mm，根部高700 mm，下翼緣采用240 mm×14 mm。面板采用U肋與板肋加勁。

(6)底板鋼-混結合段。考慮減薄中支點鋼梁底板厚度，并對鋼梁受壓底板、高腹板穩定的有利作用，在中支點兩側各23.5 m范圍內采用鋼梁底板與混凝土結合，如圖5所示，即在鋼梁底板上澆筑混凝土，使鋼梁與底板共同承擔荷載。底板采用C50補償收縮混凝土，厚度為0.4～1.0 m，底板及底板縱肋、腹板上設置焊釘連接件，保證混凝土與鋼梁底板的連接性能。

圖5 底板疊合段示意(單位：cm)

2.4 下部結構

主墩采用整體式承臺、分離式墩柱。整體式承臺尺寸為36.0 m(長)×12.5 m(寬)×5.0 m(高)，端頭為橢圓形，根據水利主管部門意見，承臺埋入一般沖刷線以下，承臺頂高程-2.5 m。承臺下設10根D300～D250變截面鉆孔灌注樁基礎，并設置永久鋼護筒，鋼護筒長度為34 m。墩身為空心薄壁墩，尺寸為850 cm×500 cm，壁厚80 cm。根據防撞專題意見，最高通航水位以上5 m采用實心段，即墩底實心段長度為10 m；墩頂實心段長度為3 m。

過渡墩采用啞鈴形承臺、分離式墩柱。單個承臺尺寸為9.7 m(長)×9.7 m(寬)×3.5 m(高)，承臺下設4跟D220鉆孔灌注樁基礎。墩身為空心薄壁墩，尺寸為700 cm×320 cm，壁厚為60 cm。過渡墩處于非通航區域，墩底不設實心段，墩頂實心段高2.5 m。

主墩基礎由地震工況控制設計，船舶撞擊工況不控制設計。主墩基礎施工采用雙壁鋼板樁圍堰，主墩采用防撞護舷。

2.5 抗震體系的選擇

本橋位處軟基深厚，地震烈度高，抗震設計是必不可少的。對于大跨度橋梁，采用彈性減隔震設計，結合相似規模的結構，常用的抗震體系有橫向摩擦擺支座+縱向黏滯阻尼器、雙曲面摩擦擺支座、彈塑性鋼阻尼支座、球形支座+橫向鋼阻尼+縱向黏滯阻尼器等。以上幾種均為可行方案。結合橋墩尺寸、梁底支座設置及工程造價，設計時重點比較了前兩種方案，經過計算分析對比，最終采用橫向摩擦擺支座+縱向黏滯阻尼器方案。

2.6 附屬設計

鋼箱梁的設計應重視后期運營養護期間的可達、可檢及可修。鋼箱梁的病害主要包括：鋼箱梁表面的涂裝劣化、鋼材的銹蝕及結構的疲勞裂紋等[1]。為便于后期養護及檢修方便，箱內設置照明系統，并設置檢查車用于運送人員及檢修設備，同時設置檢修梯，方便檢修人員上下；箱外設置帶高清攝像頭的機器人檢修系統，用于常規檢查。

為提高橋面板的耐久性，橋面鋪裝采用5 cm LUHPC+4 cm厚高黏高彈瀝青混凝土。LUHPC相對于普通的超高性能混凝土(UHPC)，體積穩定性好，具有強度高、密度輕及收縮小等特點[2]，橋面鋪裝施工時對結構內力影響較小。

2.7 抗風及行人舒適性設計

大跨度橋梁對風荷載作用比較敏感，檢驗風荷載響應是否在允許范圍之內成了大跨度橋梁設計不可或缺的一部分[3]。大跨徑連續鋼箱梁剛度小，自重輕，風荷載作用下易發生風致振動[4]，包括日本東京灣通道橋(Trans-Tokyo Bay Crossing Bridge)[5]和巴西尼泰羅伊大橋(Rio-Niteroi Bridge)[6]在內的多座大跨連續鋼箱梁橋在施工或運營過程中都出現過明顯的渦激振動。橋梁設計時，通過1∶40主梁節段模型的風洞實驗，研究了兩幅不同主梁間距50 cm、100 cm、150 cm及200 cm時，上下游橋面渦激振動情況，綜合風洞結果和路線設計情況，選用兩幅間距為150 cm。風洞實驗表明：主梁在0°、+3°、-3°三個風攻角下的渦振性能，在上游橋面，主梁斷面三個攻角均出現明顯渦激振動，其中+3°攻角振幅最大；在下游橋面，主梁斷面三個攻角均出現劇烈的渦激振動現象，出現了兩個渦振風速區間，振幅超過規范限值。通過采取封閉欄桿氣動措施，可將渦激振動振幅控制在規范限值以內。

我國人行橋設計規范建議結構的基頻要大于3 Hz，這對于大跨徑結構鋼箱梁結構不可能滿足。自由行走的人群步頻分布在1.2～2.40 Hz[7]，根據德國和法國規范的敏感頻率范圍評價準則鎖定敏感頻率范圍，然而通過頻率調整來滿足振動舒適性要求很難做到。可通過理論預測的方法分析其人致振動響應，通過安裝阻尼裝置，盡可能減少結構處于敏感頻率內的模態和提高結構的阻尼，使結構的最大加速度響應能滿足行走舒適性要求。

綜合考慮渦激振動及行人舒適性，最終設計并安裝了調頻質量阻尼器(TMD)，以提高結構的阻尼，改善行人舒適性及減小風振的影響。

3 施工方案

鋼箱梁的施工方案取決于橋位處水深及通航條件、起吊設備的起吊能力、鋼箱梁的制作場地及運輸條件等。本橋設計時參考同類橋梁的施工技術，通過方案比選，放棄了傳統的利用橋面吊機從中支點向兩側對稱懸臂拼裝及整孔大節段吊裝方案[8]，選擇了在邊跨及中跨接近中支點區域搭設滑移支架，在中跨深水區域利用浮吊吊裝節段，通過滑移支架向邊跨滑移。為保證施工期間的通航要求，中跨跨中60 m節段整體起吊，如圖6所示。采用該方案，無須對邊跨淺灘區域進行疏浚，具有對環境影響少，受水位影響小，并且工期相對較短等優點。

圖6 施工示意圖

4 結束語

西堤大橋主橋跨域梅溪河和礐石大橋，穿越西堤公園，處于深厚軟基和強震區，建設條件復雜。總體設計兼顧了橋位處通航、防洪、景觀協調等各方面的需求，結合建設條件，主橋采(145+200+122)m帶懸臂的大跨度變截面連續梁橋方案，以適應周邊環境及公園慢行系統。該橋設計采用的高腹板加勁方式、鋼箱梁 U 肋雙面焊接技術、抗震體系的選用、渦激振動和行人舒適性控制方法、LUHPC橋面鋪裝及施工方案等，可為同類型橋梁的設計提供借鑒。該橋已完成施工圖設計，即將開工，計劃工期為30個月。建成后，主跨跨徑將超越在運營的崇啟大橋[9]，成為國內同類橋梁第一。