剛性吊桿自錨式空間懸索結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

杜 鵬

（1.中船第九設(shè)計研究院工程有限公司，上海市 200063；2.上海海洋工程和船廠水工特種工程技術(shù)研究中心，上海市 200063）

1 概述

1.1 工程概況

剪影橋橋梁工程位于揚州市三灣公園內(nèi)，現(xiàn)狀古運河河道寬度約115 m，橋梁中心線與河道夾角為90°。橋梁工程設(shè)計起點樁號K0+116，終點樁號K0+284，全長168m，采用剛性吊桿自錨式空間懸索結(jié)構(gòu)，跨徑布置為（24+120+24）m=168 m。它借鑒了國家非物質(zhì)文化遺產(chǎn)——揚州剪紙，別出心裁地采用性格豪放的現(xiàn)代材質(zhì)和工藝，將剪紙藝術(shù)體現(xiàn)在橋梁之上。剪影橋總體立面圖如圖1所示。

圖1 剪影橋總體立面圖（單位：cm）

1.2 基本建設(shè)條件

1.2.1 自然地理

場地位于中緯度地帶，屬涼亞熱帶濕潤氣候，年平均降雨量1 033 mm，年平均蒸發(fā)量1 518 mm。潛水位年變幅最大為2.15 m，最小為0.84 m，高值一般出現(xiàn)在7—9月汛期，低值多出現(xiàn)在11—12月旱季。

1.2.2 地形地貌

場地位于長江下游沖積平原區(qū)，地貌類型屬三角洲平原的古河口沙嘴。橋址處古運河西岸為沙石堆場，地面高程約5.5 m，東岸為農(nóng)田，地面高程5.8～6.7 m。

1.2.3 地質(zhì)構(gòu)造

場地大地構(gòu)造位置處于我國大陸東部揚子準地臺蘇南隆起區(qū)的江都隆起部位。場地北側(cè)有蔣王-宜陵斷裂、西側(cè)有蔣王廟-酒甸斷裂，東側(cè)有鳳凰河斷裂穿過，其他斷裂離場地較遠。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，這些斷裂晚近期均未發(fā)現(xiàn)活動跡象，場地區(qū)域地質(zhì)穩(wěn)定較好。

1.3 主要技術(shù)標準

（1）人行橋。

（2）設(shè)計荷載為人群荷載，按《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》（CJJ 11—2011）取用。

（3）古運河Ⅵ級航道，航道寬25 m，通航凈空不小于4.5 m。

（4）抗震設(shè)防標準為7度,地震動峰值加速度0.15g。

（5）設(shè)計水位及設(shè)計洪水頻率：最低通航水位3.830 m，最高通航水位5.830 m，設(shè)計洪水頻率1/100。

（6）橋梁縱坡：橋面最大縱坡6%，最小豎曲線半徑（凸）R=300 m。

（7）斷面布置：2.0 m（左側(cè)人行道）+4~16 m（中部人行道）+2.0 m（右側(cè)人行道）=8~20 m。

2 主橋設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)體系設(shè)計

該橋采用剛性吊桿自錨式空間懸索結(jié)構(gòu)，跨徑布置為（24+120+24）m=168 m。主塔采用門式鋼框架，加勁梁采用鋼箱梁，加勁梁縱向為半漂浮體系，塔梁分離。邊跨兩側(cè)分別設(shè)置重力式錨錠壓重，主纜錨于錨錠上。懸索橋主纜為空間布置，由橫向拉索控制主纜橫向間距，其中跨中橫向間距10.0 m，漸變至主塔處27.2 m，主纜垂度14.34 m，垂跨比1/8.368。

2.2 索塔及塔座

鋼主塔采用門式框架形式，兩側(cè)塔柱中心距27.2 m，索塔全高26.85 m，為保證鋼塔整體穩(wěn)定性，距離塔底6 m高度范圍內(nèi)填充C50自密實微膨脹混凝土。塔頂處設(shè)置一道橫梁，塔底采用靴式柱腳與混凝土承臺相連。

塔柱采用鋼箱斷面，斷面尺寸為1.5m×1.5m，沿縱向設(shè)置T形加勁肋，豎向每隔約5.0 m設(shè)置一道橫隔板。主塔橫梁為截面尺寸1.5 m×1.5 m的正方形截面，橫梁頂、底板上縱向分別設(shè)置三道200 mm×20 mm加勁肋，橫梁中部設(shè)置四道橫隔板。塔柱底部采用靴式柱腳，每個柱腳用22個10.9級M42高強螺栓與塔底承臺連接，高強螺栓預(yù)拉力P=695 kN，柱腳外露部分高度0.3 m，螺栓在混凝土承臺中部分采用直徑56 mm PVC管材包裹，以利于螺桿受力。

2.3 纜索系統(tǒng)及鞍座

全橋主纜共2根，主跨跨徑120 m，主纜垂度14.34 m，矢跨比為 1/8.368，主纜規(guī)格采用FPES7-451（鋅-5%鋁-混合稀土合金鍍層）成品索，外徑191 mm，雙層護套結(jié)構(gòu)標準抗拉強度σb=1 770 MPa，主纜外包雙層PE（黑色內(nèi)層彩色外層）進行防護，錨固壓重錨錠上，錨固采用PESM7-451冷鑄錨錨固體系（見圖2）。

圖2 主纜斷面圖（單位：mm）

主纜在索塔頂設(shè)索鞍，全橋共設(shè)置4個索鞍。索鞍由鞍座及鞍座底座等組成。索鞍總高1.5 m，鞍座由鞍槽及鞍座座體組成，為ZG310-570鑄焊結(jié)構(gòu)。鞍座底座設(shè)于鋼塔塔頂，鞍座底座要求表面平整并具有足夠的豎向彎曲剛度。橋塔塔頂索鞍通過高強螺栓固定于橋塔頂部。索鞍外附6 mm厚Q345qC索鞍罩，索鞍罩與索鞍底鋼板通過角焊縫固定，以防雨雪進入鞍座。

2.4 索夾

索夾采用兩個鑄鋼半圓構(gòu)件，高強螺栓連接，由于吊桿力大小及索夾處主纜傾斜角不同，索夾的長度及對接所需螺栓數(shù)量也不同，全橋共有34對索夾，9種類型。索夾下端伸出部分與剛性吊桿采用高強螺栓連接（見圖3）。

圖3 索夾示意圖

2.5 橫向拉索與豎向臨時拉索

圖4 橫向拉索示意圖

圖5 豎向臨時吊桿示意圖

2.6 剛性吊桿

該橋采用剪紙拉花型剛性吊桿,剛性吊桿采用矩形鋼箱斷面，斷面尺寸為400 mm×800 mm。頂、底板厚12 mm，頂、底板整片設(shè)置，中部與頂、底板平行設(shè)置一道隔板，隔板厚10 mm，腹板厚14 mm。剛性吊桿頂部主纜間采用上弦桿連接，上弦桿采用矩形鋼箱斷面，變寬、變高設(shè)置，頂、底板及腹板厚度均為8 mm。

2.7 主梁

如圖6所示，主梁采用雙箱單室變截面鋼箱梁。道路中心線處梁高1.6m，橋面寬度由跨中8m變化至20 m，邊線呈圓弧線布置（R=303 m），在剛性吊桿處主梁設(shè)置懸挑翼緣與剛性吊桿連接。

圖6 主梁平面示意圖

鋼箱梁頂面設(shè)置雙向1%的橫坡，底面水平。除鋼混結(jié)合段外，其余節(jié)段頂、底板厚14 mm，腹板厚12 mm；鋼混結(jié)合段頂、底板厚18 mm，腹板厚16mm。每隔一段距離設(shè)置橫隔板及橫向剛性加勁，箱室內(nèi)橫隔板厚28 mm，橫向加勁板厚20 mm，橫隔板上設(shè)1.2 m×0.6 m的人孔。與橫隔板位置相對應(yīng)設(shè)置翼緣加勁板及雙箱的橫向聯(lián)系加勁板，板厚均為28 mm。

吊桿懸挑翼緣順橋向?qū)挾葹?.85 m，頂、底板與箱梁等厚14 mm，腹板厚14 mm，并根據(jù)懸挑長度的不同設(shè)置1~2道橫向連系加勁肋，厚10 mm。

2.8 壓重錨錠

兩岸壓重錨碇均采用重力式結(jié)構(gòu)。錨碇順橋向長6.5 m，寬32 m，高4.3 m，錨錠頂面與縱坡曲線平行?？紤]錨固系統(tǒng)壓重塊其下基礎(chǔ)除應(yīng)滿足地基承載力要求外，有較高的沉降要求，采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁＋素混凝土墊層+碎石墊層+整體式雙向鋼絲土工格柵處理的處理方式。

2.9 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

每個主塔下設(shè)矩形承臺，承臺橫橋向?qū)?.5 m，順橋向長6.5 m，厚2.5 m。承臺采用C35混凝土，墊層采用20 cm厚C20混凝土墊層和50 cm厚碎石墊層。單個承臺下布置兩根1.5 m的鉆孔灌注樁，樁長51 m，順橋向樁中心距4 m，樁基混凝土采用C30水下混凝土。

主梁主墩由兩根獨立的樁柱式橋墩組成，橫橋向間距8.2 m，橋墩直徑1 m，橋墩高度2.79 m，下接直徑1.2 m的鉆孔灌注樁，樁長33 m，樁基混凝土采用C30水下混凝土。

2.10 施工步驟

施工步驟[4]如圖7所示。

圖7 施工步驟

3 計算分析

3.1 計算模型

分析程序采用MIDAS/Civil 2015進行計算，加勁梁、主塔、剛性吊桿以及上橫梁采用空間梁單元，主纜采用只受拉單元，橫向拉索與臨時吊桿采用桁架單元。模型共計梁單元2 796個，只受拉單元40個，桁架單元49個[1]（見圖8）。

圖8 MIDAS模型圖

3.2 靜力分析結(jié)果

3.2.1 主纜

主纜最小拉力6 161 kN，應(yīng)力352 MPa，位于中跨跨中，最大拉力12 778 kN，應(yīng)力735 MPa，位于邊跨靠近塔頂處，主纜最小安全系數(shù)不小于2.4[2]。

3.2.2 橫向拉索

橫向拉索最大拉力為370 kN，應(yīng)力為682MPa，位于中跨靠近主塔處，安全系數(shù)不小于2.4，最小拉力為88 kN，應(yīng)力為233 MPa，出現(xiàn)在中跨跨中處，安全系數(shù)不小于7.1。

3.2.3 豎向臨時拉索

豎向臨時拉索最大張拉力為324 kN，應(yīng)力為402 MPa，位于中跨靠近主塔處，安全系數(shù)不小于2.5，最小張拉力為140 kN，應(yīng)力為174 MPa，位于中跨跨中處，安全系數(shù)不小于5.9。

主纜、橫向拉索與豎向臨時拉索應(yīng)力示意圖如圖9所示。

3.2.4 主塔

主塔最大受力截面位于距離塔底6 m處，此處為鋼混結(jié)合與鋼結(jié)構(gòu)分界段，承載能力最大應(yīng)力為107.14 MPa，塔底承載能力最大應(yīng)力為89.2 MPa，塔頂在成橋后最大偏移為40 mm。

3.2.5 加勁梁

主梁加勁梁軸向壓力變化不大，彎矩從跨中中心到中支點處變化較大。上緣最大拉應(yīng)力為102.7MPa，位于主梁支點處，最大壓應(yīng)力為37.7MPa，位于中跨跨中處。下緣最大壓應(yīng)力為133 MPa，位于主梁支點處，最小壓應(yīng)力為36 MPa，位于中跨跨中處。相關(guān)示意圖如圖10～圖12所示。

圖10 主梁軸力示意圖

圖11 主梁彎矩示意圖

圖12 主梁應(yīng)力示意圖

3.2.6 剛性吊桿

剛性吊桿為最終替代豎向臨時拉索的受力結(jié)構(gòu)，其最大受力部位位于靠近主塔的第二個X桿件端部，最大拉應(yīng)力為198 MPa，跨中附近X吊桿拉應(yīng)力均很小，最大拉應(yīng)力為42 MPa（見圖13）。

3.2.7 撓度

加勁梁中跨跨中最大正負撓度分別為18 mm和 70 mm，最大正負撓度之和為 δ=88 mm，δ/L=1/1 363，剛度滿足規(guī)范要求[3]，主塔塔頂順橋向最大計算偏位為40 mm，指向跨中方向。

圖13 X吊桿應(yīng)力示意圖

4 使用情況

剪影橋自2018年1月30日開放運營以后，使用情況基本正常，且竣工前委托中設(shè)設(shè)計集團股份有限公司進行了荷載試驗，并出具了荷載試驗報告，報告結(jié)論復(fù)合相關(guān)要求，總體安全可靠，滿足正常使用條件（見圖14）。

圖14 現(xiàn)狀照片圖

5 結(jié)語

剪影橋作為獨特的空間懸索與桁架結(jié)合的組合橋梁，成為揚州三灣的標志性建筑，代表了揚州的獨特文化。大膽和獨特的設(shè)計理念在國內(nèi)屈指可數(shù)，也為此類組合橋型的可行性奠定了基礎(chǔ)，提供了可借鑒的參考依據(jù)，證明了這種結(jié)構(gòu)體系的可靠性，為今后更多的組合橋梁做出了貢獻。