南京江心洲大橋加勁梁設計

李喜平

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

1 工程概況

南京江心洲大橋是1座獨塔自錨式懸索橋，孔跨布置為(35+77+60+248+35)m，全長455 m。主橋邊跨跨度為137 m，在邊跨設置1個輔助墩，將邊跨跨度劃分為(77+60)m;主跨跨度為248 m，邊跨與主跨跨度比為0.55，2個錨跨均為35 m。吊桿順橋向間距為10 m，全橋共有33對吊桿，邊跨12對，主跨21對。主梁采用分離式雙主梁形式，凈距為8.2 m，兩幅主梁之間以橫梁連為一體，形成縱橫梁體系。主跨主梁采用鋼箱梁，邊跨及錨跨主梁采用混凝土箱梁，混凝土主梁與鋼主梁采用鋼-混結合段連接。鋼-混結合段的結合面設置在主跨內，共有2段，每段長2 m，分別設置在主跨內距橋塔7 m和238 m位置。

混凝土主梁兩側錨跨端部各設置1道高2.965 m、寬1 m的實心矩形混凝土橫梁，邊跨和主跨主纜錨固處各設置1道錨固橫梁，邊跨每對吊索位置均設置1道混凝土吊索橫梁。鋼主梁在每對吊索處均設置1道鋼吊索橫梁，且在距橋塔中心線240 m處設有1道無吊索鋼橫梁。

主纜在橫橋向分為2股，在邊跨位于豎直平面內，錨固于錨固橫梁中部;在主跨為空間索形，錨固于錨固橫梁兩端。橋塔承臺以上高107 m，位于兩幅主梁的橫橋向中間位置，為獨柱式。江心洲大橋總體布置如圖1所示。

2 主要技術指標

(1)道路等級:城市快速路。

(2)設計車速:80 km/h。

(3)設計車道:雙向6車道，橫橋向分兩幅橋設置，單幅橋:小車道寬2×3.5 m，大、小車混合車道寬3.75 m，人行道寬2.0 m。

(4)橋上坡度:縱坡4%，車行道橫坡2%，人行道橫坡1%。

(5)荷載等級:城-A級，人群荷載4.0 kN/m2。

圖1 南京江心洲大橋總體布置(單位:m)

(6)設計風速:V10=27.1 m/s。

(7)地震:抗震設防烈度為7度，設計地震基本加速度為0.10g。

3 混凝土箱梁設計

3.1 混凝土箱梁主要材料

混凝土箱梁采用C60混凝土。鋼絞線:縱向、橫向預應力采用低松弛高強度鋼絞線，產品符合GB/T5224—2003標準，標準強度fpk=1 860 MPa、公稱直徑15.2 mm、公稱截面積 140 mm2，Ep=1.95×105MPa，采用夾片錨錨固體系，管道成孔采用塑料波紋管及真空壓漿工藝。

普通鋼筋采用R235級、HRB335級鋼筋(分別符合GB13013—1991和GB1499—1998)。

3.2 混凝土主梁

邊跨、錨跨及主跨主梁部分梁段采用預應力混凝土箱梁，橫橋向分為兩幅，凈距8.2 m，全寬37.8 m，單幅橋橫向布置為(0.25 m欄桿+2 m人行道+0.4 m防撞墻+11.75 m車行道+0.4 m防撞墻)，見圖2。

每幅混凝土箱梁為單箱三室截面，兩側邊室各有一段斜底板。梁高在一般梁段為2.965 m，在主纜錨固橫梁處局部增加至4.965 m。每幅混凝土箱梁頂板寬14.8 m，水平底板寬7 m，兩側斜底板各寬2.775 m，兩道中腹板中心距5.4 m。

混凝土箱梁一般截面頂板厚26 cm，中室水平底板厚24 cm，邊室水平底板厚29 cm，斜底板厚22 cm，4道豎直腹板各厚30 cm。人行道板端部厚15 cm，根部厚30 cm。在橋墩、主纜錨固橫梁、主塔及鋼-混結合段附近，箱梁頂、底、腹板根據受力和構造需要適當加厚。

圖2 混凝土主梁橫向布置圖(單位:m)

3.3 混凝土吊索橫梁

混凝土吊索橫梁共有12道，高2.965 m，頂板寬2 m，端部厚26 cm，根部厚36 cm，底板寬2 m，端部厚24 cm，根部厚34 cm，腹板厚40 cm，在吊索錨固處開設錨固槽口并將腹板局部加厚。每道吊索錨固橫梁上設2根吊索，吊索中心距60 cm，沿順橋向錨固于腹板兩側，見圖3。

3.4 混凝土錨固橫梁

主纜在邊跨側通過散索套，在主跨側通過散索鞍后，每根主纜散開為55股，錨固在錨固橫梁中。邊跨側主纜錨固在錨固橫梁的中部，兩幅主梁的中間，主跨側2根主纜分別錨固在錨固橫梁的兩端，兩幅主梁的兩側。兩側錨固橫梁均為預應力鋼筋混凝土結構，高4.965 m，寬6 m，與兩片主梁相連，與端橫梁、吊桿橫梁共同構成框架結構，形成縱橫梁體系。每根主纜的55股索股通過埋設在錨固橫梁中的鋼管，錨固在錨固橫梁的預埋鋼板上。為了使每股索股的錨固端均與預埋鋼板垂直，在每股索股錨墊板與預埋鋼板間設置楔形鋼墊塊，每塊鋼墊塊的厚度和角度都不同，以適應索股與預埋鋼板角度的變化。預埋鋼管為外徑φ219 mm、壁厚8 mm、內徑φ203 mm的無縫鋼管，其材質采用20號鋼。預埋鋼板和楔形鋼墊塊均采用Q345D鋼材，見圖4。邊跨側錨固橫梁布置見圖5，主跨側錨固橫梁布置見圖6。

圖3 吊索橫梁構造(單位:m)

全橋混凝土梁長224 m，共用混凝土8 524 m3，鋼絞線 271.3 t，HRB335 鋼筋2 449.7 t，R235 鋼 筋161.1 t。

圖4 預埋錨管現場

圖5 邊跨錨固橫梁構造(單位:m)

圖6 主跨錨固橫梁構造(單位:m)

4 鋼梁設計

4.1 鋼梁主要材料

鋼梁主體結構及臨時匹配件均采用Q345D鋼材，符合GB/T1591—1994的要求。

4.2 鋼主梁

鋼主梁全長231 m，兩端通過鋼-混結合段與混凝土主梁連接，單幅鋼主梁為單箱三室截面，兩側邊室各有一段斜底板，梁高3 m，橫向分為2幅，凈距8.2 m，單幅橋橫向布置為(0.25 m欄桿+2 m人行道+1.4 m吊索錨固區+0.4 m防撞墻+11.75 m車行道+0.4 m防撞墻)，見圖7。單幅鋼主梁頂板寬16.2 m，水平底板寬7 m，兩側斜底板各寬2.775 m，兩道中腹板中心距5.4 m。

鋼主梁標準截面頂板厚16 mm，在其下焊有厚8 mm、高280 mm、上口寬300 mm、下口寬170 mm、間距600 mm的U形縱肋及厚16 mm、高160 mm的扁鋼，與橫隔板共同組成正交異性鋼橋面板;平底板厚14 mm，外側斜底板由于受吊索錨箱影響厚度采用16 mm，內側斜底板厚14 mm，采用U形縱肋及扁鋼加勁，U形縱肋尺寸及間距與頂板的相同，扁鋼厚12 mm、高140mm;兩道中腹板與內腹板厚14 mm，采用厚12 mm、高140 mm的扁鋼加勁。橫隔板間距采用3.0 m或3.5 m 2種，吊索前后的兩道橫隔板厚12 mm，其余橫隔板厚10 mm。

圖7 鋼主梁橫向布置(單位:m)

鋼主梁人行道采用鋼結構，頂、底板厚10 mm，采用厚10 mm、高120 mm的扁鋼加勁，在正對鋼主梁每道橫隔板處均設1道10 mm厚的豎直隔板。

4.3 鋼橫梁

鋼橫梁為箱形截面，長8 m、高3 m、寬3 m，縱向間距10 m，與兩幅鋼主梁相連，全橋共22道。頂板厚16 mm，底板厚14 mm，采用厚12 mm、高160 mm的扁鋼加勁;腹板厚12 mm，采用厚12 mm、高140 mm的扁鋼加勁。鋼橫梁內每隔1.5 m設1道厚10 mm的橫隔板，在鋼橫梁的每道橫隔板上及對應的鋼箱梁內側腹板、中腹板上均設置進人孔，鋼橫梁構造詳見圖8。

圖8 鋼橫梁構造(單位:m)

4.4 鋼錨箱

鋼主梁與吊索的傳力通過鋼錨箱來實現，鋼錨箱在鋼箱梁外腹板外側，為一閉合箱形結構，其底部設有1塊30 mm厚的底板N1，錨墊板直接支承在其底部。在底板N1上表面焊有2道40 mm厚的腹板N2及12道28 mm厚的加勁肋N3～N9，其中N8為斜加勁肋，一端焊接于腹板N2上，一端焊接在鋼箱梁外腹板上;其余加勁肋為直加勁肋，焊接于腹板N2上。在腹板N2及各加勁肋頂部設有16 mm厚的頂板。底板N1、腹板N2、頂板N11均與鋼箱梁外腹板焊接，底板N1、頂板N11還分別與人行道的底板與頂板焊接。鋼錨箱構造詳見圖9。

全橋鋼梁長 231 m，選用鋼材 Q345d，用鋼量4 890.2 t。

5 鋼-混結合段

圖9 鋼錨箱構造(單位:cm)

鋼-混結合段全橋共2段，每段長2 m，其構造見圖10，外輪廓為鋼結構，頂板厚22 mm，底板厚20 mm，焊接在鋼主梁的端承壓板上，端承壓板厚60 mm。鋼結構內部灌注混凝土。在鋼主梁腹板的對應位置設有腹板，腹板厚30 mm。頂板上開設有便于灌注混凝土的孔洞。頂板、底板上垂直焊有順橋向鋼板，厚25 mm，鋼板上設有孔洞，并以φ25 mm的HRB335鋼筋穿過，與混凝土一起形成PBL剪力鍵。頂板、底板、腹板及端承壓板上布置了φ19 mm的剪力釘，可以加強與混凝土的粘結力。鋼-混結合段內還設有7-7φ5 mm的鋼絞線及φ32 mm的精軋螺紋粗鋼筋，穿過鋼-混結合段錨固在混凝土箱梁及鋼箱梁中。頂板、底板通過PBL剪力鍵及剪力釘與混凝土梁體牢固結合，并利用穿過鋼-混結合段的縱向預應力索錨固，形成彎矩的傳遞。

端承壓板緊貼在混凝土箱梁上，傳遞軸向力。剪力則通過端承壓板上的剪力釘傳遞，通過以上構造，鋼主梁和混凝土主梁牢固地連接在一起，實現力的順利傳遞。

圖10 鋼-混結合段構造(單位:mm)

6 施工方法

混凝土梁采用臨時墩和架設支架相結合的方式，分段澆筑施工。鋼箱梁采用膺架法，在水中架設膺架，各節段采用浮吊吊裝，直接在膺架上拼裝定位，依次組裝焊接，見圖11。

圖11 鋼箱梁膺架施工

7 主梁計算結果

(1)主梁應力

主梁作為橋梁的組成部分參與全橋共同受力，采用平面桿系程序進行計算，對施工過程和成橋狀態進行全過程詳細分析，分析過程計入了結構非線性影響。

混凝土梁為預應力混凝土結構，根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D 62—2004)第6.3條規定:長期效應組合下，混凝土主梁最小正應力0.428 MPa＞0 MPa;短期效應組合下，混凝土主梁最小正應力－1.51 MPa大于－0.7ftk=－0.7×2.85=－1.995 MPa，最小主應力 －1.32 MPa＞ －0.5ftk= －0.5×2.85= －1.425 MPa。

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D 62—2004)第7.1.5和7.1.6條規定:標準值組合下，混凝土主梁最大正應力為18.6 MPa小于0.5fck=0.5×38.5=19.25 MPa，混凝土主梁最大主應力為18.6 MPa小于0.6fck=0.6×38.5=23.1 MPa。混凝土梁的各項應力值均在規范容許范圍內。

鋼主梁在標準值組合下，鋼主梁最大正應力158 MPa，最小正應力－22.9 MPa，小于基本容許應力［σw］=210 MPa，滿足規范要求。

(2)橫梁應力

混凝土橫梁和鋼橫梁為加勁梁的重要組成部分，考慮到主纜錨固區、吊桿錨固區等結構受力復雜，采用大型有限元程序建立模型進行計算分析:縱橋向取一定長度的梁段，按實體單元進行模擬，計算模型見圖12～圖15。

混凝土吊索橫梁等效應力(von-miss應力)最大應力為27 MPa，最小應力為0.02 MPa;

圖12 混凝土吊索橫梁模型

圖13 鋼橫梁模型

圖14 邊跨錨固橫梁模型

圖15 主跨錨固橫梁模型

鋼橫梁等效應力最大應力為193.6 MPa;邊跨錨固橫梁等效應力最大應力為24.03 MPa，最小應力為－5.34 MPa;主跨錨固橫梁等效應力最大應力為29.34 MPa，最小應力為－7.49 MPa。錨固橫梁局部拉應力較大，但均出現在錨固凹槽側邊交接處，經分析應為網格劃分造成的應力集中現象，可通過加密配置防裂鋼筋等措施加以解決。

8 結語

南京江心洲大橋為獨塔自錨式懸索橋，主梁采用分離式雙主梁，通過橫梁連接，形成縱橫梁體系，此種中間透空的分離式箱梁截面，具有較好的抗風穩定性，節省了材料。自錨式懸索橋主纜錨固在主梁上，主纜錨固處構造和受力復雜，該橋采用預應力混凝土結構方案加以解決。鋼-混結合段中設置PBL剪力鍵、剪力釘及雙壁式的鋼套梁，保證鋼梁與混凝土梁之間剛度過渡的均勻性和力傳遞的順暢性。本橋于2006年9月正式開工，2010年5月建成通車。

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