長安街西延永定河特大橋主橋總體設計方案

張為

（北京市市政工程設計研究總院有限公司第一設計所，北京市 100082）

1 概述

長安街西延永定河特大橋位于“神州第一街”長安街與北京“母親河”永定河交匯處。主橋橋型采用國際方案征集第一名，橋梁結構型式為高低拱形鋼塔、橫梁連接分離鋼箱斜拉剛構組合體系橋，橋梁中線與河道中線斜交57.40°角。高塔處采用塔梁墩固結，矮塔處為塔梁固結，梁底設單向活動支座。

主橋全長639 m，北半側橋跨徑組合（50+133.34+279.66+120+56）m=639 m，南半側橋跨徑組合（50+158.44+279.66+94.9+56）m=639 m。雙向八車道，道路等級為城市主干路，橋梁標準寬度47 m，局部全寬54.90m（高塔處），橋梁面積31 174 m2。索塔采用全鋼結構，高塔橋面以上高約112 m，南北塔傾斜角分別約為61°和71°。主梁采用全焊接分離式變截面鋼箱，中間橫梁連接，橫梁間距3 m，車行道部分為正交異性鋼橋面板。中跨主梁寬度從54.9 m、47 m、53.7 m漸變，梁高從10.51 m至3.3 m漸變，邊跨主梁寬度為47 m，梁高3 m。斜拉索采用豎琴式漸變距離布置，塔上索間距2.90～7.26 m，梁上索間距 3.76～14.4 m。永定河大橋平、立面圖如圖1所示。

2 總體結構體系比較

大橋特殊的橋型使得結構體系對總體結構受力影響較大，需要多方比選，審慎確定合理體系。

2.1 中墩約束體系比選

（1）體系一——高塔塔梁墩固結、矮塔塔梁固結、塔底部設單向活動支座體系。優(yōu)點在于通過矮塔底設單向活動支座釋放溫度力對主梁結構受力的影響，充分利用高塔的高度和傾角平衡主跨荷載，塔梁固結處理有利于發(fā)揮剛構效應，利用主梁剛度承擔外荷載。不足之處在于全橋地震力主要由高塔處承擔。

（2）體系二——高塔塔梁墩固結，矮塔塔梁分離，梁底設單向活動支座體系。優(yōu)點主要是充分利用兩處橋塔縱向剛度，較體系一結構整體縱向剛度大，同時又避免體系溫差對主梁影響，而且施工過程中矮塔無須臨時固結，施工工藝簡單。不足在于矮塔雙支自由長度大、剛度弱，需要加強，主梁穿過矮塔構造較復雜。

（3）體系三——高塔、矮塔均塔梁固結，塔底設支座。優(yōu)點在于結構體系明確，外部連續(xù)梁內部超靜定，地震力作用分散。不足是橋梁邊主跨需要重新調整以適應結構體系的改變，由于邁步產生的橋面左右不對稱力系問題更加突出，鋼塔施工過程中存在體系轉換的問題，控制難度加大。

綜述選用體系一為實施方案。

圖1 永定河大橋主橋平、立面圖

2.2 跨中設鉸方案比選

為減小斜橋面內平轉造成的矮塔底單向活動支座體系影響，進行跨中剛性鉸方案比選研究。通過研究嘉紹大橋經驗，結合本橋特點，進行了相應構造設計和計算分析。結論表明：設鉸后導致跨中無索區(qū)增加較多；兩側分離鋼箱內小鋼箱及支座需傳遞全斷面內力；剛性鉸各配套構造及設施復雜；矮塔固結后地震力增加較多等問題；經綜合比較仍采用原方案。圖2為跨中剛性鉸方案縱斷面。

圖2 跨中剛性鉸方案縱斷面（單位：mm）

2.3 矮塔底單雙支座體系比選

單支座體系優(yōu)點在于支座傳力直接明確，缺點在于支點反力較大且集中，對于加勁構造要求較高；矮塔根部的主梁間連接橫梁由于兩側主梁的剛度差異較大，導致橫梁兩端存在較大差異變形，增加了橫梁的彎曲正應力。

矮塔底橫向設雙支座，由于雙支座相對于單支座增加了橫向支撐寬度，對于橫梁而言減少了橫橋向變形，改善了與主梁連接處的局部應力，也增加了主梁的抗扭能力。

由于本橋為斜橋，如果雙支座垂直于橋梁中線布置，支座反力很不均勻，對于主梁而言增加了附加扭矩。雙支座順斜交方向布置，可使兩個支座反力較均勻，并改善此處橫梁受力，對主梁扭轉也起到較好的約束作用。

3 橋梁建筑景觀設計

橋梁景觀設計應分析周邊環(huán)境，考慮首都文化歷史背景，注重城市景觀組織，合理處理與周邊景觀的銜接。從主橋到引橋、梯道的橋梁景觀效果應統(tǒng)一協(xié)調，互相呼應。

橋梁景觀環(huán)境設計包括主橋主體、主橋基礎防沖刷基座、蓮石湖段景觀水系改造、梯道、夜景照明設計、六環(huán)跨線橋、引橋、引橋橋下空間、欄桿和燈桿等附屬、橋下輔路和河堤路交通系統(tǒng)、道路綠化帶景觀等。主橋建筑景觀效果如圖3所示。

圖3 主橋建筑景觀效果

4 主橋結構設計

4.1 主塔設計

主橋橋塔采用全鋼結構傾斜拱形塔，兩塔肢的塔柱中心線在塔底與基座連接處的順橋向間距均為25.1 m，形成同一塔柱的兩塔肢非一致傾斜。高塔在橋面以上垂直塔高約為112.195 m，整塔傾斜角度約為66°，單側塔柱傾斜角度南側約為61.251°，北側約為71.127°；塔柱根部設有拱形門洞供人行步道及機動車通過。矮塔橫斷面如圖4所示。

圖4 矮塔橫斷面示意圖（單位：mm）

主塔斷面在門洞位置為分離式單箱三室，門洞頂過渡區(qū)為單箱多室，塔中部為單箱單室結構，中部錨區(qū)被鋼錨箱腹板分割為三部分，塔頂漸變?yōu)閱蜗鋯问?。主塔橫隔板在塔梁結合部采用水平設置，橋面以上漸變?yōu)榇怪庇跇蛩S線，橫隔板間距2 m。鋼塔節(jié)段間除壁板加勁肋采用高強螺栓栓接外，其余均采用焊接。

高塔沿塔軸線方向壁板厚度設置四種板厚，翼緣板部分從底部到頂部板厚依次變化為52～34 mm，其加勁肋厚度依次為40～28 mm，加勁肋對應高度依次為320～224 mm。

4.2 主梁設計

永定河特大橋主橋7#～12#墩共五孔，邊孔采用整體斷面鋼梁，中間三孔為分離斷面鋼梁。主梁體系采用兩側分離鋼箱梁，中間為正交異性橋面板及大橫梁、小縱梁連接體系；頂板縱向加勁肋布置原則為：行車道范圍采用U形肋，其他位置采用球扁鋼。中跨主梁寬度從54.9 m、47 m、53.7 m漸變，梁高從10.51 m至3.3 m漸變，邊跨主梁寬度為47 m，梁高3 m。局部橋面系及結合部模型植入整體計算模型如圖5所示。

圖5 局部橋面系及結合部模型植入整體計算模型

主縱梁中孔鋼梁由跨中單箱四室變化至塔根部單箱五室。中孔主縱梁頂板厚46～30 mm，腹板厚40～16 mm，底板厚56～30 mm，加勁肋按照剛性肋原則設置；中孔主縱梁腹板板厚塔根部40 mm，跨中16 mm。大橫梁間距3 m，與主縱梁鋼箱內橫隔板一一對應；大橫梁間設置三道通長小縱梁，小縱梁梁高1.75 m，小縱梁設置位置避開輪跡線；大橫梁與小縱梁均設置拼接板，將其分為上下兩部分，上部分與橋面板工廠預制。

4.3 高塔錨固設計

鋼塔與基座連接方式國內外一般采用埋入式和螺栓錨固承壓板兩種方式。

埋入式連接方式由于連接處結構剛度突變，在大偏心荷載作用下兩者間連接易出現(xiàn)錯動、脫離、開裂等病害，對結構安全不利；螺栓錨固方式是通過預應力高強螺桿等將底座板錨固在混凝土塔柱頂，適合以彎矩或軸力為主的受力結構。結合本工程塔底大偏心受壓的受力特點，選用承壓板+螺栓錨固的方案。

鋼塔柱箱底設置150 mm厚承壓板，混凝土頂面與承壓鋼板底面之間設置50 mm水泥砂漿壓漿層。承壓面上設置70 mm材質為40CrNiMoA的預應力錨桿，錨桿沿斷面內四周布置，下端錨固在混凝土基座內，錨桿長8 m，間距600 mm，每個錨桿預張拉力1 300 kN。為抵抗地震作用水平剪力，承壓板底設置多點槽鋼剪力鍵。承壓板底平面度要求±5 mm；高塔基座頂面高程允許偏差±3mm。高塔錨固構造三維模型如圖6所示。

圖6 高塔錨固構造三維模型

4.4 矮塔塔梁結合段暨支座體系設計

含塔梁結合節(jié)段、大噸位支座相關錨固及加勁構造、矮塔臨時鎖定鋼拉桿錨箱、塔底橫向抗震鋼牛腿擋塊、支座更換預留構造等。

總體構造采用塔柱腹板及翼緣板、主梁腹板和頂?shù)装宀迦虢Y合段。除中跨主梁原有6個腹板延伸進入塔梁結合段外，在支座中心附近新增一個主梁腹板延伸進入中跨主梁內，共計7個腹板，腹板間距1.774～3.0 m，腹板厚度40 mm、50 mm、52 mm，同時在支座位置增設6個順橋向縱隔板（承壓板），縱隔板之間及與腹板之間間距0.85～1.05 m。橫橋向共設4道通長橫隔板和4道支座影響范圍局部橫隔板，橫隔板間距0.965～1.404 m，厚度 40 mm、45 mm。

臨時固結在主梁底部采用高強拉桿和臨時砂筒以及永久豎向支撐支座共同提供豎向拉壓力，形成力偶抵抗施工過程中兩個方向的彎矩。順橋向水平力通過永久豎向支撐支座增加順橋向的臨時鎖定裝置實現(xiàn)。

矮塔南肢1#節(jié)段底板正投影圖如圖7所示。

圖7 矮塔南肢1#節(jié)段底板正投影圖

4.5 基礎設計

8#墩高塔塔肢下設12.85 m高多面體基座（即為墩柱），兩基座外形呈反對稱關系。基座頂面尺寸16.85 m（橫橋向）×14.9 m（順橋向）。高塔一肢塔柱的承臺尺寸為30 m×26.5 m，承臺厚6.0 m，布置24根直徑2.0 m的鉆孔灌注樁，樁長40 m。

9#墩矮塔采用塔梁固結，在矮塔底設橫向固定、縱向活動球型鋼支座QZ 75000DX/Z±200/R0.02。7#、10#輔助墩均采用樁柱式橋墩，橫向設3個墩柱，每個墩柱頂設一個抗拉型球型鋼支座 QZ12000DX/Z±200/R0.02。

5 主橋施工方案

根據(jù)本橋鋼塔結構特點，考慮運輸、加工及安裝起重能力等因素，將鋼塔和鋼梁劃分為若干吊裝節(jié)段進行加工、焊接、涂裝等作業(yè)，最后在支架上安裝、連接形成整體。節(jié)段劃分考慮吊裝設備能力、結構構造特點等。吊裝重量塔底節(jié)段在600 t左右，塔頂節(jié)段控制在200 t以內，主縱梁工廠制作段約170個，最大預制段重量120 t。

橋塔為空間異形傾斜大斷面鋼塔，為施工控制重點，國內外目前鋼塔施工基本分為轉體施工、支架施工和無支架懸拼施工三種方案。

對于本橋而言，由于塔柱截面大、高度高且兩側塔柱不共面為空間異形，轉體過程中被轉結構的重心軌跡是空間線形，繞單軸轉動的鉸，轉動期間姿態(tài)控制十分困難，另外轉體重量很大，施工難度和風險均很大。

無支架懸拼方案由于塔柱雙肢傾斜角不一致，且塔柱為空間異形，通過設置預拱度方式實現(xiàn)成橋線形雙肢協(xié)調難度很大，很難實現(xiàn)塔柱的線形控制。

推薦采用支架拼裝方案。采用鋼管支架搭設懸臂拼裝輔助支架，索塔的拼裝過程中的自重主要由自身的強度和剛度承擔，支架提供拼裝過程的臨時支撐力，及提供調整索塔線形的豎向力。

6 BIM系統(tǒng)三維數(shù)字化設計應用

國內第一次運用BIM系統(tǒng)CATIA軟件進行鋼結構橋梁設計，綜合考慮加工制作、運營養(yǎng)護的全壽命需求，實現(xiàn)了智能化、自動化、精細化設計，引領了市政領域橋梁設計新理念發(fā)展。在設計手段、流程、管理模式上均進行了創(chuàng)新探索，形成以下主要應用成果：空間曲面的形成及展開；復雜節(jié)點的可視化設計和沖突檢查；參數(shù)化、知識化工程設計；三維模型與計算模型的完美銜接；先進的骨架+模板智能建模技術。大橋BIM應用實例如圖8所示。

圖8 大橋BIM應用實例

7 結語

BIM技術對大橋實施提供了有力的技術支撐，探索市政橋梁工程全壽命周期的BIM技術應用。包括設計加工模型的對接技術；加工、實施階段使用三維掃描技術進行曲板加工驗收、節(jié)段驗收、節(jié)段數(shù)字預拼裝。充分利用設計BIM模型解決大橋建造過程中的支架設計、吊裝方案設計，乃至施工控制，是本項目優(yōu)勢和特點。