青島墨水河大橋主橋設計

孫朝輝

[林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司，重慶市 401121]

1 工程概況

長江路延伸工程南起東環路，北至正陽西路，全長0.96m。墨水河大橋位于青島市城陽區，為長江路跨墨水河新建橋梁。墨水河大橋對景觀性要求較高，經方案設計論證后主橋采用兩跨獨塔中央雙索面斜拉橋，橋梁造型取自展翅翱翔的白鷺之態，張力十足，輕盈優美。橋梁效果見圖1。

圖1 橋梁效果圖

墨水河大橋全長313m，主橋為2×90m單塔中央雙索面斜拉橋。主橋立面布置見圖2。鋼箱梁采用分體式箱形截面，橋梁中心線處梁高3m，單幅橋寬17.25m，聯系橫梁長度5m，橋梁總寬度為39.5m。橋塔采用“人”字形鋼結構塔，塔高48.6m。全橋共布置18對斜拉索，按中央雙索面扇形布置。主墩采用圓臺式墩，基礎采用鉆孔灌注樁基礎；過渡墩采用T形花瓶墩，基礎采用鉆孔灌注樁基礎。主梁采用頂推法施工，橋塔采用節段吊裝后在空中焊接成形[1]。

圖2 主橋立面布置圖（單位：m）

2 主要技術標準

（1）道路等級：城市主干路。

（2）設計荷載：城-A級。

（3）設計行車速度：50km/h。

（4）設計車道：雙向6車道。

（5）橋面路幅分布：2.5m（人行道）+3.0m（非機動車道）+11.75m（車行道）+5m（拉索區）+11.75m（車行道）+3.0m（非機動車道）+2.5m（人行道）=39.5m。

（6）抗震設防：地震烈度為7度，地震動峰值加速度為0.1g。

（7）設計使用年限：100a。

3 結構支承體系

斜拉橋的結構支承體系有：飄浮體系，塔墩固結、塔梁支承體系，塔梁固結、墩梁分離體系，塔梁墩固結體系4種結構支承體系[2]。

飄浮體系的縱向水平力傳力路徑為：主梁→斜拉索→橋塔→下部結構[2]，因此橋塔下端須與主墩固接，懸浮體系對抗震有利，但也有主梁位移量較大、對塔柱的壓曲穩定不利的缺點。考慮到該橋為中央索面斜拉橋，橋面寬度39.5m，橋梁運行過程中的橫向扭轉振動問題不容忽視[3]。塔、梁相互之間無聯系將導致主梁約束較弱，不利于結構穩定，因此漂浮體系不適合。

由于該橋為獨塔，且橋塔位于橋梁橫橋向中心處，塔墩固結、塔梁支承體系在本設計中不可取。

塔梁固結、墩梁分離體系即塔柱下端與梁體固接后用支座支承在墩頂上。采用這種支承體系需采用大噸位支座，支座的養護、更換較困難。

塔梁墩固結體系對中小跨徑的獨塔雙跨式斜拉橋比較適用，是獨塔斜拉橋采用最多的支承體系[4]。既避免了使用大型支座又增加了橫向有效約束，結構整體剛度好。綜合考慮，該橋采用塔梁墩固結體系。

4 結構設計

4.1 主梁

墨水河大橋主橋橋塔布置在橋面橫向中心處，同時考慮景觀鏤空效果，因此主梁采用分體式箱形截面[5]，左右幅鋼箱梁通過間隔布置的聯系橫梁連接，鋼箱梁總寬39.5m。鋼箱梁構造見圖3。斜拉索錨固在內主梁內邊腹板外側，錨點橫向間距為5m，主梁單側懸臂長度為17.25m，屬于大懸臂結構。由于中央索面斜拉索提供的扭轉約束比常規雙索面小得多，在偏載作用下主梁扭轉效應明顯[6]。因此鋼主梁需能提供較大的抗扭剛度。同時由于采用分體式鋼箱梁構造，中間聯系橫梁是關鍵受力構件[7]，該橫梁需承受橫橋向的彎矩和軸力、活載偏載引起的扭轉效應。因此主梁梁高由橫向抗扭及橫梁受力控制，梁高取3m。鋼箱梁標準橫斷面見圖4。

圖3 鋼箱梁構造

圖4 鋼箱梁標準橫斷面圖（單位：mm）

根據受力需要，頂板在順橋向采用了16mm、24mm、32mm三種不同的厚度。頂板采用U肋、板肋加勁，頂板U肋上口寬320mm，下口寬180mm，肋高300mm，U肋厚度為8mm，U肋基本間距600mm。

根據受力需要，底板在順橋向采用了12mm、24mm、32mm三種不同的厚度。底板采用U肋、板肋加勁，底板U肋下口寬400mm，上口寬250mm，肋高260mm，U肋厚度為6mm，U肋基本間距800mm。

中腹板、外邊腹板厚度為14mm。內邊腹板墩梁固結梁段厚度為36mm，其余梁段均為30mm。作為錨箱直接的傳力構件，為保證其具有足夠的抗壓屈能力，通長設置了四道板肋加勁。在拉索錨固點腹板箱室內側增設局部豎向和水平加勁板，以增大腹板剛度。內邊腹板是鋼錨箱直接錨固的板件，受力較為不利。局部存在面外變形以及板厚方向的應力，因此內邊腹板采用Z向性能鋼板，性能級別為Z25。

橫隔板采用實腹式。橫隔板標準間距為3.0m。普通構造橫隔板厚度為12mm、吊點位置橫隔板厚度為14mm，橫梁和主墩墩頂橫隔板厚度為24mm。

橫向聯系橫梁設置在兩分離式鋼箱之間，為箱形截面。橫向聯系橫梁的腹板在縱橋向與鋼箱梁橫隔板相對應，頂底板與鋼箱梁頂底板相接。標準段橫向聯系橫梁頂板厚16mm，底板厚12mm，腹板厚12mm；端橫梁及中墩處腹板厚均為24mm，頂底板分別為32和24mm。

為了提高橋面鋪裝的耐久性，鋼箱梁鋪裝采用50mm超高韌性混凝土（STC）+改性環氧樹脂粘結層+40mm瀝青鋪裝層。STC層配置?10＠37.5mm鋼筋網片，鋼箱梁頂板焊接規格為13×40mm的剪力釘，剪力釘縱橫向間距為150mm。

4.2 橋塔

鋼塔柱縱橫向均呈“人”字形結構，橋面以上橋塔高48.6m。為了方便現場安裝架設，鋼橋塔沿塔高方向劃分節段，節段長度3.9～11m，最大節段重量約35t。橋塔構造見圖5。

圖5 橋塔構造（單位：mm）

拉索區塔柱為單箱雙室箱形截面，下塔柱為四肢單箱單室箱形截面。塔根部單肢箱形截面尺寸為2.5m×1.5m（順橋向×橫橋向），塔頂箱形截面尺寸為1.7m×1.0m（順橋向×橫橋向），中間截面尺寸按曲線和線性變化。

塔柱壁板厚度為28mm，橫隔板的間距為2.2～3.25m，拉索區橫隔板厚為20mm，非拉索區橫隔板厚為16mm。

4.3 塔梁墩固接段

塔梁墩采用鋼-混凝土結合段的方式固結。在鋼-混凝土接頭處，橋塔鋼結構錨固于橋墩混凝土內，錨固段鋼構件上布置剪力鍵以及圓孔，圓孔內穿鋼筋形成PBL剪力鍵，保證混凝土與結合段的傳力和整體性。為增加鋼混結合段處的剛度和可靠性，鋼塔柱底部設置精軋螺紋預應力鋼筋，精軋螺紋鋼筋穿過墊板對應的開孔，通過預緊力使鋼塔柱與混凝土橋墩緊密連接成一體。

4.4 斜拉索

全橋共設置18對共36根斜拉索。斜拉索采用中央雙索面扇形布置，梁上索距9m，塔上索距2.2～2.628m。斜拉索采用?7mm環氧噴涂鋼絲，斜拉索規格為PES.E7-127。鋼絲標準強度為1770MPa。

斜拉索上錨點、下錨點均采用鋼錨箱方式錨固，索梁錨固下錨點采用張拉端結構冷鑄錨，索塔錨固上錨點采用固定端結構冷鑄錨。

4.5 橋塔墩及過渡墩

橋塔墩為柱式墩，墩底為直徑7m圓形實心截面，向上漸變為直徑13m圓形實心截面。承臺厚為4m，基礎采用12根直徑2.0m鉆孔灌注樁。

交接墩采用T形花瓶墩，墩底截面尺寸為3m×1.5m，基礎采用2根直徑1.8m鉆孔灌注樁基礎。

5 施工方法

根據該橋施工條件和結構特點，主橋鋼箱梁采用頂推法架設[8]，主塔結構采用分段安裝工藝，主塔施工完后，再進行斜拉索掛設，斜拉索按照距離主塔由近到遠依次逐根張拉。

6 結構計算

6.1計算模型

采用空間有限元程序MIDASCivil進行結構靜力計算，橋塔采用梁單元模擬，鋼箱梁采用梁格單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬，橋塔和主梁之間采用剛性連接。全橋有限元計算模型見圖6。

圖6 有限元模型

6.2 有限元分析結果

（1）在活載作用下，主梁的正、負撓度最大絕對值之和為120mm，撓跨比為1/750；塔頂縱向位移為12mm，位移與橋塔高的比值為1/4050。剛度均滿足規范[9]要求。

（2）基本組合下鋼箱梁縱梁最大拉應力為177MPa，最大壓應力為218MPa，最大剪應力為120MPa；基本組合下鋼箱梁的橫隔板、橫向聯系梁最大拉應力為156MPa，最大壓應力為191MPa，最大剪應力為82MPa；基本組合下橋塔最大壓應力為175MPa，應力均滿足規范[9]要求。

（3）斜拉索成橋階段最大索力為2513kN，基本組合下最大應力為677MPa，疲勞應力幅為79MPa，受力性能滿足規范[5]要求。

（4）對主橋進行第一類穩定分析，結果顯示在永久作用、可變作用的作用下，主橋1階失穩模態為橋塔橫橋向屈曲，穩定安全系數為11.4，主橋整體穩定性滿足規范要求[5]。

7 結語

墨水河大橋結合建橋條件，采用了主跨90m的獨塔中央雙索面鋼斜拉橋，張力十足，輕盈優美，作為城市跨河橋梁，兼具景觀標志作用。采用塔梁墩固結體系、STC鋪裝體系，克服了主橋結構整體穩定、寬幅主梁的扭轉、鋼橋面鋪裝耐久性等難題。該橋已于2020年開工，預計2022年建成通車。