绍兴滨海大桥自锚式悬索桥设计简介

余茂峰，沈小雷

(浙江省交通规划设计研究院，杭州　310006)

绍兴滨海大桥自锚式悬索桥设计简介

余茂峰，沈小雷

(浙江省交通规划设计研究院，杭州310006)

摘要：绍兴滨海大桥主桥桥型为3跨连续半漂浮钢箱梁自锚式悬索桥。简要介绍该桥的结构特点、构造设计及关键构造处理措施。

关键词：自锚式悬索桥；钢箱梁；设计

1工程概况[1]

滨海大桥是绍兴滨海新城展望大道上的一座大型桥梁，全长约2 km。主桥长343.6 m，宽43.2 m，双向8车道，两侧各设3 m人行道。该桥跨越曹娥江，桥位处水深达6～7 m。桥下通航净空要求：单向通航净宽108 m，双向通航净宽174 m，通航净高按设计最高水位以上23 m控制。桥址位于宁绍平原北部，曹娥江与杭州湾交汇处，属台风影响区。设计基准风速39 m/s，地震基本烈度为Ⅵ度。

2主桥总体设计[1-2]

滨海大桥主桥采用3跨连续半漂浮自锚式悬索桥结构，跨径布置为77.8 m+188 m+77.8 m，总长343.6 m。加劲梁采用钢箱梁，梁高3.2 m。主缆采用预制平行镀锌钢丝索股，横向共布置2根，其通过散索套分散后锚固于钢箱梁梁端，梁端设置压重混凝土；主缆中跨矢跨比为1/5。吊索采用高强平行镀锌钢丝，PE套防护，标准间距9.6 m；吊索上端与索夹采用销接式连接，下端与钢箱梁采用承压式连接。桥塔采用H型索塔结构，塔柱为钢筋混凝土构件，横梁为预应力钢筋混凝土构件，塔基采用承台加桩基础。主塔横梁设2个竖向拉压支座、2个侧向抗风支座及纵向阻尼器。边跨主梁梁端设2个竖向拉压支座。滨海大桥主桥结构布置如图1所示。

3结构部位设计[1-2]

3.1索塔与基础

索塔采用不设上横梁的“H”型结构，索塔总高65.05 m(不计塔顶索鞍高度)。索塔由上、下塔柱及横梁组成，上塔柱高43 m，下塔柱高17.55 m，上下塔柱间为一横梁，高4.5 m。上下塔柱及横梁均采用C50混凝土。

上塔柱为等截面六边形空腔结构，壁厚0.6 m，横桥向宽3.4 m，顺桥向宽3.926 m。下塔柱为变截面六边形空腔结构，壁厚0.8 m，横桥向宽度由3.4 m渐变至4.45 m，顺桥向宽度由3.926 m渐变至5.141 m。下塔柱2.3 m范围内为实体段，上下塔柱均为普通钢筋混凝土结构。为有效扩散塔顶主索鞍传递的巨大压力，塔顶设有3.5 m渐变段，塔冠设有2.5 m高实体段。

图1　滨海大桥主桥立面布置示意

横梁理论跨度为35.6 m，采用箱形断面，宽3.926 m，高4.5 m，腹板厚0.6 m，顶、底板厚0.5 m。在桥梁中心线处及箱梁支座处设3道横隔板，横隔板厚0.6 m。横梁顶板和横隔板设有进人孔。横梁顶板配置4束15Φs15.2 mm钢绞线，底板配置6束15Φs15.2 mm钢绞线，腹板配置8束15Φs15.2 mm钢绞线，所有钢绞线1次张拉完成。

主塔基础采用分离式钻孔桩基础。承台厚4.0 m，每一承台顺桥向长13 m，横桥向宽12 m。2承台间用3道系梁联成整体，系梁断面尺寸为1.5 m(宽)×2.5 m(高)。系梁间设置3道横撑，横撑断面尺寸为1 m(宽)×1.5 m(高)。塔座厚1.6 m，顺桥向长11.9 m，横桥向宽6.0 m，四角设1.5 m×1.5 m倒角。每一承台下设9根直径为1.8 m钻孔灌注桩，桩长80 m。

由于未设置上横梁，故成桥状态下塔柱顶截面(位于横梁交界位置)在下横梁自重和钢箱梁支点反力作用下，会产生微小转角位移，理论上会导致塔顶产生约20 mm的内侧水平位移，而在横梁预应力作用下塔顶会产生约6 mm的外侧水平位移，上述位移在上塔柱施工过程中应予以纠正。

下塔柱、横梁、承台形成框架结构，成桥状态下塔柱横桥向受力取决于横梁自重、钢箱梁成桥恒载支点反力和横梁预应力三者的组合效应，故应合理选择横梁截面及其预应力配置，以使成桥状态下下塔柱横桥向受力处于较优状态。索塔构造如图2所示。

3.2索鞍

塔顶索鞍座体采用全铸式肋传力结构，整体铸造并吊装，材质为ZG230-450。座体承缆槽宽256 mm，传力纵肋按单肋设计，肋板厚60 mm。纵肋单侧设置了7道横向加劲肋并按扇形布置，加劲肋板厚50 mm；并设置了1道水平加劲肋，其厚35 mm。

图2　索塔构造示意

索鞍座体高度1.535 m，主要考虑主缆与塔顶边缘之间留有适量间隙(包括施工索鞍偏移状态)。鞍槽底部为2 275 mm半径的圆弧槽，超过主缆与圆弧的切点后，接半径1 000 mm圆弧段。在槽底和侧壁的端部倒10 mm半径的圆角以保护主缆钢丝。

索鞍座板也采用全铸结构，座板长3 300 mm，宽1 860 mm。座板采用肋板结构，顺桥向设置4道横肋，横桥向设置2道纵肋，板肋总高度为200 mm，底板厚50 mm。为便于塔顶混凝土的浇筑和振捣，在座板纵横肋形成的每个隔室内均开设直径100 mm的圆孔。塔柱施工时，塔顶段预留500 mm，先将座板按监控单位提供的标高进行定位和固定，并对座板顶面进行临时防护，然后浇筑塔顶段混凝土并振捣密实。座板两侧通过10根M48锚栓与塔顶混凝土固结。

索鞍座体底面与座板顶面需进行机加工，其摩擦系数不得大于0.1，以便于架设钢箱梁时座体的顶推。为增加主缆与鞍槽间的摩阻力，鞍槽内设置了竖向隔板，待索股全部就位并调股后，在索股顶部用锌块填平，并将鞍槽侧壁用螺栓夹紧。

索鞍座体与座板之间在成桥后通过侧面和端部角钢进行栓接固定。塔顶索鞍构造如图3所示。

图3　塔顶索鞍构造示意

3.3主缆[3]

滨海大桥采用双索面结构，单根主缆由19根91丝Φ5.1 mm镀锌高强钢丝组成，钢丝抗拉强度为1 670 MPa。主缆在索夹内空隙率为18%，主缆直径234 mm；在索夹外空隙率为20%，直径为237 mm。主缆施工采用预制平行索股法(PPWS)，架设时19束索股按尖顶正六边形排列，架设完成后挤成圆形。

索股锚头采用套筒式热铸锚，锚杯上设有螺纹调节索股长度。锚杯长380 mm，外螺纹Tr190 mm×8 mm，螺母直径260 mm。锚杯及螺母材质均采用40 Cr。

主缆外表面采用多层长效防腐系统。主缆经压实后，在索夹之间的范围内，先用密封膏嵌缝，再缠以Φ3.1 mm的镀锌软质钢丝，最后再涂多层防护漆。

根据设计要求，进行了主缆索股破断荷载的静载试验，试验结果表明[4]，按破断荷载拉伸且持荷5 min情况下，试验索丝股无断丝，卸载后铸体及锚具无异常。主缆构造如图4所示。

图4　主缆构造示意

3.4吊索[3]

吊索采用Φ7 mm预制平行钢丝束，外包双层PE防护，两端均采用冷铸锚。吊索上端设置耳板与索夹通过销轴连接；下端与钢箱梁通过球形垫板和球形螺母承压连接，且下端锚杯上设有螺纹调节吊索长度。吊索标准间距9.6 m，边跨短吊索采用91丝，其余均采用73丝。

吊索锚具及耳板材料采用40 Cr。耳板连接销栓材料采用40 CrNiMoA，耳板厚87和97 mm，销轴直径为100和110 mm。根据设计要求，进行了吊索破断荷载的静载试验、疲劳和防渗漏试验，试验结果表明[4]，按破断荷载拉伸且持荷2 min情况下，试验索丝股无断丝，卸载后铸体及锚具无异常。200万次脉冲加载后，试验索护层无损伤，两端锚头无裂纹，无明显变形，无异常。在试验索完成疲劳试验后，继续对其进行水密性试验，检验结果表明索体锚头组件防渗漏符合要求。

3.5索夹

索夹采用销接式，左右两半联接，壁厚均为35 mm。索夹分2类，一类为吊点处索夹，下端设有耳板与吊索联接，耳板厚度60 mm，两侧在开孔周边另外加设10 mm加劲；另一类为紧固索夹。索夹内壁半径117 mm，索夹两半采用锯齿形接缝，接缝留有10 mm空隙，以适应主缆空隙率与设计空隙率不一致引起的主缆直径误差。索夹材料采用ZG20SiMn，整体铸造。

索夹螺杆光面直径为40 mm，螺纹直径为42 mm，单根螺杆张拉为55 t。分别在索夹安装时、全桥体系转换完成和成桥3个阶段进行张拉或补足拉力。

由于滨海大桥主缆索股直径较小，故为验证索夹的实际抗滑移性能进行了抗滑移性能试验。试验按照实桥主缆实际断面构成制作节段试验模型，以实桥索夹为特测对象，用千斤顶的顶推力模拟索夹的下滑力。根据多次测试[5]，得到试验索夹最大摩擦系数μ约为0.22，而JTG/T D65-05—2015《公路悬索桥设计规范》规定μ取值为0.15[6]，说明索夹能满足原设计抗滑移要求。索夹抗滑移试验总体布置如图5所示。

图5　索夹抗滑移试验总体布置示意

3.6散索方式

散索套在实桥中采用较少，大跨径悬索桥采用散索套的有美国金门大桥、丹麦小贝尔特桥，我国西南地区小跨径悬索桥也有散索套的应用实例。散索套会使边跨主缆的计算长度加长，边跨主缆的任何位移或变形将直接反映到主缆索股的锚固结构上。

滨海大桥散索套结构与索夹基本相同，其壁厚35 mm，曲线段散索半径为2 000 mm。材料采用ZG20SiMn，整体铸造。

空缆状态和成桥状态下散索点的竖向位置偏差约30 cm。受锚箱空间的限制，架设主缆时，散索套需预先临时固定于成桥状态下的设计位置，并通过合理选择体系转换时吊索张拉顺序来减小临时固定构造的受力。待体系转换完成后，拆除临时固定构造。

3.7主缆锚固设计

主缆锚固设计是滨海大桥设计的一大特点。其设计原则包括：1) 减小锚面尺寸以简化钢梁构造；2) 集中力传力直接可靠；3) 锚固集中力有效扩散至钢梁全截面，力的传递途径清晰。

根据主缆横向布置，在钢箱梁外腹板外侧设置п形锚箱，锚箱中心离钢箱梁外腹板1.95 m。为确保锚箱受力能传递至整个钢箱梁截面，在钢箱梁箱室内对应于锚箱位置设置п形锚梁。锚箱主要由上下盖板、内外腹板、隔板、加劲板焊接而成。其中，腹板厚36和20 mm，顺主缆方向长3.0 m；盖板厚40 mm。主缆轴向力经由锚箱盖板和内外腹板传至钢箱梁外侧腹板以及钢箱箱室内锚梁上，轴向力产生的弯矩由锚箱及锚梁上下盖板承担。由有限元模拟分析可知，该结构在各板件交接区域存在应力集中现象，尤其对于受拉焊缝(如盖板与钢箱外腹板的焊缝)，为减小应力集中区域，必要时应增设加劲，使受力传递范围更广。另外，由于锚箱为悬挑结构，锚箱整体变形较大，最大变形达到了15 mm。

另外，设计时需注意：1) 主缆索股在散索套位置分散为19根索股分别锚固于锚板上，锚箱内索股呈发散状，故锚箱的腹板应顺索股方向布置，且与索股之间应预留足够的空间，以适应活载作用下索股的上下位移；2) 锚板面与中心索股成垂直状态，与其它索股必存在夹角，故为保证锚杯的锚圈与锚板垂直传力，需设置楔形垫块；3) 锚板上锚孔不宜与锚板面垂直开设，应与各索股的空间角度一致，且锚孔直径宜大于主缆锚杯外径5 mm以上。锚箱构造如图6所示。

3.8主梁[7]

滨海大桥上部梁体全部采用钢箱梁，长343.6m；中跨位于5 000 m半径的竖曲线上，两侧接 2.2%的纵坡。钢箱总宽43.2 m，设2%的桥面横坡，底部平底板宽22.8 m，两侧斜底板各宽4.45 m。桥梁中线处梁高3.2 m。钢梁标准节段长度9.6 m，全桥共分38个钢箱节段，其中标准段共28个，分为2种。

图6　锚箱构造示意

钢箱梁顶面钢板厚14 mm，顶板U肋间距600 mm板厚8 mm，横梁间距3.2 m，组成正交异性结构的钢桥面板。箱梁底板厚12 mm，底板U肋间距800 mm板厚6 mm。箱梁采用单箱3室截面，2道外腹板厚16 mm，间距为31.7 m；2道内腹板厚12 mm，间距15.7 m。吊索锚固在横梁端挑臂上。钢箱梁断面布置如图7所示。

图7　钢箱梁横断面布置示意

另外，设计时需注意[8]：1) 若钢主梁采用步履式连续顶推方案施工，则应根据临时墩的布置间距、导梁尺寸等，核算钢箱梁底板和腹板的局部承压能力。若需增加临时加劲，则宜按永久加劲进行整体设计。2) 受主梁纵面制作线型的影响，横隔板不宜与顶底板垂直安装，而应按铅垂方向安装，以保证锚管始终为铅垂。3) 锚管内径应结合体系转换过程中吊索可能产生的最大偏角来确定，以防止施工过程中吊索或张拉端锚杯与锚管相冲突。

4结束语

自锚式悬索桥具有结构独特、轻盈美观的景观特色，目前在国内已得到较多的应用。本文介绍了绍兴滨海大桥总体及各部位的设计，以及一些关键构造的处理措施，可供同类工程参考。

参 考 文 献

[1]浙江省交通规划设计研究院.绍兴滨海大桥两阶段施工图设计文件[Z].杭州：浙江省交通规划设计研究院，2010.

[2]钱剑峰，邵福彪，郑献章.绍兴滨海大桥自锚式悬索桥的构思与设计[J].公路交通科技，2006(11)：124-129.

[3]董学武.润杨长江公路大桥南汊悬索桥缆索系统设计[J].公路，2001(11)：81-84.

[4]江苏法尔胜材料分析测试有限公司.绍兴滨海新城滨海大桥B标主缆、吊索静载试验报告[R].南京:江苏法尔胜材料分析测试有限公司，2013.

[5]江苏法尔胜材料分析测试有限公司.绍兴滨海新城滨海大桥B标主缆索夹预紧及抗滑试验报告[R].南京：江苏法尔胜材料分析测试有限公司，2014.

[6]中交公路规划设计院.JTG/T D65-05—2015公路悬索桥设计规范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[7]吴冲.现代钢桥(上册)[M].北京：人民交通出版社，2006.

[8]余茂峰，余茂科，叶建龙.钢箱梁步履式多点连续顶推施工关键技术及设计要点探讨[J].公路交通技术，2015(2)：99-101，110.

Introduction of Design of Self-anchored Suspension Bridge in Shaoxing Binhai Bridge

YU Maofeng, SHEN Xiaolei

Abstract:Main bridge of Shaoxing Binhai Bridge is a 3-span continuous semi-floating steel box girder self-anchored suspension bridge. This paper introduces structural features and structural design and treatment measures for key structures of this bridge.

Keywords:self-anchored suspension bridge; steel box grider; design

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.03.017

收稿日期：2016-01-15

作者简介：余茂峰(1979-)，男，安徽省桐城市人，硕士，高工。

文章编号：1009-6477(2016)03-0073-05中图分类号：U448.25

文献标识码：A