日本大跨徑波形鋼腹板PC矮塔斜拉橋
——生野大橋設計與施工

張建勛，趙諳笛 編譯

(1.鄭州市交通規劃勘察設計研究院，河南 鄭州 450008；2.新疆建設職業技術學院)

1 前言

波形鋼腹板箱梁橋和矮塔斜拉橋由法國學者在20世紀80年代提出，但其大量發展和應用主要集中在日本。日本在1993年修建了第一座波形鋼腹板箱梁橋——新開橋之后，近20年內又相繼修建了百余座波形鋼板箱梁橋。1994年日本修建了第一座矮塔斜拉橋——小田原港橋，迄今為止，已修建了50余座此類橋梁，并將其推廣到菲律賓、老撾以及中國臺灣等國家和地區。2003年日本率先將兩項橋梁結構技術結合，設計并建成了世界上第一座波形鋼腹板矮塔斜拉橋——日見(Himi)橋。

波形鋼腹板能降低主梁自重、增大橋梁跨徑、減小地震反應；良好的折皺效應，使施加在主梁上的預應力有效地作用于箱梁頂底板上，不被腹板吸收，從而充分發揮預應力的導入效率。同時，合理的施工工藝可有效縮短施工工期。矮塔斜拉橋的核心設計思想是使主梁內預應力通過索塔內索鞍轉向形成大偏心體外預應力，其與波形鋼腹板箱梁的組合充分發揮兩者結構形式的技術優點。日本生野大橋結合波形鋼腹板箱梁的“輕”和矮塔斜拉橋“索”的優勢，提出了超大懸臂節段施工法，有效縮短了工期；通過預制主梁并將其頂推至墩頂，實現了橋墩和主梁平行施工的目標，使工期進一步縮短。該文綜合多種文獻資料對日本生野大橋的結構設計及施工要點進行介紹。

2 橋梁概況

生野大橋位于日本兵庫縣神戶市與高津交界處的新名神高速公路上，是一座7跨波形鋼腹板PC矮塔斜拉橋，跨徑布置為(96.2+188.0+103.0+39.0+39.0+71.0+66.2) m。橋梁全長606 m，其中，靠近終點的3孔采用了矮塔斜拉橋結構(圖1)。主跨為188 m，跨中及左側端支點梁高4.5 m，中支點梁高7.0 m，橋面以上塔高28 m，采用梁墩分離、塔梁固結體系，該橋是日本目前最大跨徑的波形鋼腹板預應力混凝土矮塔斜拉橋。

圖1 橋梁立面圖(單位：mm)

大橋與現有鐵路交角約15°，主跨需188 m方能跨越現有鐵路運營線。為減少鐵路營線運上空施工設備移動頻率，加快施工進度，該橋采用了波形鋼腹板超大型掛籃懸臂法施工；全橋共計7跨，靠近起點的4跨為單箱雙室預應力混凝土箱梁橋，靠近終點的3跨為單箱三室波紋鋼腹板預應力混凝土箱梁結構(圖2)。為大幅度減少上部結構施工周期，將主梁懸臂施工節段由原設計的4 m改為8 m(超大掛籃建造)。此外，為減輕上部結構重量，混凝土箱梁更改為波紋鋼腹板箱梁。同時，拉索使用高強預應力環氧樹脂涂層鋼絞線，從而減少了拉索數量。

圖2 主梁橫斷面圖(單位：mm)

對項目工期起制約因素的P6號墩的墩頂段與墩身同步施工，墩頂段主梁預先在P6墩一側澆筑完成，待橋墩施工完成后，再將預制梁頂推至P6墩墩頂位置。為減輕頂推過程中的支架重量，僅提前施工了部分主梁，剩余主梁在主梁頂推至墩頂后就地澆筑。斜拉索鋼束在橋塔索鞍中單根布置與張拉，這種布置形式不僅能提升小型千斤頂的工作性能，也可增強拉索的抗腐蝕性能和抗疲勞能力。每根鋼絞線在使用期間均可單獨更換，后期維護十分方便。

3 結構設計與分析

3.1 主梁設計

主梁選用單索面結構，如圖3所示。橋梁設計寬度在通車之初為四車道25.15 m，后期選用斜撐方案將其拓寬至34.5 m。在設計階段采用三維有限元分析法，模擬了在橋梁不同施工階段，超大行程掛籃施工法對主梁的局部應力影響(圖4)；并計算出斜拉索張拉軸向力的有效傳遞長度。與此同時，還使用三維梁格有限元模型分析了斜拉索張拉剪力的分配情況。

圖3 主塔處斷面圖(單位：mm)

圖4 三維分析模型(單位：mm)

3.2 抗震設計

考慮到橋梁聯長較長，且P6號橋墩附近有地基破碎帶，可能導致地震動相位差，故在公路橋梁規范抗震設計的基礎上，利用能夠反映破碎帶的地基土體模型進行了地震響應模擬分析，如圖5所示。

圖5 基于土體的地震分析

3.3 中支墩頂推方案分析

通過三維有限元方法對中支墩頂推施工進行分析：按照順序先后模擬了中支墩在施工完成前、頂推過程中和頂推完成時3種工況下結構體系的變化情況。

3.4 斜拉索的振動控制

兩根37束15.2 mm斜拉索的雙排平行布置，極易導致拉索產生尾流馳振。為此通過增大兩排拉索間距、減小拉索截面等抑振措施進行改善。此外，針對拉索對減震性能的具體需求，組織了風洞試驗，并在試驗分析后選取了摩擦型阻尼器為拉索減震。

4 橋梁施工要點

因主梁跨越既有鐵路運營線路，主跨架設工作需在鐵路上方完成，這要求施工必須在嚴格周密的安全管理下完成作業。為加快上部結構施工進度，橋梁P5、P6墩采用超大掛籃懸臂施工法架設，從而使上部結構施工進度比原計劃提前了8個月。

4.1 中墩的頂推施工法

由于中間P6墩施工處于全部施工工序的關鍵線路上，故采取了中間墩墩頂段主梁預制和橋墩同時施工的方案。橋墩施工完成后，在3 d內將主梁頂推20 m至中間墩墩頂，通過對中間P6墩的預制施工和頂推法架設，將施工工期縮短了2.5個月。箱梁部分底板和橫隔板均在頂推完成后原地澆筑，將頂推施工中主梁預制節段重量減小至約15 000 kN。

4.2 超大掛籃懸臂施工

選用超大移動掛籃(20 000 kN·m)施工方案后，主梁的懸臂節段長度可達8 m，為原來長度的2倍，因而節段數可由原來的22個減少至11個，這一施工方案將工期提前了約3.5個月。因超大掛籃懸臂施工是在既有鐵路運營線的上空進行，所以掛籃作業須在鐵路運營關閉的2.5 h(01:30—04:00)內移動完成。

4.3 預制護欄施工

一般情況下，防撞護欄的施工常被安排在主梁完工之后，通過橋面移動吊車配合完成。為避免護欄施工時所用的機具、材料和設備等跌落在鐵路上，對鐵路交通運輸造成重大影響和危害，該橋在超大掛籃懸臂施工期間，選用預制方式安裝護欄。橋梁防撞護欄預制安裝使工程進度提前了1.5個月。

5 結語

生野大橋上部結構施工于2017年12月完成，是日本首座采用中墩頂推施工的單索面波形鋼腹板矮塔斜拉橋，也是該國首次采用索鞍結構和摩擦型阻尼器的橋梁。該橋采用多種新技術克服了技術要求高、工期緊、任務重以及在現有鐵路上空施工等諸多不利因素。其中多項施工技術可為今后波形鋼腹板組合結構橋梁的設計與施工提供參考借鑒。