沈旭东,高恩全,王丰平
(浙江省交通规划设计研究院有限公司,浙江 杭州 310006)
小干大桥起于舟山本岛浦西开发区,起点与329国道相连,跨越著名的沈家门水道至小干岛,与规划中的岛上东西向干线连接,路线全长9.118 km。该项目为连接舟山本岛、沈家门329国道至小干岛、马峙岛的唯一公路,是发展两岛临港工业,满足岛内货物,以及居民出行本岛的必由之路。
小干大桥主桥采用(130+300+130)m双塔双索面PC梁斜拉桥,主桥长560 m,斜拉索采用扇形空间索面(见图1)。两侧引桥采用先简支后连续预应力混凝土组合箱梁。由于道路等级较低,桥面净宽仅15 m,对主梁断面型式、主塔形式选择提出了挑战;主跨位于圆曲线上,边跨纵坡最大处达到4%,边中跨纵坡差形成的悬臂状态结构不平衡,对理论计算提出了更高的要求。本文重点介绍小干大桥主桥的总体布置、局部构造和施工方案等要点[1-4]。
小干大桥采用二级公路技术标准,设计速度为80 km/h。桥梁净宽采用15.0 m,桥面宽度为0.75 m(护栏、C 值)+3.0 m(硬路肩)+2×3.75 m(行车道)+3.0 m(硬路肩)+0.75 m(护栏、C值)=15.0 m。桥位处于Ⅶ度区域,地震动峰值加速度为0.1g,设防措施等级8级。
图1 总体布置图(单位:m)
汽车荷载等级采用公路—I级,设计基准风速按V10=40.5 m/s。桥位处航道等级为3 000 t级油船,需满足单向200 m×30.5 m通航要求。此外靠该岛码头侧布设通航孔时需考虑500 t级渔船停泊净空16 m×21.5 m。
小干大桥桥区处于沈家门航道中心渔港码头处,桥轴上下游码头密布,为避免码头的搬迁,减少岸线资源的破坏,同时为避免桥梁对主航道通航的影响,防止船舶撞击的危险,一侧主墩设置在码头内侧,主跨一跨跨越主航道深水区。通航孔除满足3 000 t级油轮海船的通行外,还需兼顾500 t级渔船在码头侧停泊和通航富裕宽。小干岛侧主墩则跨过主航道深水区后落在暗礁附近,降低船撞风险。综合考虑上述因素,确定主跨跨径为300 m,边跨根据计算采用130 m,不设辅助墩。最终主桥跨径组合为(130+300+130)m,边、中跨之比为0.433。图2为桥位平面图。
图2 桥位平面图
主桥采用半漂浮体系,主塔、主梁之间设KFPZ10000SX横向抗风支座,边墩处主梁底设横向限位挡块;主梁纵向均设活动支座,但在塔梁处设750S×350X型阻尼器(最大阻尼力±750 kN,最大位移±350 mm)。图3为支承体系总体布置图。
图3 支承体系总体布置图
对混凝土斜拉桥常规的双边箱、“π”型、整体单箱断面进行了对比。由于该桥桥面净宽仅15 m,考虑拉索区后为19 m,桥面宽度小,采用双边箱或“π”型断面,单肋宽度小,主梁刚度受到限制,经分析仅活载作用下,混凝土梁应力幅达到9 MPa,受力性能较差,因此推荐采用整体箱断面,以提高主梁的抗弯、抗扭刚度。整体箱采用单箱三室断面,箱梁中心高度采用2.75 m。桥面行车道净宽15 m,两侧各0.5 m防撞护栏,护栏外侧为1.5 m斜拉索锚索区和检修道区,总宽度为19 m。
箱梁标准段每8m为一个节段,单个节段混凝土重320 t左右。箱梁顶板厚0.25 m,底板厚0.3 m,三角边箱底板厚0.25 m,中腹板厚0.4 m。中间箱室净宽6 m,边箱室净宽4.2 m,两侧1.5 m挑臂根部厚1 m,为拉索梁端部的锚固区域。0号段顶板加厚至0.4 m,底板加厚为0.6 m,三角边箱底板加厚为0.4 m,中腹板为0.6 m。边跨现浇段除顶板仍为0.25 m厚,其余结构尺寸同0号节段。边跨箱梁设压重混凝土,分步施工。
主梁设纵、横向预应力,其中纵向预应力依施工步骤分为两种:悬臂施工用预应力,采用预应力精轧螺纹钢筋;中、边跨合龙段预应力,采用øs15.2低松弛预应力钢绞线。横向预应力依横梁位置大致分为六种,分别采用15øs15.2预应力钢绞线和19øs15.2预应力钢绞线。图4为锚固横梁横向预应力布置图。
图4 锚固横梁横向预应力布置图(单位:cm)
索塔采用倒Y型,一方面增加主塔自身的横向稳定性,另一方面为斜拉索空间索面布置提供条件,增加结构的抗风性能。
索塔承台以上全高113.5 m。索塔上塔柱为直线段,高35.45 m,中塔柱为51.75 m。塔柱采用空心箱形断面,上塔柱横向宽5 m,壁厚0.85 m,中塔柱单柱横向宽3 m,壁厚从0.85 m至1 m变化,下塔柱横向名义宽从3.2 m至5.5 m直线过渡,壁厚1 m。下塔柱底横梁为高3.5 m实心段连接。上、中塔柱顺桥向宽7m,壁厚分别为1 m和1.2 m,下塔柱顺桥向宽从7 m直线变化到8.5 m,标准段壁厚1.2 m,与下横梁连接段4.5 m高范围内为实心段。
索塔在中塔柱弧线段分叉处设置了预应力,由于该处受力较为复杂,因此,从1号斜拉索锚固顶面至横向分叉圆弧顶6.95 m高范围内采用了实心段。为了承受倾斜的中、下塔柱在中横梁内产生的拉应力,在下横梁内配置了70根15øs15.2 0 mm预应力钢绞线。图5为主塔构造图。
主墩基础每墩设15根ø2.5 m钻孔灌注桩,矩形布置,为抵抗横桥向的风荷载产生的较大水平力和弯矩,横向布置5排,顺桥向布置3排,桩尖进入中风化岩层不小于3倍桩径。过渡墩采用矩形空心板式墩,墩身厚3.0 m,横桥向宽8.3 m,墩高24.6 m;基础为6根ø1.8 m钻孔桩。
图5 主塔构造图(单位:cm)
斜拉索的间距与索力成正比,索距越大每根索的索力越大。目前的密索体系斜拉桥在混凝土主梁上的间距为4~12 m。该桥斜拉索采用扇形空间双索面布置,每塔每索面共18对斜拉索,共144根。因锚固方式采用钢锚梁形式,考虑到张拉空间的需要,塔上索距分别为2 m、2.1 m,梁上索距除边跨压重区为4 m外,其余均为8 m。斜拉索采用高强度低松弛平行钢丝索,索体采用双层HDPE防护的全防腐索体,抗拉强度标准值为fpk=1 670 MPa。拉索锚具采用冷铸镦头锚锚固体系,均在主塔端张拉。斜拉索在预埋钢导管内设置体内减振器,拉索外表面压麻坑或设双螺旋线,以防止产生风雨振。
2.5.1 索梁连接
斜拉索梁端采用混凝土齿块锚固,在箱梁外侧设置齿块,预埋斜拉索导管,斜拉索采用牵引索拉伸至塔端,梁端作为固定端,斜拉桥在塔端进行张拉。图6为斜拉索主梁锚固构造图。
2.5.2 索塔连接
除1号索直接锚固于塔壁外,其余斜拉索塔端均采用钢锚梁锚固结构。钢锚梁设置在上塔柱中,共17节,各锚固一对斜拉索。钢锚梁由受拉锚梁和锚固构造组成(见图7、图8)。
图6 斜拉索主梁锚固构造图(单位:cm)
图7 钢锚梁空间视图
图8 钢锚梁有限元模型
每对斜拉索面内的平衡水平分力由钢锚梁承受,部分不平衡水平分力通过梁端顶座传递到预埋钢板,由索塔承受;竖向分力通过牛腿传到塔身后,全部由索塔承受;空间索在面外的水平分力由钢锚梁自身平衡。为达到此受力模式,构造上采取下列措施:
(1)与钢牛腿的接触面之间采用不锈钢和四氟板构成滑动摩擦副,用以消除钢锚梁与钢牛腿接触面之间的摩阻力对塔的影响,确保平衡水平分力全部由钢锚梁承受的受力模式。工地整体组装前,四氟板面涂硅脂,增加摩擦副的润滑性。
(2)一端设置固接螺栓,安装斜拉索时,钢锚梁的一端与牛腿固结,以避免施工中发生两侧挂索不同步时,造成钢锚梁位置的失控而冲击塔壁。
(3)利用钢锚梁与钢牛腿的连接螺栓抗剪传递横桥向的不平衡水平分力。
吊装施工时,锚梁与牛腿临时固结,形成整体一起吊装。钢锚梁与钢牛腿整体安装后,先松开一侧的连接螺栓,再进行斜拉索张拉。张拉完成后,再松开另一侧的螺栓,保证钢锚梁与钢牛腿间顺桥向无约束(见图9)。
图9 钢锚梁、牛腿连接示意图
小干大桥采用混凝土闭合箱梁断面,主跨自重较大,主梁的扭转刚度较大,具有较高的扭转自振频率和扭弯频率比;同时,也对控制截面地震响应贡献最大的振型周期相对较长,为大桥的抗风抗震安全性提供了良好的结构动力学基础。根据主桥结构抗风验算和主梁节段模型风洞试验,成桥状态和施工阶段主梁颤振临界风速均大于主梁的颤振检验风速,满足抗风规范相关要求。图10为施工状态主梁节段模型。
图10 施工状态主梁节段模型
塔梁之间需设KFPZ10000SX横向抗风支座,边墩处主梁底设置横向限位挡块;主梁纵向均设活动支座,但在塔梁处设KZ-750Sx350X型阻尼器。由于纵向阻尼器对温度、混凝土收缩徐变等速率缓慢的变形,约束力很小,对活载、风、地震等速率较快的变形,能有效约束,因此,设置纵向阻尼器可防止主梁瞬间位移,提高行车舒适性,同时,阻尼器对地震反应的消能作用也较显著。
主桥抗震验算结果表明,从地震作用下主梁控制截面的内力结果与静力计算结果可知,主梁控制截面的地震内力小于静力结果,地震力不控制设计,主塔结构各控制截面承载能力均能满足要求
小干大桥主桥采用悬臂浇筑、前支点挂篮施工。由于该桥边中跨纵坡差较大,对称悬臂状态下因两侧拉索锚固点高程、索倾角存在一定的差异,主梁、主塔受力难以保证完全平衡,为改善施工过程中的受力平衡,对斜拉索提出多次张拉的要求:
(1)前支点挂篮前移,斜拉索挂索临时锚固,张拉1/3施工索力;
(2)混凝土浇筑一半左右,第二次张拉对应索力,索力约为施工索力的2/3,以控制主梁梁端位移和应力满足施工过程需要为宜;
(3)全部混凝土浇筑完毕,达到龄期要求后,斜拉索锚固转移至主梁,第三次张拉斜拉索;
(4)挂篮前移,重复(1)-(3)步骤;
(5)待边中跨合拢,桥面及附属设施施工完成后,检查斜拉索索力与设计成桥索力的差异,进行调索,确保成桥索力与设计索力基本一致,主梁、主塔各项指标处于合理状态。
该桥位于海洋环境,耐久性设计是该桥设计的重点。
2.9.1 海工耐久性混凝土
采用的海工耐久混凝土,其配合比根据不同结构部件、不同配筋部件、不同设计要求、不同施工方法、不同环境侵蚀作用、不同原材料分别进行设计,主要从原材料和混凝土配合两方面严格要求。对桥梁各部位海工耐久混凝土的抗氯离子渗透性提出严格要求(见表1)。
表1 海工耐久混凝土抗氯离子渗透性要求一览表(12W龄期)
2.9.2 增加混凝土的保护层厚度
理论上加大保护层厚度对提高构筑物耐久性具有显著效果,但厚度增加是有一定限度的。当保护层过厚时,将减小截面受压区高度,降低结构的承载能力,使得结构的力学性能得到损害。因此需要根据结构部位和受力特点,设置合理的钢筋保护层厚度。该桥各部位的保护层厚度如表2所列。
表2 构件保护层厚度一览表
2.9.3 混凝土外表面涂装
主桥主梁及主塔外表面进行防腐蚀涂装。
小干大桥总体静力计算采用空间有限元程序Midas进行计算。计算从施工阶段(主桥计算包括挂篮悬臂浇筑、支架现浇、各跨合龙、二期恒载等)至竣工后运营阶段等,对不同的结构体系进行了全过程结构分析。根据该项目特点,对于各主要构件采用以下组合进行验算。
施工阶段:恒载+施工荷载。
组合(1):恒载+汽车活载+支座不均匀沉降。
组合(2):组合(1)+风力 +体系升温 +材质温差+梯度温度。
组合(3):组合(1)+风力 +体系降温 +材质温差+梯度温度。
组合(4):组合(1)+ 风力 + 体系升(降)温 + 材质温差+梯度温度。
百年风荷载与汽车活载不同时组合。
索塔结构计算主要分为四个阶段:裸塔阶段、最大双悬臂施工阶段、最大单悬臂施工阶段和使用阶段。在各阶段均进行纵桥向、横桥向及纵横耦合计算。施工阶段采用容许应力法计算结构的应力,使用阶段进行承载能力极限状态验算和正常使用极限状态验算。
施工阶段:恒载+施工荷载+风荷载。
组合(1):恒载+汽车活载+支座不均匀沉降。
组合(2):组合(1)+ 风力 + 体系升(降)温 + 材质温差+梯度温度。
组合(3):组合(1)+船撞力。
组合(4):组合(1)+地震力。
百年风荷载与汽车活载不同时组合。
小干大桥作为较低等级公路上的一座特大桥,纵坡大、桥面窄、跨度要求高,造价指标控制严,跨越沈家门水道,通航条件复杂,海洋环境耐久性要求高,建设条件较为复杂,施工和运营难度较大,同时景观要求高,给设计工作带来了巨大挑战。
该桥桥跨布置突破常规设计,将主墩设置于该岛侧码头后延,保证了主墩防撞、船舶通行安全,同时缩短了主跨的跨径,有效地控制了工程造价。方案设计采用了混凝土斜拉桥方案,倒Y型桥塔,研究采用了整体箱断面、钢锚梁等构造。针对悬臂状态体系的不平衡,提出了精细化斜拉索施工方案。
大桥设计结合桥面大纵坡,主梁线形流畅,主塔高跨比协调,桥型整体与沈家门航道相映成趣,在景观上也取得了良好的效果,真正体现了安全、经济、适用、美观的设计原则。