孝感白水湖大橋設(shè)計(jì)

蔣蓉蓉

（上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 200030）

1 概述

白水湖大橋位于湖北省孝感市，該橋全長(zhǎng)為345m，由主橋及東西兩側(cè)引橋組成。該橋主橋采用無(wú)背索斜拉橋，跨徑組合為100 m+35 m=135 m；引橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，橋梁總寬35 m。

如圖1所示，遠(yuǎn)觀白水湖橋傾斜的橋塔，猶如“雙龍出水，一飛沖天”般氣勢(shì)恢宏；傾斜、筆直的橋塔給人以剛勁有力、巍峨壯觀的感受；白水湖橋主塔塔頂?shù)脑煨驮O(shè)計(jì)采用“龍”的意象，兩塔間的橫梁上嵌有一顆大型圓珠，整體打造出中國(guó)古代建筑雕刻中經(jīng)常采用的“二龍戲珠”的景觀造型，富有建筑美學(xué)感。

圖1 白水湖大橋效果圖

2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

該工程的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有：

（1）道路等級(jí)為城市主干路，設(shè)計(jì)速度50 km/h。

（2）汽車荷載為城-A級(jí)；人群荷載為3.6 kN/m2。

（3）抗震標(biāo)準(zhǔn)：地震基本烈度為6度；地震動(dòng)峰值加速度a=0.05g。

（4）安全等級(jí)：一級(jí)。（5）環(huán)境類別：Ⅰ類。

（6）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100 a。

（7）設(shè)計(jì)使用年限：100 a。

（8）設(shè)計(jì)基本風(fēng)速：25.6 m/s。

（9）通航標(biāo)準(zhǔn)：無(wú)通航要求，但需考慮游船通行，主跨預(yù)留2.5 m凈空高度。

2.2 橋梁總體布置

白水湖大橋主橋采用100 m+35 m=135 m的無(wú)背索斜拉橋，塔、墩、梁固結(jié)體系，雙索面豎琴形布置。引橋采用交通部30 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支變連續(xù)小箱梁。

白水湖規(guī)劃河口寬約265 m，由于現(xiàn)狀河口較寬（約400 m），為避免大量填湖，實(shí)施藍(lán)線寬約320 m，橋梁總長(zhǎng)按照345 m布置，其中西側(cè)引橋跨徑組合為4×30 m=120 m，東側(cè)引橋跨徑組合為3×30 m=90 m（見(jiàn)圖 2）。

橋梁橫斷面布置：0.3 m（欄桿）+3.2 m（人行道）+3.5 m（非機(jī)動(dòng)車道）+3 m（機(jī)非分隔帶）+15 m（機(jī)動(dòng)車道）+3 m（機(jī)非分隔帶）+3.5 m（非機(jī)動(dòng)車道）+3.2 m（人行道）+0.3 m（欄桿）=35 m（由南向北）（見(jiàn)圖 3）。

2.3 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 主梁

圖2 主橋立面布置圖（單位：mm）

主梁采用全鋼、全焊接、正交異性橋面板的縱橫梁格體系。梁高為2.4m（最高處），梁寬為35m。為了充分發(fā)揮主梁全截面的材料受力性能，除按常規(guī)在主梁兩側(cè)拉索區(qū)布置雙主梁外，在橋軸線上增設(shè)一道主梁，全橋?yàn)槿v梁，梁距為9.25m。順橋向每隔4 m設(shè)置一道中橫梁（縱梁之間）與外挑懸臂橫梁（縱梁之外），近橋塔處因塔梁固結(jié)的需要，將縱梁下翼緣聯(lián)成整體，形成閉合箱梁，提高其整體抗彎、扭能力。

2.3.2 主塔

主塔采用鋼箱結(jié)構(gòu)作為主要受力結(jié)構(gòu)，箱內(nèi)填充混凝土作為平衡重，同時(shí)通過(guò)焊釘?shù)扰c鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合成一體，部分參與結(jié)構(gòu)整體受力。主塔兩根塔柱平行布置，間距18.5 m。塔柱順橋向傾角為58°。兩根塔柱之間設(shè)置圓管形剛橫梁，橫梁鋼管直徑為2m。塔柱順橋向?qū)挾葹?.5 m（塔頂）~9.0m（塔底），橫橋向?qū)挾葹?.25 m。橋面上塔高85.8 m（鉛垂方向）。主塔塔壁鋼板厚度為20~30 mm，橫隔板厚度為12 mm。

2.3.3 斜拉索

斜拉索采用雙索面豎琴形布置，全橋共10對(duì)拉索，水平夾角28°。斜拉索采用整束預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)安裝的平行鍍鋅高強(qiáng)鋼絲斜拉索結(jié)構(gòu)。斜拉索索體防護(hù)采用熱擠雙層HDPE護(hù)套，主梁拉索錨固方式為板拉式，塔上設(shè)拉索張拉端。

2.3.4 主橋下部結(jié)構(gòu)

主橋塔、梁與主墩固結(jié)，塔（鋼結(jié)構(gòu)）與墩（混凝土結(jié)構(gòu)）結(jié)合段位于主梁下側(cè)，采用將主塔下端鋼結(jié)構(gòu)埋入墩身混凝土結(jié)構(gòu)的連接方式。埋入段鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)外兩側(cè)均設(shè)置剪力釘，以確保鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合牢靠。墩身內(nèi)設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力鋼束，鋼束采用單端張拉，張拉端設(shè)于主梁頂板上方，P錨端設(shè)于承臺(tái)內(nèi)。墩身截面為八邊形，縱橋向?qū)挾葹?1.5~14 m，橫橋向?qū)挾葹?.04~5.24 m，墩身高度為6.68 m。

主墩采用矩形承臺(tái)，兩個(gè)承臺(tái)間采用系梁連接。每個(gè)承臺(tái)厚度為4 m，縱橋向?qū)挾葹?9 m，橫橋向?qū)挾葹?1 m。為減小混凝土水化熱引起的不利影響，承臺(tái)內(nèi)設(shè)置冷卻管。

2.3.5 引橋結(jié)構(gòu)

引橋采用交通部預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支變連續(xù)小箱梁?？鐝綖?0 m，梁高為1 600 mm。

2.4 主橋施工方案

主橋無(wú)背索斜拉橋采用“先梁后塔”的施工方法，即采用支架法先完成主梁的施工架設(shè)，再逐節(jié)安裝塔節(jié)段，并張拉相應(yīng)的斜拉索，最后施工橋面及附屬結(jié)構(gòu)，完成主橋施工。

3 主橋結(jié)構(gòu)受力分析

無(wú)背索斜拉橋結(jié)構(gòu)新穎、受力復(fù)雜，其受力復(fù)雜性主要體現(xiàn)在：在無(wú)背索斜拉橋中，由斜拉索產(chǎn)生的水平力在塔根部需與斜塔的水平分力相平衡，同時(shí)需要依靠塔柱的傾斜來(lái)平衡橋面的恒載及活載，尤其是塔、墩、梁固結(jié)的節(jié)點(diǎn)區(qū)域，需承受巨大的軸力、剪力、彎矩及扭矩的共同作用。以下是白水湖大橋主橋的主要計(jì)算方法及計(jì)算結(jié)果。

3.1 計(jì)算模型

圖3 主橋橫斷面布置圖（單位：mm）

白水湖大橋主橋整體計(jì)算采用MIDAS/Civil 2012有限元分析軟件。其中塔與梁采用空間梁?jiǎn)卧?；斜拉索采用桁架單元，并根?jù)Ernst公式考慮拉索垂度影響下的彈模修正。有限元模型如圖4所示。

圖4 計(jì)算模型

3.2 成橋階段靜力計(jì)算

在無(wú)背索斜拉橋的設(shè)計(jì)中，首先要確定一個(gè)合理的成橋狀態(tài)，即通過(guò)索力、主塔自重等參數(shù)的調(diào)節(jié)，使結(jié)構(gòu)受力滿足某種理想狀態(tài)。該橋的成橋狀態(tài)控制目標(biāo)主要選擇以下幾個(gè)方面：

（1）控制主梁彎矩，盡量減小主梁彎矩，并且使主梁在恒載作用下的彎矩分布接近剛性支承連續(xù)梁。

（2）控制主塔彎矩，盡量減小塔內(nèi)彎矩。（3）控制拉索索力，使拉索索力分布較為均勻。（4）控制邊墩支座反力，確保其在最不利荷載作用下不出現(xiàn)負(fù)反力。

3.2.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

根據(jù)既定的成橋狀態(tài)控制目標(biāo)，利用MIDAS/Civil的未知荷載系數(shù)功能求出成橋索力，再利用影響矩陣法對(duì)索力進(jìn)行微調(diào)，最終得到一個(gè)較為合理的成橋受力狀態(tài)。主要內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5 恒載作用下彎矩分布圖

圖6 運(yùn)營(yíng)階段最不利組合彎矩包絡(luò)圖

圖7 成橋索力分布

根據(jù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，主梁在恒載作用下彎矩很小，并且接近剛性支承梁的彎矩分布；主塔在恒載作用下彎矩不大，塔底留有一定負(fù)彎矩，用以部分抵消運(yùn)營(yíng)階段活載對(duì)塔產(chǎn)生的正彎矩；拉索索力分布較為均勻；邊墩支點(diǎn)不出現(xiàn)負(fù)反力且有一定安全儲(chǔ)備。由此可見(jiàn)，成橋受力狀態(tài)控制較為合理。

3.2.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算

主橋在塔、梁鋼結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)階段主要應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 運(yùn)營(yíng)階段塔、梁應(yīng)力包絡(luò)圖

根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，主梁和主塔鋼結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為174 MPa，結(jié)構(gòu)受力滿足規(guī)范要求；拉索的最大拉應(yīng)力為641 MPa，最小拉應(yīng)力為479 MPa。最大拉應(yīng)力滿足不大于0.4 fpk=708 MPa，應(yīng)力幅為162 MPa，拉索受力滿足規(guī)范要求。

3.2.3 結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，恒載作用下，斜拉橋總體變形較小。在汽車和人群荷載的作用下，主梁的撓度為0.17 m，滿足《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D65-01—2007）中不大于L/400=0.25 m的要求，結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范要求。

3.3 施工階段靜力計(jì)算

在確定合理成橋狀態(tài)之后，需要制定合理的施工步驟，最終實(shí)現(xiàn)成橋合理的內(nèi)力狀態(tài)。該橋無(wú)背索斜拉橋采用“先梁后塔”的施工方法，主要施工過(guò)程如圖9所示。

施工過(guò)程分析采用倒拆法分析各個(gè)施工階段的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，再根據(jù)倒拆得到的斜拉索初拉力進(jìn)行正裝分析，并對(duì)倒拆法得到的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

圖9 施工過(guò)程示意圖

根據(jù)施工過(guò)程倒拆的計(jì)算結(jié)果，各施工階段鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為155 MPa，結(jié)構(gòu)受力滿足規(guī)范要求。

根據(jù)施工過(guò)程正裝計(jì)算結(jié)果，正裝計(jì)算得到的成橋索力與倒拆的初始階段拉索索力比較接近，誤差在1%以內(nèi)，施工階段分析結(jié)果可信。圖10為倒拆與正裝的成橋階段索力比較。

圖10 倒拆與正裝的成橋階段索力比較

3.4 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算

對(duì)主橋成橋后運(yùn)營(yíng)階段的整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，主橋無(wú)背索斜拉橋第一階屈曲模態(tài)為塔橫向彎曲，臨界荷載系數(shù)為5.6，穩(wěn)定系數(shù)大于4，滿足規(guī)范要求（見(jiàn)圖11）。

3.5 結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算

圖11 第一階屈曲模態(tài)

該工程橋址處地震基本烈度為6度；地震動(dòng)峰值加速度a=0.05g。對(duì)主橋結(jié)構(gòu)空間計(jì)算模型按E1和E2設(shè)防水準(zhǔn)進(jìn)行反應(yīng)譜分析，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的抗震性能。

根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果，在E1、E2地震作用下，塔、梁等鋼結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件均在彈性范圍內(nèi)工作，下部結(jié)構(gòu)及樁基強(qiáng)度均能滿足要求。

3.6 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計(jì)算

橋址處的設(shè)計(jì)風(fēng)速取25.6 m/s，根據(jù)計(jì)算成橋狀態(tài)的顫振檢驗(yàn)風(fēng)速 [vcr]=41.8 m/s，扭轉(zhuǎn)基頻為0.51 Hz，顫振臨界風(fēng)速vcr=114 m/s。成橋狀態(tài)的顫振臨界風(fēng)速遠(yuǎn)大于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，抗風(fēng)穩(wěn)定性滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)背索斜拉橋結(jié)構(gòu)受力相較傳統(tǒng)的斜拉橋更為復(fù)雜，且由于橋塔傾斜的緣故，施工難度較大；但因其優(yōu)美而獨(dú)特的景觀效果，正越來(lái)越多地得到工程界的應(yīng)用。本文以湖北孝感白水湖大橋?yàn)楸尘?，?jiǎn)單闡述了該橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路及計(jì)算方法，為同類工程提供參考。