徽水河大橋主橋設計方案分析

郝 翠， 曹新壘

(安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

1 工程概況

徽水河大橋是S11蕪湖至黃山高速公路的控制性節(jié)點，建設條件較為復雜。橋梁跨越徽水河特有魚類國家級水產資源保護區(qū)，要求一跨過河，且G205遠期存在升級改造需求，徽水河大橋橋位處為山谷地形，橋臺位置地形陡峭，橫斷面高程差別也較大，邊跨現澆段不宜過長，以適應托架施工或其他施工方案。該橋主橋采用雙索面低塔斜拉橋[1-3]，分幅布置。其中左幅跨徑組合為(48+80+40)m，右幅跨徑組合為(48+80+40)m+30m，其立面布置如圖1所示。

圖1 徽水河大橋主橋立面布置圖

2 主要技術標準

(1) 道路等級：雙向四車道高速公路。

(2) 設計速度：80 km/h。

(3) 荷載等級：公路-Ⅰ級。

(4) 通航條件：無通航要求。

(5) 地震動峰值加速度值0.05g，特征周期0.35 s，Ⅱ類場地。

3 主橋設計

3.1 結構體系

本橋為高墩，經比選，采用墩塔梁固接體系[4，5]。

3.2 主 梁

主梁采用雙工字鋼板組合梁[6，7]，單幅組合梁橋面寬12.25 m。鋼主梁由鋼主梁、拉索區(qū)橫梁、一般橫梁和端橫梁組成，除端橫梁外均采用Q345qD工字形直腹板斷面。預制混凝土橋面板采用0.25 m的等厚板，與鋼主梁采用剪力釘連接。

3.2.1 鋼主梁

鋼主梁間距11.75 m，標準高度為1.5 m，采用“工”字形斷面，如圖2所示，上翼緣寬度為500 mm，標準段板厚14 mm；腹板厚度為16～30 mm；底板寬度為800～1 200 mm，厚度為36～50 mm。

圖2 標準橫斷面圖

拉索區(qū)橫梁與斜拉索的位置一一對應，縱橋向標準間距7.8 m，采用工字型斷面，高1 000 m，上翼緣寬500 mm，下翼緣寬500 mm。

在拉索橫梁之間設置一道普通橫梁，縱橋向標準間距3.9 m。

在主梁端部設置端橫梁，采用箱型斷面，高1 500 m，上翼緣寬1 100 mm，厚度為14 mm；腹板厚度為16 mm；下翼緣寬1 100 mm，厚度為24 mm。在端橫梁外設置C30鐵砂混凝土壓重。

3.2.2 橋面板

橋面板全寬12.25 m，板厚25 cm，支撐在由鋼主梁及橫梁組成的梁格體系上。橋面板設計為與上述梁格相結合的鋼筋混凝土結合構件，混凝土橋面板與鋼主梁通過布置于鋼主梁及橫梁頂面的φ22圓柱頭剪力釘結合后共同受力。

橋面板分為預制和現澆兩部分，現澆部分為預制板間現澆縫、鋼主梁頂現澆帶。預制板間現澆縫寬50 cm，鋼主梁頂現澆帶寬90 cm。

3.2.3 塔梁固接構造[8]

鋼主梁連續(xù)穿過橋塔上橫梁，并在鋼主梁腹板、頂板下緣及底板上、下緣焊接剪力釘。為進一步改善塔梁固結處的受力情況，緊鄰橋塔橫梁外側，在腹板兩側焊接豎向加勁鋼板，加勁鋼板上焊接剪力釘且延縱橋向布設預應力高強精軋螺紋粗鋼筋。橋面板與混凝土塔橫梁間設置倒角，剛度平順過渡。

3.3 橋塔及基礎

橋塔采用H形外傾橋塔[9]，截面為矩形斷面，單肢橋塔縱橋向尺寸為3.0 m，橫橋向尺寸為1.5 m。

下塔柱間距為9 m，上塔柱外傾坡度為1∶6，中間通過圓曲線過渡。塔柱間設置兩道弧線形橫梁，下橫梁最小高度為2.5 m，寬度為2 m。塔梁固結處上橫梁最小高度為2.1 m，寬度與橋塔保持一致為3 m橫向預應力。塔上斜拉索理論豎向間距1.0 m，橫向單排布置。單肢橋塔下設一根矩形樁基，縱橋向尺寸為3.5 m，橫橋向尺寸為2.0 m。樁頂設置系梁，高為1.8 m。

3.4 斜拉索及錨固構造

斜拉索采用環(huán)氧噴涂鋼絞線，可單根穿束、單根張拉、單根測試檢測，并可以單根鋼絞線調索和換束。

1#橋塔設置5對斜拉索，2#橋塔設置4對斜拉索，橫向單排布置，梁上索距8.0 m，塔上索距1.0 m，拉索分別采用19、22、27根鋼絞線組成。斜拉索與主梁采用鋼錨箱錨固，橋塔上拉索采用鞍座錨固形式，如圖3所示。

3.5 施工方案

橋塔樁基采用人工挖孔樁。

橋塔墩身施工采用塔吊提升模板分節(jié)段施工，混凝土采用人工配合塔吊料斗入模。橋塔下塔柱直線段、上塔柱斜線段采用翻模分節(jié)澆筑，橋塔曲線段采用定型鋼模分節(jié)澆筑。下橫梁采用塔柱預埋牛腿并搭設貝雷梁支架現澆，模板采用定型鋼模；橋塔上橫梁采用塔柱預埋牛腿、下橫梁上設置鋼立柱并搭設貝雷梁支架現澆，模板采用定型鋼模板。橋塔橫梁與塔柱同步施工，施工人員利用專用安全爬梯上下。

為精確定位橋塔鋼筋位置，鋼筋綁扎時安裝勁性骨架。因本橋橋塔向外傾斜，高度較高、傾斜角度大，施工曲線段及上塔柱斜線段時，塔柱模板設置防傾拉桿，以提高施工中結構的穩(wěn)定性及剛度。

主橋鋼梁采取“節(jié)段拼焊→節(jié)段或散件吊裝→線形監(jiān)測→焊接連接焊縫→線形復測→涂裝”的方式進行安裝施工。橋塔位置分別安裝塔吊。鋼主梁先進行0號節(jié)段的安裝，墩塔梁固結范圍內的鋼主梁與橋塔整體現澆；澆筑后，以0號節(jié)段為準往中跨、邊跨側對稱安裝其他節(jié)段，直至合攏；對于散件安裝的節(jié)段，先安裝橋梁內側主梁，再安裝橋梁外側的主梁，最后安裝橫梁。0號、1號節(jié)段在橋址地面拼焊成整體，安裝到橋上后，安裝橋面板形成基礎聯(lián)，其余整體吊裝的節(jié)段在基礎聯(lián)上拼焊。

鋼主梁架設完成后，斜拉索安裝，橋面板落后一個節(jié)段安裝。橋面板安裝、濕接縫澆注后的節(jié)段進行斜拉索2張。通過既定的施工順序交替作業(yè)。

4 結構計算

4.1 靜力計算

4.1.1 有限元模型

結構計算采用通用有限元程序MIDAS Civil建立了結構的整體計算桿系模型，如圖4所示，共建立了1 226個節(jié)點、1 216個單元，其中包含564個梁單元、616個板單元以及36個桁架單元。斜拉索采用桁架單元模擬，混凝土橋面板采用板單元模擬，其余結構均采用梁單元進行模擬。

圖4 整體計算模型示意圖

在對結構進行有限元離散時，結構主體均按實際尺寸計入，加勁肋、焊縫等構造按荷載作用考慮?；炷翗蛎姘逋ㄟ^節(jié)點間建立的剛性連接與鋼主梁、鋼橫梁形成組合截面，共同受力。施工過程共劃分為38個施工階段。

4.1.2 計算荷載

恒載主要考慮一期恒載和二期恒載。二期恒載包括橋面鋪裝、防撞鋼護欄等，以外荷載的形式施加。

鋼主梁擬按橋面吊機懸臂拼裝方法施工，混凝土橋面板采用現澆方法施工。施工臨時荷載按每個橋面吊機的重量19 t考慮。

溫度作用考慮整體升降溫及梯度升降溫，溫度模式按規(guī)范取值，橋塔分別考慮縱橋向與橫橋向的梯度溫度，梯度升溫為5 ℃，梯度降溫為-5 ℃。

汽車荷載計入3車道的車道荷載作用，考慮橫向車道布載系數及沖擊系數的影響。

橫橋向等效靜陣風荷載根據《公路橋梁抗風設計規(guī)范》(JTG/T 3360-01—2018)的有關規(guī)定計算，并以均布荷載形式施加，其中，主梁的橫橋向等效靜陣風荷載集度取為6.12 kN/m，橋塔的橫橋向等效靜陣風荷載集度取為10.51 kN/m。

4.1.3 主要靜力計算結論

經計算，短暫狀況下：混凝土橋面板最大拉應力為1.84 MPa，最大壓應力為5.74 MPa；鋼主梁最大拉應力為46.5 MPa，最大壓應力為67.1 MPa，應力指標滿足規(guī)范。

持久狀況：承載能力極限狀態(tài)橋面板最大正彎矩Mj=111.11 kN·m<截面抗力MR=176 kN·m；鋼主梁上緣的最大拉應力為122.6 MPa、最大壓應力為179.2 MPa，下緣的最大拉應力為174.7MPa、最大壓應力為212.7 MPa，受力指標滿足規(guī)范。

持久狀況：正常使用極限狀態(tài)頻遇組合下，橋面板最大負彎矩為-63.10kN·m。頻遇組合下混凝土橋塔的最大拉應力為6.2 MPa，最大壓應力為11.7 MPa，其最大拉應力發(fā)生在塔柱與上橫梁的結合處。斜拉索最大應力值為637.81 MPa，車道荷載作用下，主梁最大下?lián)现禐?.090 m。以上各力學及剛度指標均在規(guī)范容許范圍內。

4.2 動力特性分析

結構動力計算采用SAP2000進行空間有限元分析。采用空間梁單元模擬，混凝土橋面板采用面單元模擬。橋塔、橋墩、系梁、蓋梁采用空間梁柱單元進行模擬，拉索采用桁架單元，橋塔和過渡墩均為樁基礎，采用彈性土彈簧考慮基礎柔度的影響，橋臺與過渡墩的支座均采用主從約束模擬。

采用里茲向量法進行模態(tài)分析，得到主橋前6階自振周期見表1。

表1 主橋前6階自振周期(單位：s)

左右兩幅主橋一階振型均為縱移+豎向彎曲，左幅主橋一階周期為2.67 s，右幅為2.74 s；二階振型均為主梁橫向彎曲。左幅主橋第三階后主要振型為豎向彎曲，而右幅主橋多表現為橫向扭轉。

4.3 抗震計算

對應E1、E2地震作用，考慮縱向+豎向輸入和橫向+豎向輸入兩種作用工況，分別采用反應譜法和加速度時程法分析結構地震響應。進行反應譜分析時，振型組合按CQC進行組合；地震輸入采用水平+豎向反應譜輸入，方向組合采用SRSS方法；進行加速度時程分析時，分別輸入三條加速度時程，采用線性模態(tài)法，計算結果分別得到取三條時程波地震響應以及三條時程波的最大值。

結構抗震驗算按兩水平設防，因而，驗算中采用的相應的材料強度均為規(guī)范中相應的標準值，不再考慮抗震的抗力提高系數?？v向地震檢算以時程結果為準，橫向地震檢算以反應譜和時程結果中的大值為準。

經計算：

(1) 在E1和E2地震作用下，左、右兩幅橋橋塔縱向最大彎矩出現在塔底截面，橫向最大彎矩出現在橋塔第二系梁處的下塔柱頂截面。右幅的過渡墩縱、橫向最大動彎矩均出現在墩底截面。

(2) 對于結構位移響應，左右幅主梁和小樁號支座縱向位移相近，E1地震作用時為3 cm，E2作用下為5 cm。

(3) E1和E2地震作用下，左右幅橋橋塔和過渡墩均通過截面抗彎承載力驗算，截面未進入塑性，橫向地震作用下截面的能力需求比與縱向相比較小。

4.4 動力穩(wěn)定性分析[10]

考慮本橋結構特點，總體幾何布局對穩(wěn)定性存在一定不利的影響。同時，由于地震條件下結構動力穩(wěn)定問題的復雜性以及本項目設防地震作用的強度，開展第一類動力穩(wěn)定性分析。

動力穩(wěn)定性分析中考慮恒載初始應力狀態(tài)對結構穩(wěn)定性的影響，以E2橫向地震輸入下的地震力作為動力穩(wěn)定加載的荷載形態(tài)?？紤]到地震在結構中的軸力作用存在正負交替，致使動力穩(wěn)定系數隨地震作用時程不斷變化，分析時偏于安全地將所有構件的軸力按壓力考慮。

經計算：動力穩(wěn)定分析中，左右幅主橋的穩(wěn)定安全系數均較大，左幅第一階穩(wěn)定系數為74，右幅引橋穩(wěn)定系數23，主橋穩(wěn)定系數為56，在地震作用下不易失穩(wěn)。

5 結束語

隨著國家推行綠色公路，發(fā)展“四個交通”的政策要求，橋梁工業(yè)化，即結構標準化、工廠化預制和機械化施工等被提上了日程。由于山區(qū)橋梁所處地理位置及地形、地貌的影響，其工業(yè)化往往還要求結構的輕型化，以便于運輸及安裝作業(yè)。鋼-混凝土組合梁+預制橋面板的結構因其受理合理、鋼主梁自重較輕、工廠化程度高等特點，越來越多地被工程實際采用。對于橋梁跨徑較大，或周圍環(huán)境對結構本身景觀性要求較高時，本橋橋型不失一個好的選擇。