楊灣河特大橋總體設(shè)計(jì)

李邦映

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司 合肥市 230088; 2.公路交通節(jié)能與環(huán)保技術(shù)及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心 合肥市 230088)

1 工程概況

楊灣河特大橋是G347安九二期望江至宿松段一級(jí)公路上的一座特大橋，是項(xiàng)目的主要控制性工程之一，在楊灣閘下游240m處跨越楊灣河，距入江口1.2km。

橋位處地貌單元為沖擊平原，微地貌單元為河流和沖溝，河流堤岸間距197m，橋位周邊現(xiàn)為村莊、農(nóng)田。橋位區(qū)范圍內(nèi)無(wú)活動(dòng)斷裂和新構(gòu)造活動(dòng)痕跡，地質(zhì)構(gòu)造條件穩(wěn)定；場(chǎng)地各土層分布較穩(wěn)定，巖面起伏較小，均勻性較好，特殊性巖土主要有填土和軟土，軟土深度達(dá)到3～8m，基巖為中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，埋深50～63m。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)道路等級(jí)：雙向四車道一級(jí)公路。

(2)設(shè)計(jì)車速：80km/h。

(3)汽車荷載：公路-I級(jí)[1]。

(4)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年。

(5)橋面寬度：27.0m。

(6)通航等級(jí)：Ⅶ級(jí)，最高和最低通航水位分別為16.31m和4.80m，通航凈高不小于4.5m。

(7)基本地震動(dòng)峰值加速度：0.05g，抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度。

(8)環(huán)境類別：Ⅰ類。

3 總體設(shè)計(jì)

3.1 方案構(gòu)思

防洪和通航兩方面的要求基本決定了楊灣河特大橋主跨跨徑。防洪方面，項(xiàng)目處于長(zhǎng)江華陽(yáng)河蓄滯洪區(qū)內(nèi)，楊灣河為興建楊灣閘時(shí)開挖的新河，河槽窄深，連接長(zhǎng)江，河道兩側(cè)堤防均為同馬大堤，堤后設(shè)30m寬壓浸臺(tái)，橋梁建設(shè)不得影響堤防安全，河道內(nèi)側(cè)無(wú)法設(shè)置橋墩，需要一孔跨越。通航方面，楊灣河航道規(guī)劃等級(jí)為Ⅶ級(jí)，在現(xiàn)有楊灣閘附近存在規(guī)劃船閘，規(guī)劃引航道位于堤防外側(cè)，橋跨布置時(shí)既要避讓主航道，也需要預(yù)留引航道位置。為滿足防洪和通航要求，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形并考慮承臺(tái)尺寸和施工需求，主跨跨徑不小于362m，實(shí)際取為365m，一孔跨越河道和壓浸臺(tái)。

橋梁方案的經(jīng)濟(jì)性在該項(xiàng)目中要求較高，同時(shí)橋位周邊人口較為密集，對(duì)景觀有一定要求，通過(guò)方案比選，考慮造價(jià)、施工、運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)等因素，并征得各方同意后，最終選擇經(jīng)濟(jì)合理、簡(jiǎn)潔美觀、易于施工、便于養(yǎng)護(hù)的混凝土斜拉橋。

由于邊跨位于河道外，邊跨跨徑的考慮因素主要是結(jié)構(gòu)受力平衡和造價(jià)經(jīng)濟(jì)，邊跨采用160m跨徑，邊、中跨比為0.4384，在兩側(cè)邊跨分別設(shè)置一座輔助墩，以增加橋梁的整體剛度。

經(jīng)進(jìn)一步研究后，楊灣河特大橋推薦采用(60+100+365+100+60)m混凝土斜拉橋，見圖1和圖2。

3.2 主梁

圖1 橋型布置圖(單位：m)

圖2 橋梁效果圖

相比箱形斷面，肋板式截面雖然抗彎和抗扭剛度比較低，但構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，施工較為方便，工期能夠縮短[1]，因此主梁采用肋板式截面，見圖3，全寬27.5m，與跨徑之比達(dá)1/13.32；主梁外邊緣處高2.4m，與跨徑之比達(dá)1/152.08；頂板厚度為0.3m，設(shè)置了雙向2%橫坡。標(biāo)準(zhǔn)段主縱梁?jiǎn)蝹?cè)底寬2m，為增加主梁橫橋向剛度、降低順橋向開裂的幾率，在頂板中間增設(shè)了一道小縱梁。邊跨現(xiàn)澆段主梁由于壓重需要，為避免加寬主縱梁或采用板式結(jié)構(gòu)，采用雙邊箱截面。

主梁普通節(jié)段長(zhǎng)度均為8m，采取懸澆方式施工；72.7m長(zhǎng)邊跨和0#、1#塊均采用支架現(xiàn)澆。考慮到斜拉橋掛籃懸澆施工的空間需求，中跨合龍段比邊跨合龍段長(zhǎng)1m，長(zhǎng)度達(dá)到3m，采用吊架現(xiàn)澆施工。

圖3 主梁肋板式截面圖(單位：cm)

橫梁與斜拉索基本對(duì)應(yīng)，標(biāo)準(zhǔn)間距均采用8m，按照馬蹄型截面設(shè)計(jì)，橫梁最小厚度達(dá)0.4m。在主梁邊跨現(xiàn)澆段，為對(duì)應(yīng)斜拉索布置和增加壓重，橫梁間距調(diào)整為5.2m，腹板厚變?yōu)?.5m。主塔牛腿和各墩位置對(duì)應(yīng)橫梁寬度均采用2.4m。

主梁采用C55混凝土。

3.3 主塔

主塔立面造型采用花瓶式，總高110m，上塔柱高59m，保持豎直；中、下塔柱高分別為39m和12m，斜率均為1∶0.0962，為了節(jié)約造價(jià)、利于施工、縮短工期、便于維護(hù)，主塔采用了箱形截面，斜拉索在塔端采用側(cè)壁方式錨固。主塔立面圖見圖4。

上塔柱順、橫橋向?qū)挾确謩e為7m和4m，塔壁厚度分別為1.2m和0.8m，截面四周設(shè)0.5m×0.5m倒角。中、下塔柱均按照變截面設(shè)計(jì)，中塔柱在順橋向由上而下從7m線性加寬到8.5m，橫橋向保持4m寬不變，塔壁厚度與上塔柱相同；下塔柱在順橋向由上而下從8.5m線性加寬到10m，橫橋向由4m線性加寬到7m，塔壁厚度在順橋向由1.2m加大到1.6m，在橫橋向由0.8m加大到1.2m。塔底設(shè)2m厚基座。

中、上塔柱過(guò)渡位置附近設(shè)置了上橫梁，箱形截面，截面高、寬和箱室壁厚分別采用5m、5.4m和0.8m。由于下塔柱較矮，為減小溫度效應(yīng)的影響，不設(shè)下橫梁，通過(guò)設(shè)置牛腿安放豎向支座和阻尼，牛腿橫橋向長(zhǎng)4.115m，順橋向?qū)?m，端部高4m、根部高5.5m。

主塔每根塔柱下設(shè)順橋向?qū)?2.95m、橫橋向?qū)?6.7m、高6m的矩形承臺(tái)，承臺(tái)之間設(shè)置寬7m的系梁，單座主塔下共設(shè)置了26根直徑2.5m的摩擦樁。

圖4 主塔立面圖(單位：cm)

塔柱和承臺(tái)、樁基分別采用C50、C35和C30水下混凝土。

3.4 斜拉索

斜拉索按照扇形進(jìn)行布置，橫向雙索面，在主梁上的間距從主跨到邊跨分別采用8m和5.2m，在主塔上的間距由下到上分別采用2m和1.5m，錨固在主梁底部和主塔內(nèi)壁混凝土齒塊上。

斜拉索采用公稱直徑15.2mm、標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1860MPa的單絲涂覆環(huán)氧涂層鋼絞線。斜拉索在單塔、單索面處共22對(duì)，全橋共88對(duì)，型號(hào)有31、34、37、43、55、61、73七種。

通過(guò)對(duì)全橋斜拉索自振頻率的計(jì)算，在主梁位置均設(shè)置了阻尼減振裝置。

3.5 輔助墩、過(guò)渡墩

輔助墩為分離式矩形柱式墩，墩柱橫橋向中心間距為21m，截面寬度在順、橫橋向分別為3m和2.8m。輔助墩基礎(chǔ)采用寬8.5m正方形承臺(tái)，厚度達(dá)到3m，單座橋墩下設(shè)置了4根直徑2m的摩擦樁。

過(guò)渡墩采用柱式墩，橫橋向共設(shè)置四根矩形墩柱，中心間距采用6.6m，順、橫橋向分別寬2.4m和2.2m，為平衡受力，墩柱中心向主橋側(cè)偏0.35m，為便于與引橋上部結(jié)構(gòu)順接過(guò)渡，蓋梁頂部設(shè)置了L型階梯。過(guò)渡墩基礎(chǔ)采用順、橫橋向分別寬8.5m和23.5m、高3m的啞鈴型承臺(tái)，單個(gè)承臺(tái)下設(shè)置了8根直徑2m的摩擦樁。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

斜拉橋的整體計(jì)算通過(guò)建立有限元空間模型進(jìn)行，見圖5。梁、塔和斜拉索分別采用空間梁?jiǎn)卧椭皇芾鲉卧M(jìn)行模擬，斜拉索通過(guò)剛性連接或共節(jié)點(diǎn)分別與梁、塔固定?？傮w設(shè)計(jì)中要求采用先塔后梁的施工方案，計(jì)算模型中模擬了主要施工步驟。

圖5 整體計(jì)算有限元模型

4.1 主要參數(shù)

橋梁整體計(jì)算嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，除了計(jì)入結(jié)構(gòu)重力、預(yù)應(yīng)力、斜拉索張拉力、混凝土收縮徐變和公路-I級(jí)汽車荷載外，還包括了以下主要作用[2-4]：

(1)均勻溫度：橋位處最高、最低有效溫度標(biāo)準(zhǔn)值分別為34℃、-3℃，合龍溫度按照18℃±3℃考慮，體系升溫取19℃，體系降溫取-24℃。

(2)主梁梯度溫度：橋面瀝青混凝土鋪裝層厚度為12cm，主梁正溫差采用非線性梯度溫度14℃、5.5℃、0℃，反溫差取正溫差的-0.5[1]。

(3)斜拉索與塔、梁之間的溫差作用：±10℃。

(4)塔梯度溫度：±5℃。

(5)基礎(chǔ)豎向變位：塔處按照0.02m確定，其他橋墩處按照0.01m確定。

(6)風(fēng)荷載：1/100和1/10基本風(fēng)速分別為27.1m/s和20.2m/s；參與汽車荷載組合時(shí)的橋面高度處風(fēng)速為25m/s。

4.2 持久狀況下，斜拉橋主要計(jì)算結(jié)果

(1)主塔在頻遇組合下全截面受壓，塔底和中、下塔柱過(guò)渡位置最小壓應(yīng)力分別為2.2MPa和0.9MPa，塔身混凝土不會(huì)開裂。

(2)主梁在頻遇組合下完全受壓，壓應(yīng)力最小達(dá)到0.7MPa，主拉應(yīng)力最大僅為0.24MPa，主梁正截面和斜截面均不會(huì)產(chǎn)生裂縫。主梁在標(biāo)準(zhǔn)值組合下，截面上、下緣壓應(yīng)力最大分別達(dá)到16.5MPa和17.4MPa，主壓應(yīng)力最大達(dá)到17.5MPa。

(3)主、邊跨側(cè)斜拉索最大應(yīng)力分別為735MPa和726MPa，安全系數(shù)最小為2.53；應(yīng)力幅分別達(dá)到82MPa和77MPa，低于允許值。

(4)在不計(jì)沖擊力的汽車荷載作用下的主梁計(jì)算撓度為212mm，遠(yuǎn)小于主跨跨徑的1/500即730mm。

(5)整體穩(wěn)定性

考慮汽車荷載、風(fēng)荷載和結(jié)構(gòu)重力等組合后的第一類穩(wěn)定安全系數(shù)最小為6.48，超過(guò)4。

(6)抗震性能

分別采用多振型反應(yīng)譜法和非線性時(shí)程法進(jìn)行斜拉橋抗震分析，主塔、支座、阻尼等構(gòu)件均能達(dá)到A類橋梁抗震設(shè)防目標(biāo)，在E1地震作用下不發(fā)生損傷，在E2地震作用下可產(chǎn)生輕微損傷、不需修復(fù)或簡(jiǎn)單修復(fù)。

綜上所述，斜拉橋受力符合規(guī)范[4-6]要求。

5 結(jié)語(yǔ)

為滿足防汛安全和航道規(guī)劃的需要，并充分考慮降低工程造價(jià)、減少施工難度和易于維護(hù)等方面，G347安九二期望江至宿松段一級(jí)公路楊灣河特大橋采用(60+100+365+100+60)m混凝土斜拉橋，半漂浮體系，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔美觀，橋梁跨徑在同類型斜拉橋中位居前列，技術(shù)上有一定復(fù)雜性，可供類似項(xiàng)目參考。

楊灣河特大橋作為項(xiàng)目的主要控制性工程之一，其快速推進(jìn)將有利于促進(jìn)沿線地區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展等目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)，建成后作為當(dāng)?shù)貣|西向交通的重要門戶，將成為當(dāng)?shù)貥?biāo)志性建筑。