宜宾盐坪坝长江大桥宽桥面组合梁设计

蒋建军，田 波，文 凯

（四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院，四川 成都 610041）

0 引言

斜拉桥的主梁按照材料和结构类型划分有混凝土梁、钢箱梁、钢桁梁、钢混组合梁(又称叠合梁、结合梁)；当钢梁与混凝土梁混合使用时，称为混合梁[1]。混凝土梁由于自重大，适用于跨径500 m以下且桥面不宽的斜拉桥[1]。钢箱梁自重轻、抗震和抗风性能好，且便于架设，适用于600 m以上跨度的斜拉桥。钢桁梁可采用散件拼装，适用于建桥条件困难的山区；且刚度大，也适用于双层桥面的斜拉桥。钢混组合梁与混凝土梁相比，具有自重较轻、架设工法多、耐久性好的特点，跨越能力更强[2]，适用跨径为400～650 m的斜拉桥。钢混组合梁斜拉桥与钢斜拉桥相比，由于利用混凝土桥面板受压，桥塔附近主梁的抗压性能得到改善；桥梁抗弯与整体刚度加大，有利于抗风稳定；增大了桥面局部刚度，很好地避开了钢箱梁钢桥面疲劳及桥面铺装易损坏的问题[2]；且用钢量少，经济性较好。

我国从1991年建成主跨423 m的南浦大桥以来，钢混组合梁斜拉桥良好的受力性能和经济性逐渐得到认可。目前国内已建和在建的跨度大于400 m的钢混组合梁斜拉桥有近20座，最大跨径为2016年建成的望东长江大桥，其主跨为638 m[2]。钢混组合梁斜拉桥最主要的问题是混凝土桥面板的抗裂性差[3]，在宽桥面斜拉桥的表现更加突出。混凝土桥面板通常采用钢筋混凝土结构，在跨中或边跨梁端顺桥向轴压力小，一般设置纵向预应力[5]；由于桥面板较薄，且横梁间距小，以纵向受力为主，一般不设置横向预应力体系；在单索面的组合梁斜拉桥中偶有使用，如东海大桥[4]。桥面板在车辆荷载、收缩徐变、泊松效应、拉索锚固力、温度梯度等作用下，在顺桥向和45°斜向可能出现裂缝[3，5-7]。宽桥面钢混组合梁的剪力传递有明显剪力滞后效应，导致混凝土桥面板与钢主梁相接处的应力明显高于截面中心处[8]，易导致桥面板在纵梁腹板附近产生顺桥向裂缝。因此，大跨度斜拉桥宽桥面组合梁设计需要综合考虑各方面因素，选择合理断面型式，协调混凝土桥面板、主纵梁、钢横梁之间的刚度，优化节段长度与钢横梁的间距，使得主梁各部位在顺桥向、横桥向均能合理分配内力，有效控制主梁各部位的应力和整体刚度。

1 概况

1.1 工程概况

宜宾盐坪坝长江大桥连接四川省宜宾市临港经济开发区和盐坪坝组团，位于三江口(金沙江与岷江汇合成为长江)下游约6.3 km处，是长江上游第二座跨江大桥。主桥为双塔空间索面混合梁斜拉桥，跨径布置为45 m+51 m+97 m+480 m+97 m+51 m+45 m，半漂浮支承体系，桥梁立面见图1，效果图见图2。中跨采用钢混组合梁、边跨采用预应力混凝土梁，钢混结合段位于中跨索塔附近弯矩较小处，钢混结合面设置在距索塔中心线10.5 m处，钢混过渡段总长度为10 m。中跨桥面宽度40 m，包含2.0 m人行道、1.0 m拉索区、2.5 m非机动车道，半幅净宽12.5 m车行道，以及护栏和分隔带，见图3；边跨桥面受立交匝道接入影响而渐变加宽。主桥采用弧形混凝土索塔、环氧涂层钢绞线斜拉索。两岸各设21对斜拉索，中跨名义索间距为10.5 m和11.1 m。

图1 桥梁立面图（单位：cm）

图2 主桥效果图

图3 组合梁横断面（单位：cm）

1.2 主要技术标准

（1）道路等级：双向6车道城市快速路，设计速度80 km/h；

（2）设计荷载：城—A 级，人群 2.5 kN/m2；

（3）抗震设防：地震基本烈度Ⅶ度，地震动峰值加速度系数为0.10g；

（4）桥梁设计基准期：100 a；

（5）主体结构设计使用年限：100 a；

（6）桥梁设计安全等级：一级；

（7）航道等级：Ⅰ-（3）级；

（8）基本风速：24.3 m/s（100 a重现期）。

2 组合梁设计关键技术

2.1 主梁断面选型

随着城市经济发展，交通量大幅增长，考虑过江通道的稀缺性，大桥的车道数常采用双向6车道或8车道，桥面宽度越来越大。宽桥面组合梁斜拉桥的主梁受力复杂，混凝土桥面板的抗裂问题突出，选择受力性能良好的截面是关键。根据统计，大跨度宽桥面组合梁斜拉桥的主梁断面型式主要有5种类型：双“工”字形钢梁+混凝土板[5]；双钢箱梁+混凝土板[2]；PK型分离双箱钢+混凝土板[6]；闭口钢箱+混凝土板[9]；钢桁梁+混凝土板[10]。我国已建成或在建的主跨400 m以上钢混组合梁斜拉桥的主梁断面型式见表1。

双“工”字形钢梁+混凝土板构成的组合梁型式具有自重轻、构造简单、安装方便、便于拉索锚固的特点[2]，在多数大跨度组合梁斜拉桥上使用。双钢箱梁+混凝土板构成的组合梁型式具有主梁抗弯、抗扭刚度大，钢板厚度适当的特点[2]，适用于桥面宽度30m以上的大跨度斜拉桥。PK型分离双箱钢+混凝土板构成的组合梁型式具有抗弯、抗扭刚度大，横向挠度小，抗风稳定性好的特点，适用于受台风影响的大跨度斜拉桥[11]。闭口钢箱+混凝土板构成的组合梁型式具有整体刚度大，抗风稳定性好，耐腐蚀性好的特点[9]，适用于跨海大桥。钢桁梁+混凝土板构成的组合梁型式具有整体刚度大，便于安装的特点，缺点是抗风性能稍差，适用于公铁两用双层桥梁[2]。

宜宾盐坪坝长江大桥位于丘陵开阔地带，100 a重现期的基本风速为24.3 m/s，抗风问题不突出。主梁采用双钢箱梁+混凝土板构成的组合梁时，在0°、+3°、-3°三种风攻角下，悬臂施工阶段最小颤振临界风速为81.2m/s，颤振检验风速52.02 m/s；成桥阶段最小颤振临界风速为96.5 m/s，颤振检验风速56.54 m/s，抗风稳定性均较好。由于主梁外形为开口板梁，且桥面宽度大，有规律的漩涡脱落将可能激发主梁竖向振动，需要采取工程措施抑制主梁竖向涡激振动。

中跨组合梁的桥面宽度达到40 m，需要主纵梁具有较大抗扭刚度为钢横梁提供有效支承，减小桥面横向下挠。另外，若主纵梁采用“工”字形钢梁，经计算，底板厚度需要采用100 mm，钢材采用Q370qD，使得节段之间无论采用焊接还是高强螺栓连接均不能保证质量。

经综合分析，宜宾市盐坪坝长江大桥最终采用双钢箱梁+混凝土板构成的组合梁型式。

2.2 钢混组合梁构造设计

双钢箱梁+混凝土板构成的组合梁常由钢箱主纵梁、钢横梁、小纵梁、混凝土桥面板组成。混凝土桥面板与钢箱主纵梁、钢横梁之间采用剪力钉连接。

表1 我国主跨400 m以上组合梁斜拉桥的主梁断面型式

宜宾盐坪坝长江大桥的组合梁节段长度为10.5 m、11.1 m，跨中合龙段长度7 m。节段内钢横梁道数与主梁断面型式和桥宽有关，一般为3.0～4.5 m（如椒江二桥横梁标准间距为3.0 m、泉州湾跨海大桥为3.5 m、杨浦大桥为4.5 m）。本桥的桥面宽度达40 m，且为货运主通道，具有重载交通特点；因此，每节段设置3道钢横梁，间距为3.5 m、3.7 m。设计过程中曾考虑设2道钢横梁，间距为5.25 m、5.55 m，其结果是桥面板厚度需增大至32 cm，钢横梁需要加高至3 m，恒载增加过多，结构受力不合理。横桥向设3道工字钢小纵梁，间距8 m，左右对称布置。为提高钢主纵梁的抗弯、抗扭刚度，梁高取3.5 m（含混凝土桥面板）。钢箱主纵梁标准宽度2 m，桥塔附近受力较大，逐渐加宽至3 m，钢板均采用Q370qD钢材。钢箱主纵梁顶板厚度16 mm，设三道纵向加劲肋，在变宽段逐渐增加至5道。腹板厚度为20 mm，在桥塔附近加厚至24 mm，设三道纵向加劲肋。底板厚度从跨中段的16 mm逐渐加厚至桥塔附近的50 mm，底板上布置3道纵向加劲肋。为提高腹板和底板的受压局部稳定性，钢箱主纵梁内每个节段等距设置6道横隔板，间距为1.75 m（桥塔附近）、1.85 m（跨中附近）、2 m（跨中合龙段），横隔板厚度16 mm。

钢横梁腹板与主纵梁之间通过高强螺栓连接。横梁采用工字形断面，跨中钢梁高度2 620 mm（桥塔附近）、2 640 mm（跨中附近）。钢横梁底面保持水平，顶面随桥面设置横坡。钢横梁的腹板设置纵向、横向加劲肋，与小纵梁对应位置的横向加劲肋预留螺栓孔与小纵梁连接。小纵梁用于为浇筑桥面板湿接缝提供支承，为工字形断面，梁高500 mm，宽度500 mm，翼板和腹板厚度均为16 mm。腹板通过高强螺栓连接在钢横梁腹板横肋上，见图4。

图4 小纵梁与横梁连接构造（单位：mm）

对应横梁位置，在主梁外侧设置挑梁。挑梁采用工字形钢梁，长度2 000 mm，端部高度320 mm，根部高度760 mm。挑梁与钢主纵梁焊接连接。

大跨度钢混组合梁斜拉桥主梁标准断面的混凝土桥面板厚度一般为23～28 cm（如香港汀九大桥预制桥面板厚为23 cm[10]，青州闽江大桥为25 cm，武汉二七长江大桥为26 cm，望东长江大桥为28 cm[2]），横桥向在主纵梁腹板附近加厚，顺桥向在桥塔附近局部加厚。混凝土桥面采用预制安装，在钢主纵梁、小纵梁、钢横梁顶面设置湿接缝，要求预制板的存梁时间不少于6个月。预制桥面板采用C60混凝土，湿接缝采用补偿收缩的C60钢纤维混凝土。根据分析计算，宜宾市盐坪坝长江大桥的预制混凝土桥面板厚度取26 cm，在桥塔附近加厚至28 cm。横桥向，混凝土桥面板在钢主纵梁处为负弯矩，且在斜拉索巨大顺桥向水平压力下，混凝土桥面板泊松效应明显，因此，为了防止桥面板开裂，需要提高截面面积和刚度，在钢主纵梁顶面处加厚至40 cm。跨中附近斜拉索顺桥向水平分力的合力小，桥面板压应力储备不足，因此需要设置纵向预应力。纵向预应力采用9根φs15.2预应力钢束，跨中布置26对，向桥塔方向逐根下弯，依次设置齿块锚固在桥面板底面。

2.3 索梁锚固构造

对于主梁为双钢箱梁+混凝土板的组合梁斜拉桥，索梁锚固方式有三种：（1）锚固在外腹板外侧的钢锚箱上；（2）锚固在钢箱主纵梁内的钢锚箱上；（3）锚固在与腹板对应的锚拉板上。本桥斜拉索最大索力达到8 532.8 kN，且拉索横桥向与水平面的最小夹角为82.785°，即斜拉索与铅垂线的偏角为7.215°，采用锚拉板锚固或单侧腹板外侧钢锚箱锚固时，内外侧腹板受力差异大，且存在厚板焊接与钢板层状撕裂问题，因此采用钢箱内锚固。钢箱内的钢锚箱由锚垫板、锚箱底板、承压板、索导管、加劲肋组成，索力通过锚箱底板传递至承压板，然后传递至钢主纵梁的两侧腹板，进而传递至主梁断面，传力途径明确，结构受力均匀，见图5。

3 主要计算结果

本桥采用Midas Civil和Wiseplus空间有限元分析软件分别建立全桥空间模型进行计算。钢横梁及其上的桥面板采用单独建模分析，钢横梁与钢主纵梁之间采用螺栓连接，边界条件采用简支模拟。半桥单梁半桥空间网格模型见图6。

图5 索梁锚固构造（单位：mm）

图6 全桥计算模型

3.1 施工期与成桥阶段组合梁主要计算结果

施工期与成桥阶段组合梁顺桥向正应力计算结果：（1）中跨组合梁混凝土桥面板拉应力最大值1.6 MPa，压应力最大值 9.8 MPa；（2）竣工状态及收缩徐变后，中跨组合梁桥面板未出现拉应力，压应力最大值为9.3/7.3 MPa；（3）施工阶段中跨组合梁钢板应力最大值为153.1 MPa压应力；（4）竣工状态及收缩徐变后，中跨组合梁钢板应力最大值为126.1/153.1 MPa压应力。

3.2 运营期组合梁主要计算结果

运营期组合梁顺桥向正应力计算结果：（1）标准组合下中跨组合梁混凝土桥面板拉应力最大值1.4 MPa，压应力最大值 10.8 MPa；（2）标准组合下中跨组合梁钢板拉应力最大值64.5 MPa，压应力最大值202.9 MPa；（3）承载力组合下中跨组合梁钢板拉应力最大值101.5 MPa，压应力最大值258.0 MPa。汽车荷载作用下，主梁竖向挠度最大值为-340 mm，刚度满足要求。

3.3 钢横梁(带桥面板)横向计算结果

钢横梁与混凝土桥面采用剪力钉连接，为钢混组合结构。横向分析时，考虑自重、汽车荷载、整体升温或降温、梯度温度、收缩徐变。不计斜拉索横桥向水平分力的情况下，计算结果见表2。

由表2可知：在恒载、汽车荷载作用下，混凝土桥面板均受压，钢梁上缘受压、下缘受拉；而在温度梯度、混凝土收缩及徐变作用下，桥面板横桥向均产生了拉应力；在最不利标准组合时，桥面板上缘拉应力为1.73 MPa，下缘拉应力为2.61 MPa；钢梁上缘最大压应力为155.0 MPa，钢梁下缘最大拉应力为163.5 MPa。因此，混凝土桥面板横桥向钢筋配筋需要加强，以抵抗2.61 MPa的拉应力。

表2 钢横梁与混凝土桥面横向应力结果

4 结语

宜宾盐坪坝长江大桥主跨480 m，边跨193 m，边中跨比为0.402，中跨桥宽40m，双向6车道，基本风速为24.3 m/s（100年重现期），地震动峰值加速度系数为0.10g。中跨选用双钢箱梁+混凝土桥面板组合梁，边跨采用预应力混凝土梁；钢混组合梁外腹板处梁高3.5 m，节段采用10.5 m、11.1 m，横梁间距采用3.5 m、3.7 m，桥面板厚度26 cm，索梁锚固在钢箱梁内部的钢锚箱上。通过空间分析计算，钢主纵梁、混凝土桥面板、钢横梁的应力均控制在合理范围内，主梁刚度满足要求。