洪塘大橋自錨式懸索橋設計要點

蔡 亮

[上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200125]

1 概述

城市橋梁拓寬改建中不可避免地遇到交通組織問題。對于中小跨徑的橋梁改建，由于建設速度較快，一般采取拆除后重建的改造方式，不會對交通造成很大問題。然而對于大跨徑橋梁而言，拆除并重建需要較長的工期，勢必會長期阻斷交通，給人們的交通出行帶來很大的不便。為此，設計師提出了多種可以快速施工的設計方案以及交通組織方案。但是，施工期間仍會對現狀交通流產生影響，或是降低了橋位處通行能力，或是加重了周邊交通負擔。隨著城市的發展，改建工程與交通組織的矛盾亟待解決。

福州洪塘大橋拓寬改建工程東起妙峰路，對既有洪塘立交進行改造連接三環快速后，跨越烏龍江，隨后進入閩侯上街，與國賓大道銜接，路線總長2.2 km。擬建主橋橋位現狀主橋為60 m+120 m+60 m預應力混凝土下承式桁架T 構，以及西側江中引橋40 m 無黏結預應力混凝土連續箱梁，雙箱雙室；老橋寬14.8 m，需拆除新建，如圖1 所示。新建主橋為獨塔自錨式懸索橋，跨徑50 m+150 m+150 m+50 m，橋寬46 m～52 m。

圖1 洪塘大橋老橋之實景

由于是原位改建，如果先拆除老橋再新建橋梁，將嚴重影響周邊交通，因此市政府對該橋提出“保通車”的民生要求。新建主橋采用三階段橫向拼接[1]的設計理念，在拆除老橋、新建橋梁的整個施工周期內，維持了現狀交通不斷交，有力支援了福州城市建設?，F結合洪塘大橋改建工程，基于TDV、Midas、Ansys 等有限元程序對保通車需求下的自錨式懸索橋施工過程、成橋及運營狀態進行仿真分析，可為同類工程的設計與施工提供參考。

2 設計要點

2.1 總體設計

烏龍江航道要求通航凈空為120 m×10 m，最高通航水位＋10.43 m（羅零高程）。根據航跡線，并結合水深圖及上、下游大橋的通航孔跨布置確定主橋懸索橋跨徑采用50 m+150 m+150 m+50 m，如圖2 所示。為便于與引橋的平面銜接，懸索橋索區完全置于外側，主橋主跨全寬為52 m，邊跨平衡橋跨全寬為46 m。

圖2 新建洪塘大橋主橋立面圖（單位：m）

2.2 主要技術標準

（1）道路等級：主線為城市主干路。

（2）設計速度：主線為60 km/h。

（3）設計使用年限為100 a。

（4）汽車荷載采用城—A 級。人群荷載：按《城市橋梁設計規范》（CJJ 11—2011）規定取值，邊跨按3.281 kN/m2計，中跨按1.094 kN/m2計。

（5）抗震設防烈度7 度，設計基本地震動峰值加速度0.1g；抗震設防類別甲類；抗震措施按8 度設防。

（6）通航標準：

烏龍江為國家內河Ⅳ級航道，同時預留改造為Ⅲ級航道的可能。通航凈高≥10 m，側高7 m，單孔雙向通航凈寬≥120 m。

設計最高通航水位10.43 m，設計最低通航水位1.52 m，航道設計底高程-2.38 m（羅零高程）。

為保證施工期間的通航，既有航道維持臨時性通航標準，通航凈寬45 m，凈空≥8 m。

2.3 上部及索纜結構

主橋采用獨塔雙索面自錨式懸索橋，半漂浮結構體系。主跨與平衡跨均采用分離式扁平鋼箱梁，工廠預制現場安裝，實現快速化施工。主梁高3.5 m，在輔助墩主纜錨固區加高至4.2 m。鋼箱梁為全焊接箱型結構，兩鋼箱梁之間在支點處采用工字型橫梁、在跨中處采用桁架式橫梁焊接聯結，如圖3、圖4 所示。第一階段先施工兩側鋼箱梁（18.0 m 寬）形成連續鋼箱梁；后續階段再施工中間橫梁（16.0 m 寬），進行體系轉換形成懸索橋。

圖3 鋼梁跨中1/2 斷面圖（單位：mm）

圖4 鋼梁中支點1/2 斷面圖（單位：mm）

橋面采用正交異性鋼橋面+55 mm 超高性能混凝土，形成鋼－混組合橋面板。鋼橋面布置栓釘與鋼筋網片，以保證鋼橋面與混凝土連接可靠。鋼橋面采用大U 加勁，U 肋高為330 mm。橫隔板間距5.0 m，在支座附近局部加密。

主纜采用平行豎直布置，跨度為150 m，垂度為15.0 m，垂跨比1∶10。兩纜橫向間距49.6 m。主纜兩端經散索鞍平彎15°后散索錨于鋼主梁內，兩纜錨固點中心橫向間距44.424 m。

吊索縱向間距10 m，橫向間距為49.6 m，吊索錨固于鋼箱梁外腹板外側的錨箱上。

抗震采用減隔震體系，在主塔、東西岸輔助墩和邊墩分別設置抗拉減隔震支座及縱、橫向阻尼器。

2.4 下部結構

主橋采用H 型直立柱門式橋塔，橋塔結構總高71.307 m。其中上塔柱高55 m，采用五邊形箱型截面；下塔柱高16.307 m，采用六邊形箱型截面。上塔柱頂部設置鋼結構上橫梁，下塔柱頂板設置鋼－混凝土混合式下橫梁。

輔助墩及邊墩均采用雙柱式橋墩，立柱截面采用六邊形，邊墩設蓋梁以便于與鄰跨預制小箱梁銜接。

主橋橋塔、輔助墩和邊墩承臺均采用圓端頭導流矩形承臺以減小阻水影響。

橋塔基礎采用直徑2.2 m 沖孔灌注樁，輔助墩和邊墩基礎采用直徑1.8 m 沖孔灌注樁。

2.5 主橋施工順序

該工程自錨式懸索橋采用先塔、梁，后纜、索的施工工藝。

（1）施工步驟一：如圖5 所示，樁基承臺施工，安裝塔吊，立模分段澆筑塔柱混凝土，現澆輔助墩、邊墩立柱；老橋暫不拆除，以保證施工期間的公共交通。

圖5 施工步驟一（第一階段）圖示

（2）施工步驟二：如圖6 所示，在主橋中跨150 m+150 m 范圍內、現狀老橋左右兩側搭設臨時墩，主橋共布置8 個臨時支墩；縱主梁的兩幅鋼箱梁（橋面各寬18.0 m）在工廠預制，現場焊接成整體。體系轉換，形成左右兩幅8×50 m 連續鋼箱梁。

圖6 施工步驟二（第一階段）圖示

（3）施工步驟三：如圖7 所示，封閉老橋交通，將過河交通轉換到新建8×50 m 鋼橋上（維持老橋限高限載雙向2 車道通行標準），拆除老橋。

圖7 施工步驟三（第二階段）圖示

（4）施工步驟四：如圖8 所示，選擇交通量較低時段或臨時封閉交通進行兩幅鋼箱梁之間橫梁（單幅橋面寬16.0 m）的連接，將兩幅鋼箱梁連接成整體（整幅橋面寬52.0 m）；張拉吊桿，調整支座限位，拆除臨時橋墩，完成主梁體系轉換，形成懸索橋。施工橋面系，進行最終吊索索力調整；成橋開放交通。

圖8 施工步驟四（第三階段）圖示

2.6 鋼梁及樁基耐久性設計

此次鋼梁防腐方案按箱內不設置除濕系統考慮，防腐年限不少于25 年，采用冷噴鋅防腐。

為便于樁基礎的施工，同時考慮水流、砂石及漂流物對樁基的沖刷和磨蝕影響，樁基外側設置一定長度的鋼護筒。

2.7 主纜平彎錨固

主纜經散索鞍后平彎，錨固在鋼梁內部。由于是空間曲線，采用空間三維放樣，主纜錨固區平面及三維圖如圖9、圖10 所示。

圖9 主纜平彎錨固區平面圖

圖10 主纜平彎錨固區三維圖

3 特點與難點分析

3.1 設計特點

（1）橫向分階段施工。

該橋主要的設計特點是主橋橫向分階段施工。常規橋梁的橫向分段是指主梁的橫向拼裝分段，其目的還是先形成主梁。該工程的分階段施工是先形成左右幅的鋼結構連續梁橋→再連接分離式鋼梁之間的中橫梁→形成整幅主梁→體系轉換→形成懸索橋，在整個施工周期內維持了原位改建橋梁交通。除施工過程不同外，新橋成橋后與常規的自錨式懸索橋無異。

（2）主纜平彎。

自錨式懸索橋的錨固區一般布置在主梁外部，管養時需要臨時搭設支架，操作不方便。為了改善錨固區的管養條件，提出了主纜平彎錨固方案，將主纜錨固在箱梁內部，主纜經散索鞍后平彎到箱梁內部。

為了降低設計與施工難度，主纜在散索鞍處不設置豎彎，這要求散索鞍處的主纜水平夾角不能太大，該工程按5.966°控制，這也成為主纜成橋線型的控制因素。

每根主纜由37 股索股組成，經散索鞍后平彎錨固，需對索股合理排列，使之滿足主纜安裝需求。

主纜平彎錨固區的豎向、側向加勁交錯排列，構造復雜。

（3）橫隔板布置。

橫隔板采用了5.0 m 間距，大于國內常見的3.0～3.5 m 的橫隔板間距，使得鋼箱梁抗扭和橋面板抗彎的要求隨之提高。與之相應，將超高性能混凝土鋪裝層用于橋面板，形成鋼－混組合橋面板共同受力，增加了橋面板的抗彎剛度，也提高了鋼箱梁抗扭剛度。

3.2 施工難點

（1）該橋經過兩次體系轉換后才形成懸索橋，在國內尚屬首次應用，國內也沒有成熟的施工經驗，增大了該橋的施工難度。

（2）主纜平彎散開錨固的橋梁國內并無先例。主纜經過散索鞍一般采用豎彎散開錨固，受散索鞍豎向隔板的約束，使得散開的索股自然形成矩形排列。但主纜平彎的散索鞍不能設置豎向隔板，散開的索股向無約束一側散開成梯形，不能自然形成矩形，增加了主纜安裝難度。

（3）由于分階段實施，第一階段先形成左右兩幅鋼結構連續梁，第三階段再橫向拼裝中幅中橫梁形成整體，時間跨度大。第一階段的安裝精度及第二階段的運營通車狀態直接影響第三階段的吊裝，對鋼梁安裝精度要求較高，控制難度較大。

4 計算分析

4.1 雙主梁模型

設計采用TDV 有限元程序，對主橋橫向分段施工全過程模擬，建立雙主梁模型，主纜、吊桿采用索單元，其它采用梁單元，樁土作用關系采用彈性約束模擬，建立模型如圖11 所示。

圖11 TDV 空間整體雙主梁模型圖

4.2 運營階段主要計算結果

主要計算結果見圖12～圖15 所示。

圖12 基本組合主纜軸力包絡圖（單位：kN）

圖13 基本組合主梁彎矩包絡圖（單位：kN·m）

圖14 基本組合主梁上下緣應力包絡圖（單位：kN/m2）

圖15 活載位移包絡圖（單位：mm）

（1）主纜軸力

（2）主梁彎矩

（3）主梁應力

（4）主梁位移

（5）主要結論

主梁應力在合理范圍內，滿足規范要求；

主纜、吊桿的承載能力滿足規范要求；

主塔、橋墩等承載能力及抗裂均滿足規范要求。

4.3 第二階段8 × 50 m 連續梁工況驗算

主橋先形成左右兩幅8×50 m 鋼結構連續梁，第二階段翻交后需承擔老橋原交通荷載。驗算結果表明，該工況上、下部均可滿足要求。模型如圖16 所示。

圖16 右幅8 ×50 m 連續梁模型圖

4.4 鋼-混組合橋面板驗算

橫隔板標準間距5.0 m，頂板厚14 mm，在中支點處加厚至20 mm。取單根U 肋寬度范圍內的鋼－混組合橋面板建立連續梁模型，分析第二體系汽車荷載作用下的頂板及U 肋下緣應力，其中橫向分布系數為0.268。將第二體系計算結果與第一體系考慮剪力滯影響的結果組合后，鋼橋面板應力見表1 所列。

表1 鋼-混組合橋面板鋼結構應力計算表

若采用鋼橋面板，超高性能混凝土僅按荷載考慮，鋼橋面板應力驗算結果見表2 所列。

表2 鋼橋面板鋼結構應力計算表

與鋼橋面板比較，采用鋼－混組合橋面板后，基本組合下支點處的頂板及U 肋拉應力減小了約20 MPa，主跨跨中處的頂板及U 肋壓應力減小約10 MPa。

4.5 錨箱局部應力驗算

鋼錨箱應力如圖17、18 所示。

圖17 基本組合下錨箱頂底板、側板及加勁應力圖（單位：MP a）

圖18 基本組合下錨箱后錨板應力圖（單位：MP a）

錨箱應力控制在200 MPa 以內，滿足要求。

5 結語

洪塘大橋拓寬改建工程，在預制拼裝快速化施工的基礎上，通過橫向分階段施工，實現了施工期間維持現狀交通不斷交的需求，也是國內第一座實現改建期間不斷交的自錨式懸索橋如圖19 所示，為城市大型越江橋梁的拓寬改建提供了新的解決方案。

圖19 建設中的洪塘大橋（第二階段）之實景

主纜經散索鞍后平彎，錨固在鋼箱梁內部，為主纜錨固區的管養提供了便利條件，但也增加了設計與施工的復雜程度。其錨固區設計采用空間三維放樣，其成果直接用于鋼廠進行深化設計，為BIM 設計積累了經驗。

該工程橫隔板間距采用了5.0 m 布置，同時采用了鋼－混組合橋面板共同受力，提高了橋面板剛度，也提高了鋼箱梁抗扭剛度，提高了結構可靠度。

該工程采用TDV 進行正向設計，根據分析結果指導施工，確保了橋梁施工順利進行?，F場采用無應力狀態法[2]進行施工控制，根據標高實測值調整模型，并修正了吊桿無應力長度，監測結果表明計算值與實測值相符。

該工程設計在橫向分階段施工、主纜平彎散開錨固布置、橫隔板較大間距布置、鋼－混組合橋面板構造方面進行了探索，將在后續工程中將進一步研究。