遵義湘江大橋主跨560m公路組合梁斜拉橋設(shè)計

胡建明

中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 四川 成都 610031

1 工程概述

遵義至余慶高速公路是《貴州省交通運輸“十三五”發(fā)展規(guī)劃》重點實施項目，連接黔中經(jīng)濟(jì)區(qū)遵義和凱里兩個中心城市，線路全長93.858km，遵余湘江大橋跨越湘江峽谷，是本項目最重要的控制性工程。

橋區(qū)兩岸峰叢密集、深窄陡峻，峽谷呈“W”形，兩深谷谷底高差約為123m，湘江位于較深“V”谷內(nèi)，兩“V”谷之間的山峰是設(shè)置索塔的理想位置。大橋橋面最大高度約為307m，遵義側(cè)較淺“V”谷不具備搭設(shè)支架的條件，綜合考慮地形地貌、技術(shù)經(jīng)濟(jì)及景觀協(xié)調(diào)，主橋采用（72+212+560+212+72）m雙塔組合梁斜拉橋[1]，主跨560m跨越較深“V”谷，遵義側(cè)邊跨越較淺“V”谷，采用對稱的懸臂施工方案。主橋橋型布置見圖1。

圖1 主橋橋型布置（單位：m）

圖2 鋼桁架梁斜拉橋與鋼-混組合梁斜拉橋

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級與行車道數(shù)：雙向四車道高速公路。

（2）設(shè)計荷載與設(shè)計速度：公路-Ⅰ級、80km/h。

（3）工程區(qū)地震基本烈度為6度，場址地震基巖水平加速度峰值分別為：52.2gal（50Y10%，重現(xiàn)期475年），101.4gal（50Y2%，重現(xiàn)期2475年）。

（4）基本風(fēng)速： 24.9 m/s（貴州省遵義市1/100）。

3 結(jié)構(gòu)體系

主橋采用半飄浮體系[2]，塔墩固結(jié)、塔梁分離，即在主梁與索塔之間設(shè)置豎向支座、橫向抗風(fēng)支座和橫向抗震擋塊，其中橫向抗風(fēng)支座在橋梁正常運營狀態(tài)下發(fā)揮作用，橫向抗震擋塊在地震等特殊荷載作用下發(fā)揮作用。為限制主梁的縱向位移，在主梁與索塔下橫梁之間設(shè)置縱向粘滯阻尼器[3]，每個索塔處設(shè)置2套縱向阻尼裝置，全橋共設(shè)置4套。

除主梁與索塔之間外，輔助墩、交界墩與橋臺上設(shè)置縱向活動支座和橫向抗震擋塊， 其中0號橋臺、5號交接墩與1號輔助墩雙支座中其中一個支座約束橫向位移， 4號輔助墩墩高超過100m，雙支座均約束橫向位移。

4 主梁設(shè)計

4.1 主梁形式

一般情況下，斜拉橋可選擇的主梁形式有混凝土梁、鋼箱梁、鋼桁架梁、組合梁，以及邊中跨分別采用不同形式混合梁等。本橋主跨跨徑560m，基本上超出了混凝土斜拉橋的合理跨徑范圍；根據(jù)橋址處地形地貌，本橋不具備大型鋼箱梁的運輸條件；本橋的邊中跨比較大，混合梁也不適合；采用鋼-混組合梁和鋼桁架梁結(jié)構(gòu)，是受力較為合理的主梁方案。

綜合運輸及吊裝條件，主橋主梁形式采用工字型鋼混組合梁[4]。主梁橫斷面布置見圖3。

圖3 主梁橫斷面布置（單位：cm）

主橋主梁為鋼梁與混凝土板共同受力的組合梁[5]，中間采用剪力釘將兩者結(jié)合。組合梁全寬27.5m，拉索錨固處高3.5m。鋼主梁采用工字型截面，橫橋向雙鋼主梁的中心間距為25.5m；鋼橫梁采用工字型截面，標(biāo)準(zhǔn)間距4.0m；混凝土橋面板標(biāo)準(zhǔn)板厚28cm，在鋼主梁頂部處加厚至50cm，壓重段采用50cm等厚設(shè)計，起到部分壓重作用；橫向中間與兩側(cè)共設(shè)置了三道小縱梁，作為澆注橋面板濕接縫的施工臨時模板。主梁鋼材除鋼主梁頂板與底板采用Q370qE、臨時小縱梁采用Q345qD外，其余均采用Q370qD橋梁專用鋼；由于現(xiàn)場骨料制約，混凝土橋面板采用C55混凝土。

4.2 鋼主梁

鋼主梁高3.0m，上翼緣設(shè)置2%橫坡，與橋梁橫坡保持一致，下翼緣水平，腹板豎直，共分為15種梁段類型。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段梁長12m，頂板寬960mm、厚40mm ，底板寬1000mm、厚80mm ，腹板厚36mm，設(shè)置了三道寬360mm、厚32mm的縱向加勁肋，每個梁段共設(shè)置了9道豎肋。根據(jù)受力要求，在索塔、輔助墩和交界墩、橋臺處，對支承與壓重梁段進(jìn)行了底板加寬和腹板加厚。鋼主梁標(biāo)準(zhǔn)梁段立面與斷面布置見圖4。

圖4 鋼主梁標(biāo)準(zhǔn)梁段立面與斷面布置（單位：mm）

4.3 鋼橫梁

鋼橫梁頂面與橋梁橫坡保持一致，標(biāo)準(zhǔn)鋼橫梁頂板寬660mm、厚24mm，底板寬700mm、厚28mm ，腹板厚14mm，在離上緣58cm處對稱設(shè)置了兩道寬120mm、厚14mm的縱向加勁肋，每個鋼橫梁共設(shè)置了13道豎肋。根據(jù)受力要求，在索塔、輔助墩和交界墩、橋臺處，對支承與壓重段鋼橫梁頂、底、腹板進(jìn)行加寬加厚。普通鋼橫梁與鋼主梁底板底面不齊平，壓重段鋼橫梁與鋼主梁底板底面齊平，保證壓重材料的布置空間。為方便運輸，橫梁分為三段，最大運輸長度為10.58m。標(biāo)準(zhǔn)鋼橫梁立面與斷面布置見圖5。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)鋼橫梁立面與斷面布置（單位：mm）

4.4 鋼梁連接方式

鋼主梁與鋼橫梁節(jié)段間頂、底、腹板及縱肋均采用高強(qiáng)螺栓拼接；鋼主梁與普通鋼橫梁之間只拼接腹板，鋼主梁與其余特殊鋼橫梁之間采用拼接腹板、底板的接頭方式。鋼主梁節(jié)段拼裝示意見圖6。

圖6 鋼主梁節(jié)段拼裝示意

4.5 混凝土橋面板

混凝土橋面板通過焊接在鋼主梁和橫梁上翼緣板上的剪力釘和鋼梁共同受力，分為預(yù)制部分和現(xiàn)澆部分。橋面以主梁中心線橫橋向?qū)ΨQ布置四塊預(yù)制橋面板，預(yù)制橋面板橫向側(cè)設(shè)置剪力鍵。為了減少混凝土的收縮和徐變，先預(yù)制橋面板，存梁期至少6個月以上。同時，根據(jù)受力情況，在中跨跨中與邊跨靠邊支點部分，橋面板設(shè)置了順橋向預(yù)應(yīng)力體系。

5 索塔設(shè)計

塔型設(shè)計要求首先滿足結(jié)構(gòu)受力需要，同時兼顧景觀、施工、造價等因素，本橋主橋跨徑大、索塔高，適合的塔型有菱形、鉆石型和H型。本橋主梁采用鋼-混組合梁，需要傾斜索面對主梁的抗扭剛度提供幫助，同時要求索塔能夠形成閉合框架以較好地承受荷載。菱形索塔橫向剛度大、穩(wěn)定性好，拉索面與塔柱的傾斜方向一致，給人以靜態(tài)的穩(wěn)定和向上感；H型索塔在塔頂有較大的橫梁，高塔受力性能一般，抗扭性能一般；鉆石型索塔略顯纖柔，橫向抗扭性能稍差。三種塔型比較見表1。

表1 塔型比較表

主橋2號索塔總高288m，3號索塔總高268m，索塔較高，相對于H型塔和鉆石型塔，菱型塔受力、抗扭、抗風(fēng)抗震性能更好， 綜合了景觀效應(yīng)，本橋采用菱型橋塔[6]。

主橋索塔由塔墩、下塔柱、中塔柱、上塔柱、上橫梁和下橫梁組成，均采用C50混凝土，上、下橫梁采用預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，塔柱與橫梁采用矩形空心截面，塔墩采用整體單箱三室矩形截面。其中上塔柱高71m、橫橋向?qū)?m、縱橋向?qū)?m；中塔柱高77m、橫橋向?qū)?m、縱橋向?qū)?～11.5m；下塔柱高55.5m、橫橋向?qū)?～11m、縱橋向?qū)?1.5～13.68m；上橫梁縱橋向?qū)?m、豎向高5m；下橫梁縱橋向?qū)?.5m、豎向高8.5m；2號索塔塔墩高84.5m，3號索塔塔墩高64.5m，塔墩橫橋向?qū)?9m、縱橋向?qū)?3.68～17m。

索塔承臺采用矩形截面，橫橋向長38.3m，順橋向?qū)?5.1m，厚7.5m，采用C40混凝土。索塔樁位處巖性以灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主，上部結(jié)構(gòu)傳到墩底的反力較大，可采用大直徑嵌巖樁，每個索塔承臺下均布置了24根直徑3.3m的樁基組成群樁基礎(chǔ)，樁間距6.6m，采用C35自密實混凝土。索塔構(gòu)造布置見圖7。

圖7 索塔構(gòu)造布置（單位：cm）

6 斜拉索與錨固形式設(shè)計

6.1 斜拉索

主橋斜拉索為空間扇形雙索面，全橋共8個索面、176根斜拉索，采用φ7mm鍍鋅平行鋼絲體系，鋼絲標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1770MPa，最大規(guī)格為PES7-337。主梁上橫橋向索距為25.5m，順橋向索距為12m 。斜拉索在塔端及梁端均安裝內(nèi)置式斜拉索減震器，其中4～22號斜拉索在下端均設(shè)置外置式粘滯阻尼器[7]。

6.2 塔上錨固形式

每個塔柱均布置了22對斜拉索，上20對斜拉索采用鋼錨梁錨固形式，布置于塔壁的牛腿上；下2對斜拉索水平力較小，采用混凝土齒塊直接錨固形式。考慮到換索、斷索等不利工況，塔上拉索錨固區(qū)的塔壁內(nèi)配置了井字形的低回縮預(yù)應(yīng)力鋼束，單端交替張拉。

6.3 梁上錨固形式

本著傳力明確、維修養(yǎng)護(hù)方便的特點，本橋斜拉索梁上錨固采用錨拉板形式。

7 主梁指導(dǎo)性施工方案

本橋為項目最重要的控制性工程，綜合考慮了結(jié)構(gòu)受力和縮短工期的前提下，主橋設(shè)計提出了混凝土橋面板濕接縫滯后1次澆筑的指導(dǎo)性施工方案[8]。具體施工步驟為：（1）吊裝第i節(jié)段鋼梁，安裝第i號拉索并第一次張拉；（2）吊裝第i-1節(jié)段與第i節(jié)段拉索橫梁之間的預(yù)制橋面板，第二次張拉第i號斜拉索；（3）吊裝第i+1節(jié)段鋼梁，安裝第i+1號拉索并第一次張拉；（4）吊裝第i節(jié)段與第i+1節(jié)段拉索橫梁之間的預(yù)制橋面板；（5）澆筑第i-1節(jié)段與第i+1節(jié)段拉索橫梁之間的橋面板濕接縫，形成組合單元，第二次張拉第i+1號斜拉索；（6）橋面吊機(jī)前移。

8 技術(shù)特點

（1）遵余湘江大橋位于貴州黔北山地，橋址區(qū)既有陸運、水運條件有限，局部范圍內(nèi)地形復(fù)雜，很大程度上限制了結(jié)構(gòu)成品、半成品的尺寸，大橋的主梁采用了布置靈活、運輸方便的組合梁結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了組合梁混凝土受壓、鋼材受拉的特點，提高了材料的利用率。與混凝土梁對比，組合梁自重較輕、跨度較大，鋼梁與橋面板工廠預(yù)制、現(xiàn)場拼裝，有效地保證了質(zhì)量。與鋼箱梁對比，起吊運輸要求低，施工方便、造價較低，同時減少了鋼結(jié)構(gòu)橋面鋪裝的難題。

（2）組合梁斜拉橋施工工序復(fù)雜、繁多，成橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力、線形與施工過程息息相關(guān)，合理的施工工序是保證施工和運營階段結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵。遵余湘江大橋通過對混凝土橋面板濕接縫不滯后、滯后1次和滯后2次的三種施工方案進(jìn)行分析對比，提出了混凝土橋面板濕接縫滯后1次澆筑的指導(dǎo)性施工方案，即保證了結(jié)構(gòu)在施工過程和運營階段受力的合理性，又有效地縮短了施工工期。