沿江高速中都河大橋主橋設計

周 霆，曹發輝，王 戈

（四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司橋梁分院，四川 成都 610041）

1 概 述

中都河大橋位于四川省屏山縣新市鎮，是沿江高速的控制性工程，跨越金沙江一級支流中都河。大橋全長1 009.5 m，其中主橋為148 m+320 m+148 m預應力混凝土斜拉橋，引橋采用10×39 m 預應力混凝土T 梁。布置圖見圖1。

圖1 橋型布置圖（單位：m）

橋區位于四川盆地西南邊陲向云貴高原過渡地帶，場地屬侵蝕構造單面山中山區，兩岸斜坡呈折線狀，地勢上陡下緩，緩坡地帶多為旱地及林地，局部有少量的水田，陡坡地帶多為巖石陡坎陡崖。河谷呈“U”型。此處中都河位于金沙江向家壩水電站庫區尾部，河面開闊，寬300～330 m，水深5.20 m（靠岸邊）～60.0 m（河中心），水流速度緩慢，接近靜止。

橋址區地層屬于紅層碎屑巖，基巖為粉砂質泥巖和砂巖。橋區屬亞熱帶季風氣候，多年平均溫度為17.8℃，極端最低氣溫1.8℃；極端最高氣溫39.1℃，年平均降水量為1 066 mm。

2 技術標準

（1）道路等級：雙向4 車道高速公路。

（2）設計速度：80 km/h。

（3）汽車荷載：公路—I 級。

（4）主線標準路基寬度：25.5 m。

（5）設計洪水頻率：1/300。

（6）通航等級：不通航。

（7）抗震設防：Ⅶ度，地震動峰值加速度0.15g。

（8）風速：V10= 24.3 m/s。

3 橋梁設計

3.1 橋型布置

橋位處控制條件一是總體路線與河岸斜交，兩岸邊坡陡峻，場地狹窄，且均有國道通過，施工期保通壓力大。二是橋位跨越中都河屬于金沙江庫區，水位較深。三是主橋新市岸側接互通，受互通匝道路基漸變段影響，主橋寬度由35.88 m 變化至33.5 m。

結合橋位控制條件，主橋應采用大跨跨越水面，減少水中墩；主橋墩位布設應避讓兩岸國道；初步設計階段擬定了主跨320 m 混凝土斜拉橋和主跨330 m 鋼管混凝土拱橋方案進行比選。拱橋方案造價上更有優勢，但是拱座開挖量大，需對國道進行改移，而兩岸山體陡峭，場地狹窄，道路改移風險大，并且缺乏大型鋼構件施工場地。斜拉橋方案對既有道路影響小，無需大型鋼構件制造、運輸、安裝，施工難度較小，確定為推薦方案。

中都河大橋主橋為雙塔雙索面混凝土斜拉橋，全長616 m，孔跨布置為（44.1+103.9+320+103.9+44.1）m，邊跨設一個輔助墩和交界墩。

主橋橋梁標準寬度：36.2 m，橫斷面布置為1.5 m拉索錨固區+0.6 m 防撞護欄+14.5 m 車行道+0.5 m路緣帶+2 m 中分帶+0.5 m 路緣帶+14.5 車行道+0.6 m 防撞護欄+1.5 m 拉索錨固區（見圖2）。邊跨變寬段車行道寬度由14.5 m 逐步漸變為16.105 m。

主橋采用索塔處設置豎向約束的半漂浮體系。主橋索塔、輔助墩和交界墩采用球形鋼支座，橫向設置限位擋塊；索塔處設置橫向抗風支座。

3.2 結構設計

3.2.1 上部結構

主梁采用預應力混凝土雙縱肋式梁（圖2）。主梁由縱肋、頂板、加勁小縱肋和橫隔板構成格子梁板體系。縱肋梁高2.7 m，寬2.2 m，頂板厚為0.28 m。為減小寬橋面帶來的剪力滯效應，并提高橋面板的剛度，橫橋向設置了三道加勁小縱肋，肋高0.88 m，肋寬0.5 m。梁頂面設2%的雙向橫坡，路線中心處梁高3.062 m。每個梁段節段內設一道底寬50 cm，腹板30 cm 厚的馬蹄形橫隔板以加強主梁橫向剛度。

圖2 主梁標準斷面（單位: m）

變寬段主梁保持中心處梁高與標準段主梁一致，縱肋側高按中心梁高減去變寬長度乘以2%橫坡值確定，以實現主梁高度的平順過渡。

主梁從索塔處分塊，1 號梁段長18 m，主跨共劃分25 個懸臂澆筑梁段，邊跨共劃分14 個懸臂澆筑梁段，梁段長均為6 m，最大懸臂施工長度為151 m。懸臂澆筑梁段采用前支點掛籃施工，標準節段控制重量434 t，掛籃設計重量200 t。中跨合龍段長2 m，邊跨合龍段長3 m。邊跨輔助墩至交界墩之間梁段均采用支架法施工。主梁在交界墩附近設置9.85 m 長的實心段，在輔助墩處設置5.5 m 長的實心段以平衡負反力。

3.2.2 下部結構

本橋索塔采用H 型索塔，設置下橫梁和上橫梁，索塔左右側下塔柱采用不同高度，以適應陡峻的橫向地形，以下橫梁中線為界，索塔上段塔柱97.4 m，新市岸左側下塔柱53.7 m，右側下塔柱74.7 m；金陽岸左側下塔柱61.1 m，右側下塔柱37.8 m。金陽岸索塔一般構造見圖3。上段塔柱斷面為變截面空心矩形截面，順橋向尺寸7.0 m，橫橋向尺寸4.4～6.7 m，順橋向壁厚0.9 m，橫橋向壁厚1.2 m。下段塔柱斷面為變截面空心矩形截面，新市岸左肢7.0×6.7 m(順橋向×橫橋向）～8.1×10.1 m，右肢順橋向尺寸7.0×6.7～8.1×11.3 m；金陽岸左肢7.0×6.7～10.5×8.3 m，右肢7.0×6.7～9.1×7.7 m。順橋向壁厚1.1 m，橫橋向壁厚1.0 m。

圖3 金陽岸索塔構造圖（單位：m）

主塔橫梁采用鋼-混凝土組合結構。頂、底板為混凝土結構，腹板采用波形鋼腹板，見圖4。上橫梁高4 m（高）×6.2 m（寬），下橫梁6.5 m（高）×6.2 m（寬）。

圖4 波折鋼腹板組合橫梁（單位：m）

主塔基礎采用樁基承臺基礎。承臺厚6 m，承臺頂設置厚1.5 m 塔座，在矮塔柱與高塔柱之間設置6×5 m 系梁連接，每個承臺底面設12 根2.5 m 的樁基礎。

交界墩采用三柱式橋墩，墩截面采用3×3 m 方形實心截面，最大墩高28 m。蓋梁采用3.4×3 m 的單箱單室截面，腹板厚80 cm，頂板厚60 cm。樁基礎采用3×3 m 方樁基礎。

輔助墩采用雙柱式橋墩，墩截面采用3 m（順橋向）×4 m（橫橋向）矩形實心截面，最大墩高40 m。樁基礎采用3×4 m 方樁基礎。

3.2.3 斜拉索

全橋設置了50×2 共100 對斜拉索，按空間雙索面扇形布置，拉索標準間距6 m，1 號索距離索塔中心線14 m。拉索通過梁上和塔上的預埋索導管，錨固于齒塊。拉索采用φ15.2 環氧噴涂鋼絞線成品索，其標準強度為1 860 MPa，拉索體系在0.45 倍公稱荷載下具有280 MPa 的抗疲勞性能。斜拉索規格有85，73，61，55，50，43，37 共7 種，每根拉索塔端錨具內安裝3 個CCT 單孔磁通量傳感器，使拉索成為智能化拉索，可實現索力實時監測。長度大于100 m 的拉索下端設置外置式永磁磁流變減震阻尼器，以減小風雨導致的振動，減緩拉索錨固端的疲勞，延長拉索結構的使用壽命和更換周期。針對近年來運營中容易出現的斜拉索燒斷事故，拉索外包具有防火隔熱功能的護套。

3.3 技術特點和創新

3.3.1 波形鋼腹板橫梁

索塔的橫向受力是由橫梁與塔柱形成的框架結構共同承擔，橫梁剛度和塔柱剛度共同形成了索塔的整體橫向剛度。本橋將組合設計思想引入橋塔橫梁設計中，橫梁是采用Q355 波形鋼腹板與C50 混凝土頂底板的組合結構（圖4），利用預應力混凝土頂底板抗彎、高強度鋼腹板抗剪，充分發揮了兩者的材料優勢。波形鋼板的褶皺效應使腹板軸向和抗彎剛度很小，可只考慮頂底板的軸向剛度和抗彎剛度，與同樣高度和寬度的混凝土橫梁相比，軸向剛度減小47%，抗彎剛度減小45%，抗剪剛度減小70%，重量減小48%。橫梁剛度和重量的減少，降低了索塔整體的自重和剛度，以索塔橫向振動為主的第三階自振周期由2.648 s 變為2.791 s,增加了5.4%，減小了地震影響系數，降低了地震作用效應。高強鋼腹板又保證了橫梁的抗剪能力，實現了“強剪弱彎，強柱弱梁”的抗震設防理念，兩種橫梁的地震響應比較見表1、表2。

表1 E2 地震工況下橫梁內力 單位：kN/m

由上表可以看出，相比采用混凝土橫梁的索塔，采用波形鋼腹板橫梁的索塔地震響應明顯減小，受力得到改善，提高了結構安全度。

3.3.2 拉索錨固區防開裂構造

索塔拉索錨固區是斜拉橋索塔設計的關鍵部位，拉索的局部集中力將通過這一部位安全、均勻地傳遞到塔柱中。拉索強大的局部集中力、預應力筋的錨固力以及孔洞削弱等因素使得該區域受力狀態十分復雜，屬于典型的應力擾動區。齒塊上緣與塔壁相交處、齒塊錨面都存在局部高應變和高應力區域，長期荷載作用下，混凝土很容易開裂。針對這一問題，設計將結構構造與索塔施工模板相結合，提出了組合錨固齒塊構造形式（圖5）。組合錨固齒塊采用12 mm 厚的Q235GNH 鋼板，上面布置間距30 cm 的φ22×150 剪力釘，按齒塊尺寸放樣制作，鋼板作為索塔內壁施工模板，澆筑混凝土后，形成鋼混組合齒塊，協同受力。采用該構造后，索塔錨固區施工無需內模板，方便施工；齒塊應力集中區域受力也得到改善，計算分析表明，高應力范圍縮小約1/2，最大主拉應力由6.2 MPa 降低為3.1 MPa, 最大主壓應力由24 MPa 降低為13.5 MPa，（圖6，圖7），降低了裂縫發生幾率，提高了錨固區混凝土耐久性。

圖6 齒塊上緣與塔壁相交處應力路徑圖

圖7 齒塊錨面應力路徑圖

3.3.3 全方位的健康監測

為貫徹落實交通運輸部《公路長大橋隧養護管理和安全運行若干規定》（交公路發〔2018〕35 號）的要求，橋梁設置結構安全監測與預警評估系統,通過可靠的實時監測、及時的預警響應、準確的安全評估和科學的決策支持，切實提高大橋的安全運營和養護管理水平。

橋梁結構安全監測與預警評估系統由傳感器子系統（圖8）、數據采集傳輸子系統、數據處理與控制子系統、結構健康與評估子系統組成，其層次圖如圖9 所示。系統建成后能夠實現自動對橋梁結構安全風險事件和主要風險源進行長期實時監測；并以實時監測數據為基礎，結合人工試驗檢測成果，對橋梁結構安全風險進行預警和評估，為公路安全運營和養護維修決策提供技術支撐；結合行業主管部門的管理要求和養管單位的管理制度，建立橋梁安全評估體系和應急響應機制。

圖8 傳感器子系統總體布置圖（示意半跨）

圖9 安全監測與預警評估系統層次結構圖

4 結 語

中都河大橋作為西部山區的水電站庫區范圍內修建的跨河橋，它所面臨的建設條件具有一定代表性，其橋型方案、主梁和索塔的形式都是結合實際、因地制宜選擇的結果；同時吸收了國內外混凝土斜拉橋設計和施工的寶貴經驗和教訓，著力在索塔抗震、斜拉索錨固區防裂、橋梁健康監控方面做了一些有益的嘗試，大橋已于2019 年10 月開工建設，目前施工進展良好。