揭陽大橋主橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

魏朝柱，何 海，梁立農(nóng)

（1.廣東省交通運(yùn)輸規(guī)劃研究中心，廣東 廣州 510101；2.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510107）

1 設(shè)計(jì)概況

揭陽大橋位于揭陽市榕城區(qū)，跨越榕江南河，是廣東省揭(陽)至惠(來)高速公路揭陽市區(qū)連接線工程的重要構(gòu)造物。榕江南河為內(nèi)河Ⅲ級(jí)航道，單孔雙向通航并兼顧5 000 t 海輪，通航孔凈空為260 m（凈寬）×34 m（凈高），最高通航水位3.03 m，最低通航水位-0.55 m（國家85 高程基準(zhǔn)）。榕江南河水面寬約350 m，河水受潮汐影響明顯，具有不規(guī)則半日混合潮、潮時(shí)潮差不等的特點(diǎn)。

本項(xiàng)目采用一級(jí)公路兼城市主干路標(biāo)準(zhǔn)，雙向6 車道，設(shè)計(jì)速度80 km/h，主橋橋梁總寬32.4 m，橋梁設(shè)計(jì)汽車荷載為公路-Ⅰ級(jí)，設(shè)計(jì)基本風(fēng)速為39.4 m/s，地震動(dòng)峰值加速度值為0.15g，工程場(chǎng)地類別為Ⅲ～Ⅳ類。

揭陽市地處亞熱帶，屬亞熱帶海洋性氣候，具有明顯的海洋性氣候特點(diǎn)，多年平均相對(duì)濕度為80%。多年平均氣溫21.9 ℃，熱月（7 月份）平均氣溫28.7 ℃，冷月（1 月份）平均氣溫13.9 ℃，最高氣溫39.7 ℃（2005 年7 月18 日），極端最低氣溫-2.7 ℃（1955 年1 月12 日）。年平均降水量為1 740.7 mm。揭陽市屬華南沿海臺(tái)風(fēng)區(qū)（Ⅳ7）,受臺(tái)風(fēng)影響，7～9月6 級(jí)以上強(qiáng)風(fēng)占總數(shù)的83%，年均風(fēng)速1.8 m/s，歷史最大臺(tái)風(fēng)風(fēng)力11 級(jí)（1969 年7 月28 日），風(fēng)速達(dá)28 m/s（東北，東風(fēng)）。橋址區(qū)覆蓋層主要由海陸交互相的軟土、黏性土及砂土組成，基底巖性均為花崗巖，基巖埋深大，巖質(zhì)極硬，巖面起伏較大，樁基最長(zhǎng)約120 m。

2 主橋設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)[1]

揭陽大橋主橋?yàn)橹骺?00 m 的雙塔雙索面鋼-混組合梁斜拉橋，橋跨總體布置為（138+300+138）=576 m，結(jié)構(gòu)體系采用半漂浮體系，因兩側(cè)邊跨分別跨越市政道路，故采用無輔助墩設(shè)計(jì)，橋梁總體布置見圖1。

圖1 橋梁總體布置圖（單位：cm）

主橋邊中跨比為0.46，為確保正常使用狀態(tài)下，過渡墩支座不出現(xiàn)負(fù)反力，設(shè)計(jì)將兩側(cè)引橋各1 孔38.5 m 簡(jiǎn)支小箱梁作為壓重梁支承于主梁箱形端橫梁上，同時(shí)在過渡墩墩頂附近主梁鋼橫梁間施加壓重。過渡墩頂順橋向31.2 m 范圍內(nèi)壓重200 kN/m，全橋共壓重1 251 t。

過渡孔簡(jiǎn)支小箱梁一端支撐在主橋的鋼橫梁上，設(shè)置縱向固定支座；另一端支承在過渡孔柱墩蓋梁上，設(shè)置縱向活動(dòng)球型鋼支座。在過渡孔的小箱梁和主橋之間設(shè)置D80 伸縮縫，只允許過渡孔小箱梁和主梁之間有微小的轉(zhuǎn)角，次邊墩處設(shè)置RBKF560 單元式位移伸縮縫。

2.2 主梁設(shè)計(jì)

鋼- 混組合梁因能充分發(fā)揮鋼與混凝土材料的力學(xué)性能，兼顧鋼與混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其結(jié)構(gòu)受力明確、可工廠化制造、施工快捷，因此使用廣泛。但經(jīng)過調(diào)研，鋼- 混組合梁斜拉橋橋面板濕接縫和支點(diǎn)負(fù)彎曲區(qū)橋面板存在開裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)使用耐久性。為有效解決橋面板開裂問題，本文研究了主塔支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)橋面板局部應(yīng)力分布，提出了局部采用超高韌性混凝土材料（UHPC）橋面板方案。

2.2.1 鋼梁設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目主梁采用鋼- 混組合梁，全寬32.4 m，主梁中心高3.37 m，主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面見圖2。

圖2 主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：mm）

鋼梁由工字形鋼主梁、橫梁、小縱梁組成。

兩側(cè)鋼主梁橫向中心距29.9 m，高2.8 m。根據(jù)構(gòu)造及施工架設(shè)的需要，全橋鋼主梁劃分為12 種梁段，標(biāo)準(zhǔn)梁段長(zhǎng)11.7 m，標(biāo)準(zhǔn)橫隔板間距為3.9 m。根據(jù)受力需要，其上翼緣板寬900 mm，厚36 mm、50 mm；下翼緣板寬1 100～1 920 mm，厚60 mm、80 mm；腹板厚度統(tǒng)一采用28 mm。腹板外側(cè)設(shè)2 道縱向加勁肋（寬350 mm、厚24 mm），腹板內(nèi)外側(cè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段每隔3.9 m 設(shè)置2 道間距為1.3 m 的豎向加勁肋。過渡墩附近的梁段（過渡段）共長(zhǎng)13.085 m，采用加高設(shè)計(jì)，高度從2.8 m 加高至端部4.88 m。

橫梁間距3.9 m，一般橫梁上翼緣寬600 mm，厚24 mm；下翼緣寬700 mm，厚28 mm；腹板厚16 mm。橫梁腹板兩側(cè)成對(duì)布設(shè)水平加勁肋和若干道豎向加勁肋。橫梁腹板與邊主梁通過高強(qiáng)螺栓拼接。

主梁橫向設(shè)3 道小縱梁，橫向間距7.5 m，小縱梁高300 mm，上翼緣寬400 mm，下翼緣寬240 mm，腹板厚12 mm。

為抑制主梁渦激振動(dòng)振幅，于主梁外側(cè)小縱梁下設(shè)置2 道穩(wěn)定板，穩(wěn)定板沿主梁縱向通長(zhǎng)設(shè)置，為高2 300 mm，厚6 mm 的鋼板，與橫梁間采用高強(qiáng)螺栓連接。

鋼梁工字形主梁、橫梁、小縱梁等均采用Q345D。錨拉板位置處邊主梁上翼緣鋼板要求為Z 向鋼板，其厚度方向性能應(yīng)滿足《厚度方向性能鋼板》（GB 5313—2010）中Z25 級(jí)性能要求。

2.2.2 橋面板設(shè)計(jì)

橋面板厚度為28 cm，預(yù)制部分采用C60 高強(qiáng)混凝土，現(xiàn)澆部分采用C60 微膨脹混凝土，內(nèi)摻高強(qiáng)有機(jī)聚合物纖維。為傳遞拉索的剪力，外側(cè)預(yù)制板邊主梁側(cè)面設(shè)置剪力鍵。為了減小混凝土收縮、徐變對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，預(yù)制板需存放6 個(gè)月以上。以上措施均為鋼- 混組合梁橋面板設(shè)計(jì)通常做法，即便照此嚴(yán)格要求施工，橋面板也存在開裂風(fēng)險(xiǎn)。

主塔墩支座頂局部應(yīng)力集中見圖3。

圖3 主塔墩支座頂局部應(yīng)力集中

局部有限元仿真分析[2]表明，在主塔墩支座頂附近主梁混凝土頂板會(huì)出現(xiàn)超過2 MPa 的縱橋向拉應(yīng)力，局部最大值為6 MPa。為降低橋面板開裂風(fēng)險(xiǎn)，提高結(jié)構(gòu)耐久性，本次設(shè)計(jì)在支座頂4.5 m×3.45 m×0.28 m 橋面板范圍采用超高韌性混凝土材料（UHPC）加強(qiáng)，UHPC 設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度120 MPa，抗彎拉強(qiáng)度20 MPa，現(xiàn)場(chǎng)澆筑施工，高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)。

在中跨133.4 m 及兩邊跨各78.1 m 范圍內(nèi)橋面板中布置多股7φs15.24 縱向預(yù)應(yīng)力鋼束，鋼束采用兩端張拉，群錨錨固，塑料波紋管真空壓漿工藝施工。

縱、橫梁上翼緣板上布置有直徑22 mm 焊釘，材質(zhì)為ML15，高20 cm。預(yù)制混凝土橋面板通過設(shè)在縱、橫梁上的濕接縫形成共同受力的組合梁結(jié)構(gòu)。

2.3 主塔與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

橋梁景觀要求高，本項(xiàng)目以揭陽市花“蓮花”為設(shè)計(jì)主題元素，主塔造型從含苞待放的“水上蓮花”中抽象而出，將鉆石型主塔設(shè)計(jì)融合城市文化特色，賦予主塔生命力。整個(gè)主塔由塔座、下塔柱、下橫梁、中塔柱、中橫梁、上塔柱、上橫梁和塔冠等部分組成，總高度為120 m，自橋面以上塔高81.5 m（含塔冠3.5 m），塔高與主跨比為0.272，主塔采用C50 混凝土。主塔一般構(gòu)造圖見圖4。

圖4 主塔一般構(gòu)造圖（單位：cm）

斜拉索在塔上采用扇形布置，每個(gè)索塔均設(shè)12對(duì)，塔上錨固方案比選了鋼錨梁、鋼錨箱和預(yù)應(yīng)力錨固形式，鑒于主橋規(guī)模和塔柱尺寸，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選后推薦“井”字形預(yù)應(yīng)力錨固。塔上斜拉索錨固間距2 m，錨固在塔柱內(nèi)壁的鋸齒塊上，錨固區(qū)布置了“井”字形預(yù)應(yīng)力，以抵抗斜拉索拉力產(chǎn)生的水平分力。

主塔基礎(chǔ)采用24 根φ2.5 m 的端承樁，承臺(tái)采用圓端型，平面總尺寸為橫橋向41.8 m，順橋向23.05 m，厚5.5 m。承臺(tái)頂設(shè)2.0 m 的塔座，承臺(tái)底設(shè)1.0 m 封底混凝土，樁基最長(zhǎng)約120 m。

2.4 斜拉索設(shè)計(jì)

斜拉索采用空間雙索面扇形布置，主塔各分布12 對(duì)索，全橋共96 根索。為提高成品索使用耐久性，斜拉索采用鋅- 鋁合金鍍層平行鋼絲，斜拉索抗拉強(qiáng)度為1 770 MPa。根據(jù)索力的不同，采用PES7-163、PES7-199、PES7-253 和PES7-313 共4 種規(guī)格，拉索最長(zhǎng)無應(yīng)力索長(zhǎng)156.462 m，單根最大質(zhì)量為14.795 t。斜拉索減震措施包括斜拉索表面設(shè)置防風(fēng)雨振動(dòng)雙螺旋線、斜拉索套筒內(nèi)均設(shè)置減震橡膠塊并在梁端安裝外置阻尼器減震裝置。外置阻尼器安裝在橋面以上3.5 m 高度處，確保能提供3%以上附加阻尼，行程滿足最大振幅1/1 700 L（L 為索長(zhǎng)）的要求。

3 結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算及抗風(fēng)研究

3.1 抗震計(jì)算分析

橋址區(qū)地震動(dòng)峰值加速度值為0.15g，橋梁抗震設(shè)計(jì)要求高。為有效減小主塔地震力，主橋主梁與主塔往往采用縱向阻尼器相連。為了確定阻尼器的合理設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)阻尼參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析。

采用非線性阻尼器，阻尼力與相對(duì)速度關(guān)系可表示為：F＝CVα，其中F 為阻尼力，C 是阻尼系數(shù)，V是速度，α 是速度指數(shù)。

從抗震設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)看，大跨徑橋梁阻尼器的速度指數(shù)α 常用值一般在0.3～1.0 范圍內(nèi)。取速度指數(shù)α=0.3、0.5、0.7、1.0，阻尼系數(shù)C 變化范圍為1 000～20 000，對(duì)主橋進(jìn)行非線性時(shí)程響應(yīng)分析。

阻尼器參數(shù)對(duì)主梁梁端位移的影響、對(duì)主塔塔頂位移的影響、對(duì)主塔塔底彎矩的影響見圖5～圖7；阻尼器參數(shù)對(duì)阻尼器自身位移的影響、對(duì)自身內(nèi)力的影響見圖8、圖9。這些曲線圖表明，設(shè)置阻尼器可以顯著減小梁端位移和主塔塔底彎矩。

圖5 阻尼器參數(shù)對(duì)主梁梁端位移的影響

圖6 阻尼器參數(shù)對(duì)主塔塔頂位移的影響

圖7 阻尼器參數(shù)對(duì)主塔塔底彎矩的影響

圖9 阻尼器參數(shù)對(duì)阻尼器自身內(nèi)力的影響

由圖5～ 圖9 可見，當(dāng)阻尼器的速度指數(shù)α 一定時(shí)，隨著阻尼系數(shù)C 的增加，主梁梁端位移、阻尼器位移逐漸減小，而阻尼力則逐漸增加；主塔塔底彎矩在速度指數(shù)α 取0.3、0.5 或0.7 時(shí)開始隨著阻尼系數(shù)C 的增大而減小，超過某一范圍后又隨著阻尼系數(shù)C 的增大而增大，而在速度指數(shù)取1.0 時(shí)隨著阻尼系數(shù)C 的增大而減小。

另一方面，當(dāng)阻尼系數(shù)C 一定時(shí)，阻尼器自身位移、主梁梁端位移隨著阻尼器速度指數(shù)α 的增大而逐漸增大，阻尼力隨著阻尼器速度指數(shù)α 的增大而逐漸減??；塔頂位移、主塔塔底彎矩在某一范圍內(nèi)隨著阻尼器速度指數(shù)α 的增大而逐漸增大，超過該范圍則隨著阻尼器速度指數(shù)α 的增大不再有該變化趨勢(shì)，在α 取某些值時(shí)，反倒有隨著α 的增大而減小的趨勢(shì)。

由此可見，隨著阻尼器參數(shù)的變化，主梁梁端位移與阻尼力的變化趨勢(shì)相反，而主塔塔底彎矩在某一范圍內(nèi)與主梁梁端位移及塔頂位移變化趨勢(shì)一致。因此，在沒有一個(gè)變量是控制因素的情況下，較好的做法是折中取值，阻尼器的速度指數(shù)α 取為0.4，阻尼系數(shù)C 取為3 000～5 000 較為合適，此時(shí)各控制截面彎矩相對(duì)最小，主梁梁端位移減小值也基本達(dá)到最優(yōu)。

阻尼器參數(shù)對(duì)主梁梁端位移等的影響見表1。

表1 阻尼器參數(shù)對(duì)主梁梁端位移等的影響

由表1 可見，在阻尼器速度指數(shù)取0.4，阻尼系數(shù)分別取3 000 和5 000 時(shí)，與未加阻尼器時(shí)比較，在不計(jì)恒載位移情況下，主梁梁端位移分別減小了58%和68%，塔頂位移分別減小了54%和64%，塔底彎矩分別減小了33%和40%。

阻尼器參數(shù)敏感性分析結(jié)果表明，阻尼器的速度指數(shù)α 取為0.4，阻尼系數(shù)C 取為3 000～5 000較為合適，此時(shí)，主梁梁端位移減小了58%～68%，塔頂位移減小了54%～64%，塔底彎矩減小了33%～40%。

3.2 抗風(fēng)性能研究

抗風(fēng)性能專題研究[3]進(jìn)行了節(jié)段風(fēng)洞試驗(yàn)和全橋氣動(dòng)彈性模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究。

（1）該橋成橋運(yùn)營狀態(tài)豎彎和扭轉(zhuǎn)基頻分別為0.314 3 Hz 和0.870 3 Hz，扭彎頻率比為2.769；最長(zhǎng)單懸臂狀態(tài)為最不利施工狀態(tài)，豎彎和扭轉(zhuǎn)基頻分別為0.344 3 Hz 和0.961 2 Hz，扭彎頻率比為2.792；最長(zhǎng)雙懸臂狀態(tài)豎彎和扭轉(zhuǎn)基頻分別為0.215 7 Hz 和1.042 9 Hz，扭彎頻率比為4.835。

（2）橋位基本風(fēng)速V10=39.4 m/s，地表粗糙度系數(shù)為0.16，主梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為49.5 m/s，成橋狀態(tài)橋梁顫振檢驗(yàn)風(fēng)速為77.2 m/s。施工重現(xiàn)期取為30 a，施工階段的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為41.4 m/s，施工階段顫振檢驗(yàn)風(fēng)速為64.6 m/s。成橋階段靜風(fēng)失穩(wěn)檢驗(yàn)風(fēng)速為59.4 m/s，施工階段靜風(fēng)失穩(wěn)檢驗(yàn)風(fēng)速為49.7 m/s。

（3）主梁斷面進(jìn)行了幾何縮尺比為1∶45 的節(jié)段模型風(fēng)洞氣動(dòng)力系數(shù)測(cè)試試驗(yàn)，通過六分力天平測(cè)得主梁斷面成橋態(tài)和施工態(tài)三分力系數(shù)。試驗(yàn)風(fēng)攻角范圍為-10°～+10°，間隔為1°。主梁斷面風(fēng)攻角為0°時(shí)，施工狀態(tài)的氣動(dòng)阻力、升力和俯仰扭矩系數(shù)分別為1.291 4、-0.040 1 和0.034 9；成橋狀態(tài)氣動(dòng)阻力、升力和俯仰扭矩系數(shù)則分別為1.563 9、-0.083 1 和0.014 6。

（4）采用節(jié)段模型直接試驗(yàn)法對(duì)成橋狀態(tài)和最大雙懸臂狀態(tài)進(jìn)行了±3°范圍內(nèi)風(fēng)攻角情況下的顫振穩(wěn)定性試驗(yàn)，結(jié)果表明采取雙下穩(wěn)定板氣動(dòng)措施后，成橋狀態(tài)和最大雙懸臂狀態(tài)的顫振臨界風(fēng)速均大于108 m/s，顫振穩(wěn)定性滿足《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3360-01—2018）要求，大橋具有足夠的抗風(fēng)穩(wěn)定性。

（5）采用節(jié)段模型進(jìn)行了渦激共振試驗(yàn)。為防止成橋運(yùn)營狀態(tài)+3°攻角時(shí)的渦激共振振幅超限，主梁斷面氣動(dòng)措施推薦采用雙下穩(wěn)定板方案，氣動(dòng)改良后成橋運(yùn)營狀態(tài)在±3°風(fēng)攻角范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生振幅超過《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》容許值的豎彎和扭轉(zhuǎn)渦激共振。

（6）采用Ansys 有限元分析軟件對(duì)成橋態(tài)和最大雙懸臂狀態(tài)進(jìn)行抖振時(shí)域有限元分析，得到了主梁和主塔關(guān)鍵截面內(nèi)力及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位移響應(yīng)平均值、根方差和極大值，經(jīng)計(jì)算結(jié)構(gòu)滿足《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

4 結(jié) 語

（1）主橋采用（138+300+138）m 的3 跨連續(xù)縱向半漂浮體系，邊跨跨越市政道路，取消了常規(guī)輔助墩設(shè)計(jì)，通過將過渡孔38.5 m 簡(jiǎn)支小箱梁作為主梁端壓重梁，有效減小了邊跨主梁段壓重荷載。

（2）主梁采用雙工字形截面主梁，便于制造、運(yùn)輸和架設(shè)，整體造價(jià)較低。該橋主梁用鋼量為397 kg/m2，造價(jià)經(jīng)濟(jì)。

（3）為有效解決橋面板開裂問題，本文研究了主塔支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)橋面板局部應(yīng)力分布，提出了局部采用超高韌性混凝土材料（UHPC）橋面板方案，以提高結(jié)構(gòu)耐久性。

（4）本橋?yàn)槌鞘袠蛄海坝^設(shè)計(jì)要求高，以揭陽市花“蓮花”為設(shè)計(jì)主題元素，主塔造型從含苞待放的“水上蓮花”中抽象而出，其造型簡(jiǎn)潔大方，線形極為流暢，把橋梁建筑融入到了橋梁結(jié)構(gòu)美學(xué)之中，已成為揭陽市的標(biāo)志性橋梁建筑之一。

（5）橋址區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，抗震要求高。阻尼器參數(shù)敏感性分析結(jié)果表明：阻尼器的速度指數(shù)α 取為0.4，阻尼系數(shù)C 取為3 000～5 000較為合適，此時(shí)各控制截面彎矩相對(duì)最小，主梁梁端位移減小值也基本達(dá)到最優(yōu)。

（6）本橋設(shè)計(jì)基本風(fēng)速39.4 m/s，抗風(fēng)性能要求高。風(fēng)洞試驗(yàn)表明，在外側(cè)小縱梁處設(shè)2 道下穩(wěn)定板的氣動(dòng)措施可提高顫振臨界風(fēng)速，降低渦激共振振幅，使大橋具有足夠的抗風(fēng)穩(wěn)定性。