揭陽大橋主橋設計關鍵技術

魏朝柱，何 海，梁立農

（1.廣東省交通運輸規劃研究中心，廣東 廣州 510101；2.廣東省交通規劃設計研究院集團股份有限公司，廣東 廣州 510107）

1 設計概況

揭陽大橋位于揭陽市榕城區，跨越榕江南河，是廣東省揭(陽)至惠(來)高速公路揭陽市區連接線工程的重要構造物。榕江南河為內河Ⅲ級航道，單孔雙向通航并兼顧5 000 t 海輪，通航孔凈空為260 m（凈寬）×34 m（凈高），最高通航水位3.03 m，最低通航水位-0.55 m（國家85 高程基準）。榕江南河水面寬約350 m，河水受潮汐影響明顯，具有不規則半日混合潮、潮時潮差不等的特點。

本項目采用一級公路兼城市主干路標準，雙向6 車道，設計速度80 km/h，主橋橋梁總寬32.4 m，橋梁設計汽車荷載為公路-Ⅰ級，設計基本風速為39.4 m/s，地震動峰值加速度值為0.15g，工程場地類別為Ⅲ～Ⅳ類。

揭陽市地處亞熱帶，屬亞熱帶海洋性氣候，具有明顯的海洋性氣候特點，多年平均相對濕度為80%。多年平均氣溫21.9 ℃，熱月（7 月份）平均氣溫28.7 ℃，冷月（1 月份）平均氣溫13.9 ℃，最高氣溫39.7 ℃（2005 年7 月18 日），極端最低氣溫-2.7 ℃（1955 年1 月12 日）。年平均降水量為1 740.7 mm。揭陽市屬華南沿海臺風區（Ⅳ7）,受臺風影響，7～9月6 級以上強風占總數的83%，年均風速1.8 m/s，歷史最大臺風風力11 級（1969 年7 月28 日），風速達28 m/s（東北，東風）。橋址區覆蓋層主要由海陸交互相的軟土、黏性土及砂土組成，基底巖性均為花崗巖，基巖埋深大，巖質極硬，巖面起伏較大，樁基最長約120 m。

2 主橋設計

2.1 總體設計[1]

揭陽大橋主橋為主跨300 m 的雙塔雙索面鋼-混組合梁斜拉橋，橋跨總體布置為（138+300+138）=576 m，結構體系采用半漂浮體系，因兩側邊跨分別跨越市政道路，故采用無輔助墩設計，橋梁總體布置見圖1。

圖1 橋梁總體布置圖（單位：cm）

主橋邊中跨比為0.46，為確保正常使用狀態下，過渡墩支座不出現負反力，設計將兩側引橋各1 孔38.5 m 簡支小箱梁作為壓重梁支承于主梁箱形端橫梁上，同時在過渡墩墩頂附近主梁鋼橫梁間施加壓重。過渡墩頂順橋向31.2 m 范圍內壓重200 kN/m，全橋共壓重1 251 t。

過渡孔簡支小箱梁一端支撐在主橋的鋼橫梁上，設置縱向固定支座；另一端支承在過渡孔柱墩蓋梁上，設置縱向活動球型鋼支座。在過渡孔的小箱梁和主橋之間設置D80 伸縮縫，只允許過渡孔小箱梁和主梁之間有微小的轉角，次邊墩處設置RBKF560 單元式位移伸縮縫。

2.2 主梁設計

鋼- 混組合梁因能充分發揮鋼與混凝土材料的力學性能，兼顧鋼與混凝土結構的優點，同時其結構受力明確、可工廠化制造、施工快捷，因此使用廣泛。但經過調研，鋼- 混組合梁斜拉橋橋面板濕接縫和支點負彎曲區橋面板存在開裂現象，嚴重影響結構使用耐久性。為有效解決橋面板開裂問題，本文研究了主塔支點負彎矩區橋面板局部應力分布，提出了局部采用超高韌性混凝土材料（UHPC）橋面板方案。

2.2.1 鋼梁設計

本項目主梁采用鋼- 混組合梁，全寬32.4 m，主梁中心高3.37 m，主梁標準橫斷面見圖2。

圖2 主梁標準橫斷面圖（單位：mm）

鋼梁由工字形鋼主梁、橫梁、小縱梁組成。

兩側鋼主梁橫向中心距29.9 m，高2.8 m。根據構造及施工架設的需要，全橋鋼主梁劃分為12 種梁段，標準梁段長11.7 m，標準橫隔板間距為3.9 m。根據受力需要，其上翼緣板寬900 mm，厚36 mm、50 mm；下翼緣板寬1 100～1 920 mm，厚60 mm、80 mm；腹板厚度統一采用28 mm。腹板外側設2 道縱向加勁肋（寬350 mm、厚24 mm），腹板內外側標準節段每隔3.9 m 設置2 道間距為1.3 m 的豎向加勁肋。過渡墩附近的梁段（過渡段）共長13.085 m，采用加高設計，高度從2.8 m 加高至端部4.88 m。

橫梁間距3.9 m，一般橫梁上翼緣寬600 mm，厚24 mm；下翼緣寬700 mm，厚28 mm；腹板厚16 mm。橫梁腹板兩側成對布設水平加勁肋和若干道豎向加勁肋。橫梁腹板與邊主梁通過高強螺栓拼接。

主梁橫向設3 道小縱梁，橫向間距7.5 m，小縱梁高300 mm，上翼緣寬400 mm，下翼緣寬240 mm，腹板厚12 mm。

為抑制主梁渦激振動振幅，于主梁外側小縱梁下設置2 道穩定板，穩定板沿主梁縱向通長設置，為高2 300 mm，厚6 mm 的鋼板，與橫梁間采用高強螺栓連接。

鋼梁工字形主梁、橫梁、小縱梁等均采用Q345D。錨拉板位置處邊主梁上翼緣鋼板要求為Z 向鋼板，其厚度方向性能應滿足《厚度方向性能鋼板》（GB 5313—2010）中Z25 級性能要求。

2.2.2 橋面板設計

橋面板厚度為28 cm，預制部分采用C60 高強混凝土，現澆部分采用C60 微膨脹混凝土，內摻高強有機聚合物纖維。為傳遞拉索的剪力，外側預制板邊主梁側面設置剪力鍵。為了減小混凝土收縮、徐變對結構的影響，預制板需存放6 個月以上。以上措施均為鋼- 混組合梁橋面板設計通常做法，即便照此嚴格要求施工，橋面板也存在開裂風險。

主塔墩支座頂局部應力集中見圖3。

圖3 主塔墩支座頂局部應力集中

局部有限元仿真分析[2]表明，在主塔墩支座頂附近主梁混凝土頂板會出現超過2 MPa 的縱橋向拉應力，局部最大值為6 MPa。為降低橋面板開裂風險，提高結構耐久性，本次設計在支座頂4.5 m×3.45 m×0.28 m 橋面板范圍采用超高韌性混凝土材料（UHPC）加強，UHPC 設計抗壓強度120 MPa，抗彎拉強度20 MPa，現場澆筑施工，高溫蒸汽養護。

在中跨133.4 m 及兩邊跨各78.1 m 范圍內橋面板中布置多股7φs15.24 縱向預應力鋼束，鋼束采用兩端張拉，群錨錨固，塑料波紋管真空壓漿工藝施工。

縱、橫梁上翼緣板上布置有直徑22 mm 焊釘，材質為ML15，高20 cm。預制混凝土橋面板通過設在縱、橫梁上的濕接縫形成共同受力的組合梁結構。

2.3 主塔與基礎設計

橋梁景觀要求高，本項目以揭陽市花“蓮花”為設計主題元素，主塔造型從含苞待放的“水上蓮花”中抽象而出，將鉆石型主塔設計融合城市文化特色，賦予主塔生命力。整個主塔由塔座、下塔柱、下橫梁、中塔柱、中橫梁、上塔柱、上橫梁和塔冠等部分組成，總高度為120 m，自橋面以上塔高81.5 m（含塔冠3.5 m），塔高與主跨比為0.272，主塔采用C50 混凝土。主塔一般構造圖見圖4。

圖4 主塔一般構造圖（單位：cm）

斜拉索在塔上采用扇形布置，每個索塔均設12對，塔上錨固方案比選了鋼錨梁、鋼錨箱和預應力錨固形式，鑒于主橋規模和塔柱尺寸，經技術經濟比選后推薦“井”字形預應力錨固。塔上斜拉索錨固間距2 m，錨固在塔柱內壁的鋸齒塊上，錨固區布置了“井”字形預應力，以抵抗斜拉索拉力產生的水平分力。

主塔基礎采用24 根φ2.5 m 的端承樁，承臺采用圓端型，平面總尺寸為橫橋向41.8 m，順橋向23.05 m，厚5.5 m。承臺頂設2.0 m 的塔座，承臺底設1.0 m 封底混凝土，樁基最長約120 m。

2.4 斜拉索設計

斜拉索采用空間雙索面扇形布置，主塔各分布12 對索，全橋共96 根索。為提高成品索使用耐久性，斜拉索采用鋅- 鋁合金鍍層平行鋼絲，斜拉索抗拉強度為1 770 MPa。根據索力的不同，采用PES7-163、PES7-199、PES7-253 和PES7-313 共4 種規格，拉索最長無應力索長156.462 m，單根最大質量為14.795 t。斜拉索減震措施包括斜拉索表面設置防風雨振動雙螺旋線、斜拉索套筒內均設置減震橡膠塊并在梁端安裝外置阻尼器減震裝置。外置阻尼器安裝在橋面以上3.5 m 高度處，確保能提供3%以上附加阻尼，行程滿足最大振幅1/1 700 L（L 為索長）的要求。

3 結構抗震計算及抗風研究

3.1 抗震計算分析

橋址區地震動峰值加速度值為0.15g，橋梁抗震設計要求高。為有效減小主塔地震力，主橋主梁與主塔往往采用縱向阻尼器相連。為了確定阻尼器的合理設計參數，對阻尼參數進行了敏感性分析。

采用非線性阻尼器，阻尼力與相對速度關系可表示為：F＝CVα，其中F 為阻尼力，C 是阻尼系數，V是速度，α 是速度指數。

從抗震設計經驗看，大跨徑橋梁阻尼器的速度指數α 常用值一般在0.3～1.0 范圍內。取速度指數α=0.3、0.5、0.7、1.0，阻尼系數C 變化范圍為1 000～20 000，對主橋進行非線性時程響應分析。

阻尼器參數對主梁梁端位移的影響、對主塔塔頂位移的影響、對主塔塔底彎矩的影響見圖5～圖7；阻尼器參數對阻尼器自身位移的影響、對自身內力的影響見圖8、圖9。這些曲線圖表明，設置阻尼器可以顯著減小梁端位移和主塔塔底彎矩。

圖5 阻尼器參數對主梁梁端位移的影響

圖6 阻尼器參數對主塔塔頂位移的影響

圖7 阻尼器參數對主塔塔底彎矩的影響

圖9 阻尼器參數對阻尼器自身內力的影響

由圖5～ 圖9 可見，當阻尼器的速度指數α 一定時，隨著阻尼系數C 的增加，主梁梁端位移、阻尼器位移逐漸減小，而阻尼力則逐漸增加；主塔塔底彎矩在速度指數α 取0.3、0.5 或0.7 時開始隨著阻尼系數C 的增大而減小，超過某一范圍后又隨著阻尼系數C 的增大而增大，而在速度指數取1.0 時隨著阻尼系數C 的增大而減小。

另一方面，當阻尼系數C 一定時，阻尼器自身位移、主梁梁端位移隨著阻尼器速度指數α 的增大而逐漸增大，阻尼力隨著阻尼器速度指數α 的增大而逐漸減小；塔頂位移、主塔塔底彎矩在某一范圍內隨著阻尼器速度指數α 的增大而逐漸增大，超過該范圍則隨著阻尼器速度指數α 的增大不再有該變化趨勢，在α 取某些值時，反倒有隨著α 的增大而減小的趨勢。

由此可見，隨著阻尼器參數的變化，主梁梁端位移與阻尼力的變化趨勢相反，而主塔塔底彎矩在某一范圍內與主梁梁端位移及塔頂位移變化趨勢一致。因此，在沒有一個變量是控制因素的情況下，較好的做法是折中取值，阻尼器的速度指數α 取為0.4，阻尼系數C 取為3 000～5 000 較為合適，此時各控制截面彎矩相對最小，主梁梁端位移減小值也基本達到最優。

阻尼器參數對主梁梁端位移等的影響見表1。

表1 阻尼器參數對主梁梁端位移等的影響

由表1 可見，在阻尼器速度指數取0.4，阻尼系數分別取3 000 和5 000 時，與未加阻尼器時比較，在不計恒載位移情況下，主梁梁端位移分別減小了58%和68%，塔頂位移分別減小了54%和64%，塔底彎矩分別減小了33%和40%。

阻尼器參數敏感性分析結果表明，阻尼器的速度指數α 取為0.4，阻尼系數C 取為3 000～5 000較為合適，此時，主梁梁端位移減小了58%～68%，塔頂位移減小了54%～64%，塔底彎矩減小了33%～40%。

3.2 抗風性能研究

抗風性能專題研究[3]進行了節段風洞試驗和全橋氣動彈性模型風洞試驗研究。

（1）該橋成橋運營狀態豎彎和扭轉基頻分別為0.314 3 Hz 和0.870 3 Hz，扭彎頻率比為2.769；最長單懸臂狀態為最不利施工狀態，豎彎和扭轉基頻分別為0.344 3 Hz 和0.961 2 Hz，扭彎頻率比為2.792；最長雙懸臂狀態豎彎和扭轉基頻分別為0.215 7 Hz 和1.042 9 Hz，扭彎頻率比為4.835。

（2）橋位基本風速V10=39.4 m/s，地表粗糙度系數為0.16，主梁設計基準風速為49.5 m/s，成橋狀態橋梁顫振檢驗風速為77.2 m/s。施工重現期取為30 a，施工階段的設計基準風速為41.4 m/s，施工階段顫振檢驗風速為64.6 m/s。成橋階段靜風失穩檢驗風速為59.4 m/s，施工階段靜風失穩檢驗風速為49.7 m/s。

（3）主梁斷面進行了幾何縮尺比為1∶45 的節段模型風洞氣動力系數測試試驗，通過六分力天平測得主梁斷面成橋態和施工態三分力系數。試驗風攻角范圍為-10°～+10°，間隔為1°。主梁斷面風攻角為0°時，施工狀態的氣動阻力、升力和俯仰扭矩系數分別為1.291 4、-0.040 1 和0.034 9；成橋狀態氣動阻力、升力和俯仰扭矩系數則分別為1.563 9、-0.083 1 和0.014 6。

（4）采用節段模型直接試驗法對成橋狀態和最大雙懸臂狀態進行了±3°范圍內風攻角情況下的顫振穩定性試驗，結果表明采取雙下穩定板氣動措施后，成橋狀態和最大雙懸臂狀態的顫振臨界風速均大于108 m/s，顫振穩定性滿足《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/T 3360-01—2018）要求，大橋具有足夠的抗風穩定性。

（5）采用節段模型進行了渦激共振試驗。為防止成橋運營狀態+3°攻角時的渦激共振振幅超限，主梁斷面氣動措施推薦采用雙下穩定板方案，氣動改良后成橋運營狀態在±3°風攻角范圍內不會發生振幅超過《公路橋梁抗風設計規范》容許值的豎彎和扭轉渦激共振。

（6）采用Ansys 有限元分析軟件對成橋態和最大雙懸臂狀態進行抖振時域有限元分析，得到了主梁和主塔關鍵截面內力及關鍵節點位移響應平均值、根方差和極大值，經計算結構滿足《公路橋梁抗風設計規范》要求。

4 結 語

（1）主橋采用（138+300+138）m 的3 跨連續縱向半漂浮體系，邊跨跨越市政道路，取消了常規輔助墩設計，通過將過渡孔38.5 m 簡支小箱梁作為主梁端壓重梁，有效減小了邊跨主梁段壓重荷載。

（2）主梁采用雙工字形截面主梁，便于制造、運輸和架設，整體造價較低。該橋主梁用鋼量為397 kg/m2，造價經濟。

（3）為有效解決橋面板開裂問題，本文研究了主塔支點負彎矩區橋面板局部應力分布，提出了局部采用超高韌性混凝土材料（UHPC）橋面板方案，以提高結構耐久性。

（4）本橋為城市橋梁，景觀設計要求高，以揭陽市花“蓮花”為設計主題元素，主塔造型從含苞待放的“水上蓮花”中抽象而出，其造型簡潔大方，線形極為流暢，把橋梁建筑融入到了橋梁結構美學之中，已成為揭陽市的標志性橋梁建筑之一。

（5）橋址區地震動峰值加速度為0.15g，抗震要求高。阻尼器參數敏感性分析結果表明：阻尼器的速度指數α 取為0.4，阻尼系數C 取為3 000～5 000較為合適，此時各控制截面彎矩相對最小，主梁梁端位移減小值也基本達到最優。

（6）本橋設計基本風速39.4 m/s，抗風性能要求高。風洞試驗表明，在外側小縱梁處設2 道下穩定板的氣動措施可提高顫振臨界風速，降低渦激共振振幅，使大橋具有足夠的抗風穩定性。