揭阳市区进贤门大桥主桥设计

周宇，魏朝柱，何海

(广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东 广州 510507)

1 工程概况

广东揭阳市区进贤门大桥是横跨榕江北河连接揭阳市揭东区与空港经济区的景观大桥，为提高城市形象，在桥梁方案设计阶段，建设方增加了景观设计环节，提出“印象进贤，水上莲花”的设计主题，提取进贤楼、莲花、五行山墙等在潮汕具有特色和代表性的元素融入到大桥的设计中。

道路等级为城市主干道，设计速度60 km/h，双向八车道，主桥桥梁总宽为44.9 m，设计基本风速为39.4 m/s，设计基本地震动峰值加速度值为0.15g。

桥址处河宽约230 m，河道较顺直，水流较为平缓，航槽内最大水深约6.8 m。榕江北河为内河Ⅲ级航道，单孔双向通航可通行1 000 t海轮，通航孔净宽182 m、净高18 m。桥址区属亚热带海洋性气候，每年7、8、9月6级以上强风占总数的83%，历史最大台风风力11级，风速达28 m/s。

桥址区基岩覆盖层主要为粉质黏土、淤泥、砂类土、碎石土，厚度为25～75 m；基底由燕山期花岗岩及其风化层组成，岩体一般较为完整，局部较为破碎。

2 主桥设计

2.1 总体设计

进贤门特大桥主桥全长386 m，为(38+50+210+50+38)m无推力中承式提篮拱桥。大桥结构体系可进一步分为下列子结构：主墩、辅助墩、过渡墩墩身及基础；三角刚架及混凝土梁；钢箱拱；系杆索、吊杆索；钢箱梁；连桥；纵向阻尼限位设备及梁端伸缩缝。桥梁总体布置见图1。

图1 桥梁总体布置图(单位：cm)

桥面整幅布置，全宽44.9 m。桥面横向布置为：3.5 m人行道+3.2 m拉索区+15.25 m行车道+1 m中央分隔带+15.25 m行车道+3.2 m拉索区+3.5 m人行道。结合“印象进贤，水上莲花”的设计主题，三角刚架上立柱采用中间镂空的形式设计成揭阳市花莲花的花瓣造型，牌楼总体样式采取潮汕风格的进贤门城楼形式，通过连桥将牌楼与主拱连接在一起。每个过渡墩、辅助墩、前横梁各设4个球形支座；钢主梁端部横向各设2个抗风支座；三角刚架前横梁与钢主梁之间设置纵向阻尼器。

2.2 结构设计

2.2.1 钢箱拱

主拱结构为平行箱形拱，跨度210 m(含三角刚架前斜腿，钢拱段跨度162.6 m)，矢高约52.5 m(含三角刚架前斜腿)，主拱矢跨比为1/4.0，拱轴线采用m=1.25的悬链线，竖直面布置，拱肋间距34.1 m。

钢箱拱采用等高度箱形截面，尺寸为宽2.8 m×高3.8 m，顶、底板厚44～32 mm，腹板厚36～28 mm。钢箱拱沿着桥轴立面分为19个节段，单节段最大重量77 t。钢箱拱节段设3～7道横隔板，普通隔板厚度为20 mm，吊点隔板厚度为30 mm；顶、底板设3道纵向加劲肋(高度300 mm，厚度30～26 mm，间距700 mm)；腹板设6道纵向加劲肋(高度300 mm，厚度30～26 mm，间距540 mm)；吊杆锚垫板通过承压板锚固在内径175、154 mm的锚管上。节段间钢箱拱顶板、底板、腹板采用熔透焊接连接，纵向加劲肋采用高强度螺栓连接。钢箱拱横断面图见图2。

图2 钢箱拱横断面图(单位：mm)

钢混结合段分为钢结构刚度过渡段及钢包混凝土段，两段以60 mm厚承压钢板为分界，钢包混凝土段设置PBL剪力键及预应力钢束。

两片拱肋通过5道钢箱横撑连为一体，钢箱横撑采用等腰梯形断面，上底宽2 231～2 487 mm、下底宽2 108～2 362 mm、高2 670～2 724 mm。横撑与钢拱肋间设整体节点，整体节点与横撑的连接采用全断面熔透焊接连接。

2.2.2 三角刚架及混凝土梁

三角刚架及混凝土梁由主墩、前后斜腿、边跨混凝土梁、前横梁、墩顶横梁、后斜腿横梁及系杆索锚固件等结构组成。

主墩断面为矩形，顺桥向8.5 m，横桥向3.8 m。前斜腿中心线位于拱轴线的起始段，后斜腿中心线采用抛物线，均为矩形截面(其中空心断面壁厚1 m)，采用预应力混凝土结构。前斜腿截面高度由下端5.8 m渐变至上端钢混结合面3.8 m，桥面以下部分宽度3.8 m，桥面以上部分2.8 m；后斜腿截面高度由下端5.8 m渐变至上端与主梁边箱相接处3.8 m，下缘接入主梁，上缘与主梁以1 m圆弧相接。三角刚架构造图见图3。

图3 三角刚架构造图(单位：cm)

边跨混凝土梁为单箱六室箱梁，为预应力混凝土结构，在施工过程中分段浇筑。中箱顶板厚32 cm，底板厚30 cm；中腹板厚度由50 cm渐变至80 cm；边箱顶、底板厚50 cm，腹板厚度由50 cm渐变至65 cm，在横隔板上设置高80 cm的拱门形人孔；主梁中心线处梁高348 cm，边箱梁高318 cm。混凝土梁横断面图见图4。

图4 混凝土梁横断面图(单位：cm)

边跨混凝土梁在前斜腿相交处设置前横梁，前横梁为单箱单室截面，宽4.5 m,梁高在混凝土梁梁底加高25 cm，壁厚75 cm，中部设置牛腿，顶部设置伸缩缝预留槽；在后斜腿相交处设置后斜腿横梁，后斜腿横梁采用单箱单室截面，宽5 m,梁高在混凝土梁梁底加高50 cm，腹板厚1.5 m，底板厚1 m,顶板厚0.52 m；在辅助墩、过渡墩墩顶处设置墩顶横梁，采用矩形实心截面，梁高与边跨混凝土梁相同，其中辅助墩墩顶横梁宽2.8 m，过渡墩墩顶横梁宽1.8 m。

系杆在边跨混凝土梁边箱内采用锚固块锚固，锚固块与辅助墩墩顶横梁做成一体，一处锚固块锚固6根系杆。

2.2.3 钢箱梁

中跨主梁采用单箱三室扁平流线形全焊钢箱梁，主跨主梁全长173.9 m，两端支撑于三角刚架前横梁牛腿上。钢梁桥面总宽44.9 m，行车道设2%横坡，人行道平坡，底部保持水平，标准节段长10.2 m，最大吊重234 t。行车道区域、拉索区域、人行道区域顶板厚分别为16、18、12 mm；底板、斜底板、斜腹板厚10 mm；直腹板厚16 mm。行车道区域顶板采用纵向U形加劲肋(上口宽300 mm，底宽170 mm，高280 mm，板厚8 mm，间距600 mm)；行车道区域底板采用纵向U形加劲肋(下口宽500 mm，上底宽255 mm，高260 mm，板厚6 mm，间距1 000 mm)；拉索区域顶板采用板式纵向加劲肋(高180 mm，板厚16 mm，间距400 mm)；人行道区域顶板采用板式纵向加劲肋(高140 mm，板厚12 mm，间距400 mm)；斜底板、斜腹板采用板式纵向加劲肋(高120 mm，板厚10 mm，间距450 mm)。钢箱梁横断面图见图5。

图5 钢箱梁横断面图(单位：cm)

钢箱梁横隔板间距为3.4 m，普通横隔板竖向由上、下两块板组成，上板与钢箱梁顶板一起组装，上、下板通过加劲肋焊接连接。普通横隔板上板厚16 mm，下板厚12 mm；拉索区域横隔板板厚16 mm，吊点处横隔板加厚至40 mm。除吊点处横隔板采用双面加劲外，其余横隔板均采用单面加劲。吊索连接耳板与吊点处横隔板是同一块板，耳板处顶板预留槽口，该处顶板加劲肋焊接于横隔板上。

2.2.4 下部结构及基础

(1)主墩下部结构及基础

主墩单个承台尺寸为16.5 m(顺桥向)×56.278 m(横桥向)，厚5.0 m。为提高整体性，用系梁将两承台连接起来，系梁采用实心混凝土，系梁宽8 m，与承台等厚为5.0 m。主墩基础采用3×3×2=18根φ2.5 m钻孔灌注桩基础，按嵌岩桩设计。拱座为一个棱形柱，底面为9.8 m(横桥向)×13 m(顺桥向)，顶面为7.8 m(横桥向)×11 m(顺桥向)，厚度为2 m。主墩承台布置图见图6。

图6 主墩承台布置图(单位：cm)

(2)辅助墩及过渡墩下部结构及基础

辅助墩采用左右幅分离的花瓶墩。墩身横桥向宽度为4.0～6.2 m，顺桥向厚度均为2.5 m，墩顶设喇叭扩头。单个承台平面尺寸为8.2 m×8.2 m，高3 m。单个承台底桩基采用4根φ2.0 m钻孔灌注桩基础，按嵌岩桩设计。

过渡墩采用等截面双柱墩，横桥向两墩中心间距20 m，单个墩身横桥向宽度为4.0 m，顺桥向厚度为2.2 m，墩顶设预应力盖梁。单个承台平面尺寸为8.2 m×8.2 m，高3 m。单个承台底桩基采用4根φ2.0 m钻孔灌注桩基础，按嵌岩桩设计。

2.2.5 桥面铺装

混凝土梁桥面铺装采用10 cm沥青混凝土铺装；钢箱梁采用4.5 cm超高韧性混凝土(STC)+3.5 cm SMA-13组合桥面铺装；人行道铺设3 cm花岗岩砖，基底采用2 cm环氧砂浆调平层。

2.2.6 吊杆索

顺桥向吊杆索中心距为10.2 m，横桥向设锚点，采用双侧双吊形式，两吊杆索横向间距为67 cm。吊杆索采用钢绞线整束挤压式拉索体系，为HDPE护套索体，上端为钢绞线整束挤压锚头并锚在拱箱拱内隔板上，下端桥面锚点为穿销铰。

2.2.7 系杆索

系杆索由高强度低松弛环氧喷涂平行钢丝制成，外包HDPE保护层，均设置在主梁箱内，单侧箱内系杆索根数为6根。

3 结构分析

结构计算分为静力和动力两部分。结构整体计算按空间杆系理论采用三维程序Midas进行计算分析,其中混凝土梁采用折面梁格模型模拟；采用板壳单元对钢箱梁进行仿真分析；采用实体、板壳、梁单元进行全桥仿真复核分析。

3.1 钢箱拱应力分析

钢箱拱分析结果见表1。由表1可知：在基本组合作用下，钢箱拱应力最不利工况是设计基本风荷载作用工况：拱脚上缘、下缘最大应力为81.1、86.7 MPa,最小应力为-208.7、-217.0 MPa；四分点上缘、下缘最大应力为10.3、45.1 MPa，最小应力为-147.0、-123.8 MPa；拱顶上缘、下缘最大应力为-42.0、30.5 MPa，最小应力为-126.7、-92.6 MPa。最大、最小应力满足规范±270 MPa的限值要求。

表1 钢箱拱分析结果

3.2 三角刚架拱脚处应力分析

三角刚架拱脚处应力计算结果见表2。由表2可知：在频遇组合作用下，后斜腿(拱脚处)上、下缘最大应力为-3.1、-2.7 MPa，前斜腿(拱脚处)上、下缘最大应力为-1.2、-2.1 MPa，均未出现拉应力，满足规范1.995 MPa的限值要求。两侧前、后斜腿之间不需通过顶推来消除因收缩徐变导致的向内位移量，故混凝土梁采用单箱六室整体断面是合理的。

表2 三角刚架拱脚处应力

3.3 钢箱梁局部受力分析

钢箱梁局部受力分析结果见表3。

由表3可知：钢箱梁最大主压、主拉应力为-118、180 MPa，满足规范±270 MPa的限值要求；钢箱梁最大剪应力为72.6 MPa，满足规范160 MPa的限值要求。最大主拉应力轨迹线穿过系杆孔位置(内上)，需加大该系杆孔加劲肋的厚度。

表3 钢箱梁局部受力分析结果

3.4 吊杆索、系杆索应力分析

运营状态下吊杆索应力结果见图7。

图7 吊杆索应力

由图7可知：最大应力为541.4 MPa；运营状态下系杆索应力为576.7 MPa。吊杆索、系杆索抗拉强度标准值均为1 860 MPa，因此吊杆索设计安全系数为3.4，系杆索设计安全系数为3.2，满足规范2.5的安全系数限值。

4 结论

(1)在桥梁方案设计阶段引进“印象进贤，水上莲花”的文化主题，将当地具有特色和代表性的元素融入到大桥的设计中，使历史文化、桥梁功能和景观有效结合，从而突显文化内涵之美。

(2)拱肋为混合结构，桥面以下采用混凝土拱以利于防船撞和防腐，桥面以上采用钢箱拱以利于减轻自重及便于吊装，在桥面处设钢混结合段；主梁采用混合梁，在边跨和次边跨采用混凝土箱梁，便于支架施工，增加了边跨压重，有利于减少混凝土拱肋的拉应力；中跨主梁采用扁平闭口钢箱梁，便于施工和减轻自重并提高耐久性。

(3)次边跨主梁在前横梁处设置隐藏式牛腿，在牛腿上放置中跨钢箱梁，有利于减少拱肋及主梁高度，使结构更轻盈优美。通过牛腿实现三角刚架与柔性梁之间的衔接，避免拱梁交叉处刚度突变造成的不利影响。

(4)采用实体、板壳、梁单元进行全桥仿真分析，其计算结果与空间杆系模型基本吻合，各项指标均满足规范要求。