宜賓鹽坪壩長江大橋寬橋面組合梁設計

蔣建軍，田 波，文 凱

（四川省交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設計研究院，四川 成都 610041）

0 引言

斜拉橋的主梁按照材料和結構類型劃分有混凝土梁、鋼箱梁、鋼桁梁、鋼混組合梁(又稱疊合梁、結合梁)；當鋼梁與混凝土梁混合使用時，稱為混合梁[1]?；炷亮河捎谧灾卮?，適用于跨徑500 m以下且橋面不寬的斜拉橋[1]。鋼箱梁自重輕、抗震和抗風性能好，且便于架設，適用于600 m以上跨度的斜拉橋。鋼桁梁可采用散件拼裝，適用于建橋條件困難的山區(qū)；且剛度大，也適用于雙層橋面的斜拉橋。鋼混組合梁與混凝土梁相比，具有自重較輕、架設工法多、耐久性好的特點，跨越能力更強[2]，適用跨徑為400～650 m的斜拉橋。鋼混組合梁斜拉橋與鋼斜拉橋相比，由于利用混凝土橋面板受壓，橋塔附近主梁的抗壓性能得到改善；橋梁抗彎與整體剛度加大，有利于抗風穩(wěn)定；增大了橋面局部剛度，很好地避開了鋼箱梁鋼橋面疲勞及橋面鋪裝易損壞的問題[2]；且用鋼量少，經(jīng)濟性較好。

我國從1991年建成主跨423 m的南浦大橋以來，鋼混組合梁斜拉橋良好的受力性能和經(jīng)濟性逐漸得到認可。目前國內已建和在建的跨度大于400 m的鋼混組合梁斜拉橋有近20座，最大跨徑為2016年建成的望東長江大橋，其主跨為638 m[2]。鋼混組合梁斜拉橋最主要的問題是混凝土橋面板的抗裂性差[3]，在寬橋面斜拉橋的表現(xiàn)更加突出?；炷翗蛎姘逋ǔ２捎娩摻罨炷两Y構，在跨中或邊跨梁端順橋向軸壓力小，一般設置縱向預應力[5]；由于橋面板較薄，且橫梁間距小，以縱向受力為主，一般不設置橫向預應力體系；在單索面的組合梁斜拉橋中偶有使用，如東海大橋[4]。橋面板在車輛荷載、收縮徐變、泊松效應、拉索錨固力、溫度梯度等作用下，在順橋向和45°斜向可能出現(xiàn)裂縫[3，5-7]。寬橋面鋼混組合梁的剪力傳遞有明顯剪力滯后效應，導致混凝土橋面板與鋼主梁相接處的應力明顯高于截面中心處[8]，易導致橋面板在縱梁腹板附近產(chǎn)生順橋向裂縫。因此，大跨度斜拉橋寬橋面組合梁設計需要綜合考慮各方面因素，選擇合理斷面型式，協(xié)調混凝土橋面板、主縱梁、鋼橫梁之間的剛度，優(yōu)化節(jié)段長度與鋼橫梁的間距，使得主梁各部位在順橋向、橫橋向均能合理分配內力，有效控制主梁各部位的應力和整體剛度。

1 概況

1.1 工程概況

宜賓鹽坪壩長江大橋連接四川省宜賓市臨港經(jīng)濟開發(fā)區(qū)和鹽坪壩組團，位于三江口(金沙江與岷江匯合成為長江)下游約6.3 km處，是長江上游第二座跨江大橋。主橋為雙塔空間索面混合梁斜拉橋，跨徑布置為45 m+51 m+97 m+480 m+97 m+51 m+45 m，半漂浮支承體系，橋梁立面見圖1，效果圖見圖2。中跨采用鋼混組合梁、邊跨采用預應力混凝土梁，鋼混結合段位于中跨索塔附近彎矩較小處，鋼混結合面設置在距索塔中心線10.5 m處，鋼混過渡段總長度為10 m。中跨橋面寬度40 m，包含2.0 m人行道、1.0 m拉索區(qū)、2.5 m非機動車道，半幅凈寬12.5 m車行道，以及護欄和分隔帶，見圖3；邊跨橋面受立交匝道接入影響而漸變加寬。主橋采用弧形混凝土索塔、環(huán)氧涂層鋼絞線斜拉索。兩岸各設21對斜拉索，中跨名義索間距為10.5 m和11.1 m。

圖1 橋梁立面圖（單位：cm）

圖2 主橋效果圖

圖3 組合梁橫斷面（單位：cm）

1.2 主要技術標準

（1）道路等級：雙向6車道城市快速路，設計速度80 km/h；

（2）設計荷載：城—A 級，人群 2.5 kN/m2；

（3）抗震設防：地震基本烈度Ⅶ度，地震動峰值加速度系數(shù)為0.10g；

（4）橋梁設計基準期：100 a；

（5）主體結構設計使用年限：100 a；

（6）橋梁設計安全等級：一級；

（7）航道等級：Ⅰ-（3）級；

（8）基本風速：24.3 m/s（100 a重現(xiàn)期）。

2 組合梁設計關鍵技術

2.1 主梁斷面選型

隨著城市經(jīng)濟發(fā)展，交通量大幅增長，考慮過江通道的稀缺性，大橋的車道數(shù)常采用雙向6車道或8車道，橋面寬度越來越大。寬橋面組合梁斜拉橋的主梁受力復雜，混凝土橋面板的抗裂問題突出，選擇受力性能良好的截面是關鍵。根據(jù)統(tǒng)計，大跨度寬橋面組合梁斜拉橋的主梁斷面型式主要有5種類型：雙“工”字形鋼梁+混凝土板[5]；雙鋼箱梁+混凝土板[2]；PK型分離雙箱鋼+混凝土板[6]；閉口鋼箱+混凝土板[9]；鋼桁梁+混凝土板[10]。我國已建成或在建的主跨400 m以上鋼混組合梁斜拉橋的主梁斷面型式見表1。

雙“工”字形鋼梁+混凝土板構成的組合梁型式具有自重輕、構造簡單、安裝方便、便于拉索錨固的特點[2]，在多數(shù)大跨度組合梁斜拉橋上使用。雙鋼箱梁+混凝土板構成的組合梁型式具有主梁抗彎、抗扭剛度大，鋼板厚度適當?shù)奶攸c[2]，適用于橋面寬度30m以上的大跨度斜拉橋。PK型分離雙箱鋼+混凝土板構成的組合梁型式具有抗彎、抗扭剛度大，橫向撓度小，抗風穩(wěn)定性好的特點，適用于受臺風影響的大跨度斜拉橋[11]。閉口鋼箱+混凝土板構成的組合梁型式具有整體剛度大，抗風穩(wěn)定性好，耐腐蝕性好的特點[9]，適用于跨海大橋。鋼桁梁+混凝土板構成的組合梁型式具有整體剛度大，便于安裝的特點，缺點是抗風性能稍差，適用于公鐵兩用雙層橋梁[2]。

宜賓鹽坪壩長江大橋位于丘陵開闊地帶，100 a重現(xiàn)期的基本風速為24.3 m/s，抗風問題不突出。主梁采用雙鋼箱梁+混凝土板構成的組合梁時，在0°、+3°、-3°三種風攻角下，懸臂施工階段最小顫振臨界風速為81.2m/s，顫振檢驗風速52.02 m/s；成橋階段最小顫振臨界風速為96.5 m/s，顫振檢驗風速56.54 m/s，抗風穩(wěn)定性均較好。由于主梁外形為開口板梁，且橋面寬度大，有規(guī)律的漩渦脫落將可能激發(fā)主梁豎向振動，需要采取工程措施抑制主梁豎向渦激振動。

中跨組合梁的橋面寬度達到40 m，需要主縱梁具有較大抗扭剛度為鋼橫梁提供有效支承，減小橋面橫向下?lián)?。另外，若主縱梁采用“工”字形鋼梁，經(jīng)計算，底板厚度需要采用100 mm，鋼材采用Q370qD，使得節(jié)段之間無論采用焊接還是高強螺栓連接均不能保證質量。

經(jīng)綜合分析，宜賓市鹽坪壩長江大橋最終采用雙鋼箱梁+混凝土板構成的組合梁型式。

2.2 鋼混組合梁構造設計

雙鋼箱梁+混凝土板構成的組合梁常由鋼箱主縱梁、鋼橫梁、小縱梁、混凝土橋面板組成?；炷翗蛎姘迮c鋼箱主縱梁、鋼橫梁之間采用剪力釘連接。

表1 我國主跨400 m以上組合梁斜拉橋的主梁斷面型式

宜賓鹽坪壩長江大橋的組合梁節(jié)段長度為10.5 m、11.1 m，跨中合龍段長度7 m。節(jié)段內鋼橫梁道數(shù)與主梁斷面型式和橋寬有關，一般為3.0～4.5 m（如椒江二橋橫梁標準間距為3.0 m、泉州灣跨海大橋為3.5 m、楊浦大橋為4.5 m）。本橋的橋面寬度達40 m，且為貨運主通道，具有重載交通特點；因此，每節(jié)段設置3道鋼橫梁，間距為3.5 m、3.7 m。設計過程中曾考慮設2道鋼橫梁，間距為5.25 m、5.55 m，其結果是橋面板厚度需增大至32 cm，鋼橫梁需要加高至3 m，恒載增加過多，結構受力不合理。橫橋向設3道工字鋼小縱梁，間距8 m，左右對稱布置。為提高鋼主縱梁的抗彎、抗扭剛度，梁高取3.5 m（含混凝土橋面板）。鋼箱主縱梁標準寬度2 m，橋塔附近受力較大，逐漸加寬至3 m，鋼板均采用Q370qD鋼材。鋼箱主縱梁頂板厚度16 mm，設三道縱向加勁肋，在變寬段逐漸增加至5道。腹板厚度為20 mm，在橋塔附近加厚至24 mm，設三道縱向加勁肋。底板厚度從跨中段的16 mm逐漸加厚至橋塔附近的50 mm，底板上布置3道縱向加勁肋。為提高腹板和底板的受壓局部穩(wěn)定性，鋼箱主縱梁內每個節(jié)段等距設置6道橫隔板，間距為1.75 m（橋塔附近）、1.85 m（跨中附近）、2 m（跨中合龍段），橫隔板厚度16 mm。

鋼橫梁腹板與主縱梁之間通過高強螺栓連接。橫梁采用工字形斷面，跨中鋼梁高度2 620 mm（橋塔附近）、2 640 mm（跨中附近）。鋼橫梁底面保持水平，頂面隨橋面設置橫坡。鋼橫梁的腹板設置縱向、橫向加勁肋，與小縱梁對應位置的橫向加勁肋預留螺栓孔與小縱梁連接。小縱梁用于為澆筑橋面板濕接縫提供支承，為工字形斷面，梁高500 mm，寬度500 mm，翼板和腹板厚度均為16 mm。腹板通過高強螺栓連接在鋼橫梁腹板橫肋上，見圖4。

圖4 小縱梁與橫梁連接構造（單位：mm）

對應橫梁位置，在主梁外側設置挑梁。挑梁采用工字形鋼梁，長度2 000 mm，端部高度320 mm，根部高度760 mm。挑梁與鋼主縱梁焊接連接。

大跨度鋼混組合梁斜拉橋主梁標準斷面的混凝土橋面板厚度一般為23～28 cm（如香港汀九大橋預制橋面板厚為23 cm[10]，青州閩江大橋為25 cm，武漢二七長江大橋為26 cm，望東長江大橋為28 cm[2]），橫橋向在主縱梁腹板附近加厚，順橋向在橋塔附近局部加厚?；炷翗蛎娌捎妙A制安裝，在鋼主縱梁、小縱梁、鋼橫梁頂面設置濕接縫，要求預制板的存梁時間不少于6個月。預制橋面板采用C60混凝土，濕接縫采用補償收縮的C60鋼纖維混凝土。根據(jù)分析計算，宜賓市鹽坪壩長江大橋的預制混凝土橋面板厚度取26 cm，在橋塔附近加厚至28 cm。橫橋向，混凝土橋面板在鋼主縱梁處為負彎矩，且在斜拉索巨大順橋向水平壓力下，混凝土橋面板泊松效應明顯，因此，為了防止橋面板開裂，需要提高截面面積和剛度，在鋼主縱梁頂面處加厚至40 cm?？缰懈浇崩黜槝蛳蛩椒至Φ暮狭π?，橋面板壓應力儲備不足，因此需要設置縱向預應力?？v向預應力采用9根φs15.2預應力鋼束，跨中布置26對，向橋塔方向逐根下彎，依次設置齒塊錨固在橋面板底面。

2.3 索梁錨固構造

對于主梁為雙鋼箱梁+混凝土板的組合梁斜拉橋，索梁錨固方式有三種：（1）錨固在外腹板外側的鋼錨箱上；（2）錨固在鋼箱主縱梁內的鋼錨箱上；（3）錨固在與腹板對應的錨拉板上。本橋斜拉索最大索力達到8 532.8 kN，且拉索橫橋向與水平面的最小夾角為82.785°，即斜拉索與鉛垂線的偏角為7.215°，采用錨拉板錨固或單側腹板外側鋼錨箱錨固時，內外側腹板受力差異大，且存在厚板焊接與鋼板層狀撕裂問題，因此采用鋼箱內錨固。鋼箱內的鋼錨箱由錨墊板、錨箱底板、承壓板、索導管、加勁肋組成，索力通過錨箱底板傳遞至承壓板，然后傳遞至鋼主縱梁的兩側腹板，進而傳遞至主梁斷面，傳力途徑明確，結構受力均勻，見圖5。

3 主要計算結果

本橋采用Midas Civil和Wiseplus空間有限元分析軟件分別建立全橋空間模型進行計算。鋼橫梁及其上的橋面板采用單獨建模分析，鋼橫梁與鋼主縱梁之間采用螺栓連接，邊界條件采用簡支模擬。半橋單梁半橋空間網(wǎng)格模型見圖6。

圖5 索梁錨固構造（單位：mm）

圖6 全橋計算模型

3.1 施工期與成橋階段組合梁主要計算結果

施工期與成橋階段組合梁順橋向正應力計算結果：（1）中跨組合梁混凝土橋面板拉應力最大值1.6 MPa，壓應力最大值 9.8 MPa；（2）竣工狀態(tài)及收縮徐變后，中跨組合梁橋面板未出現(xiàn)拉應力，壓應力最大值為9.3/7.3 MPa；（3）施工階段中跨組合梁鋼板應力最大值為153.1 MPa壓應力；（4）竣工狀態(tài)及收縮徐變后，中跨組合梁鋼板應力最大值為126.1/153.1 MPa壓應力。

3.2 運營期組合梁主要計算結果

運營期組合梁順橋向正應力計算結果：（1）標準組合下中跨組合梁混凝土橋面板拉應力最大值1.4 MPa，壓應力最大值 10.8 MPa；（2）標準組合下中跨組合梁鋼板拉應力最大值64.5 MPa，壓應力最大值202.9 MPa；（3）承載力組合下中跨組合梁鋼板拉應力最大值101.5 MPa，壓應力最大值258.0 MPa。汽車荷載作用下，主梁豎向撓度最大值為-340 mm，剛度滿足要求。

3.3 鋼橫梁(帶橋面板)橫向計算結果

鋼橫梁與混凝土橋面采用剪力釘連接，為鋼混組合結構。橫向分析時，考慮自重、汽車荷載、整體升溫或降溫、梯度溫度、收縮徐變。不計斜拉索橫橋向水平分力的情況下，計算結果見表2。

由表2可知：在恒載、汽車荷載作用下，混凝土橋面板均受壓，鋼梁上緣受壓、下緣受拉；而在溫度梯度、混凝土收縮及徐變作用下，橋面板橫橋向均產(chǎn)生了拉應力；在最不利標準組合時，橋面板上緣拉應力為1.73 MPa，下緣拉應力為2.61 MPa；鋼梁上緣最大壓應力為155.0 MPa，鋼梁下緣最大拉應力為163.5 MPa。因此，混凝土橋面板橫橋向鋼筋配筋需要加強，以抵抗2.61 MPa的拉應力。

表2 鋼橫梁與混凝土橋面橫向應力結果

4 結語

宜賓鹽坪壩長江大橋主跨480 m，邊跨193 m，邊中跨比為0.402，中跨橋寬40m，雙向6車道，基本風速為24.3 m/s（100年重現(xiàn)期），地震動峰值加速度系數(shù)為0.10g。中跨選用雙鋼箱梁+混凝土橋面板組合梁，邊跨采用預應力混凝土梁；鋼混組合梁外腹板處梁高3.5 m，節(jié)段采用10.5 m、11.1 m，橫梁間距采用3.5 m、3.7 m，橋面板厚度26 cm，索梁錨固在鋼箱梁內部的鋼錨箱上。通過空間分析計算，鋼主縱梁、混凝土橋面板、鋼橫梁的應力均控制在合理范圍內，主梁剛度滿足要求。