舟山小干大桥主桥总体设计

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）

0 引言

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]。

1 主要技术指标

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。

2 结构设计

2.1 总体设计

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

2.2 主梁

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）

2.3 主塔及基础

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）

2.4 斜拉索

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 主要联接构造设计

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

2.6 抗风设计

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

2.7 抗震设计

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

2.8 施工方案

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。

2.9 耐久性设计

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。

3 总体计算组合选择

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。

3.1 主梁、斜拉索验算

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。

3.2 主塔及基础验算

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。

4 结 语

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。