高岭头水库特大桥主桥设计

戴显荣，叶雨清

(浙江省交通规划设计研究院有限公司，杭州 310030)

高岭头水库特大桥是溧阳至宁德国家高速公路(G4012)浙江省景宁至文成段的控制性工程，大桥位于温州市文成县境内，跨越高岭头水库。主桥采用(140+300+140)m双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，西引桥采用(15×40+4×35+4×40)m预应力T梁桥，东引桥采用(4×40+3×30)m预应力T梁桥。全长1.73 km，其中主桥长580 m，大桥总投资约4.3亿元。

该桥桥址位于高岭头水库大坝上游约330 m，跨越水域宽约250 m，最大水深62.5 m，年平均水位319.02 m，设计洪水位327.96 m。桥址处水库两侧山体地形起伏较大，其中西侧山体地形陡峭，桥轴线对应的地面线倾角40°～55°，桥轴线与等高线夹角35°～50°。水库东侧地形相对较缓，桥轴线对应的地面线倾角20°～30°，桥轴线与等高线基本正交。主墩位于山体斜坡水位线上方，西侧主墩位于水泥硬化便道上，坡表直接出露有强-中风化基岩，岩性为晶屑熔结凝灰岩，中风化岩体坚硬完整。东侧主墩位置坡表残坡积厚度1 m～3 m，上部全-强风化厚度较大，约5 m～15 m，岩性为晶屑熔结凝灰岩，中风化岩体坚硬完整。

1 主要技术标准

公路等级为双向4车道高速公路，设计速度为80 km/h，汽车荷载等级为公路-Ⅰ级，标准横断面总宽度28 m(含拉索锚固区2×1.5 m)，设计洪水位为327.96 m，无通航要求，环境类别为Ⅰ类，桥梁设计基本风速为32.9 m/s，地震基本烈度为Ⅵ度，E1地震作用按50年10%超越概率，水平峰值加速度0.072g，E2地震作用按100年4%超越概率，水平峰值加速度0.146g。

2 主桥结构设计

2.1 关键技术问题

本桥主要关键技术问题如下：

1)本桥所在区域台风多发，桥梁设计基本风速为32.9 m/s，地面粗糙度系数为0.135，对桥梁抗风要求高。

2)受路线纵断面限制，桥面距离水面达131.5 m，主墩高度大，提高结构整体刚度尤为重要。

3)索塔高度大，结构受力复杂。

上述关键技术问题主要通过结构体系设计、索塔构造设计、设置索塔临时拉杆与撑杆及主梁合龙口进行预顶的施工措施进行优化。

2.2 桥型方案及桥跨布置

根据路线总体设计，本桥西侧引桥起点接特长隧道，东侧引桥进入互通主线加减速车道变宽区内。全桥位于下坡路段，受桥梁终点位置互通布设及互通区内山体开挖方量的控制，桥面较高，主桥跨水库路段桥面(高程450.5 m)距水库平均水位(高程319.0 m)约131.5 m。

主桥桥型方案主要受桥位处的地形地貌、水库水文条件、路线纵断面设计、运输条件及工程造价等因素影响。设计中对拱桥、悬索桥、连续刚构、矮塔斜拉桥、斜拉桥5种桥型进行了综合比选。

拱桥方案由于受桥面标高、地形的影响，其跨径需达380 m，西侧拱座位置地形陡峭，且横向高差达到35 m，不利于拱座布设。

悬索桥方案综合考虑锚碇和索塔处的地形地质情况及施工方案[1-4]，采用主跨450 m较合适，但由于主跨跨径较其他几个桥型增加较多，故工程造价最高。

连续刚构桥、矮塔斜拉桥方案为减少施工对水库的影响，避免水中设墩，主跨跨径至少为260 m，对预应力混凝土连续刚构桥和矮塔斜拉桥来说已接近跨径极限，裂缝控制难度大，耐久性较差。

斜拉桥方案可以较好地适应该跨径范围。

综合考虑结构地形地貌、结构受力性能、工程造价、施工难易程度、对水库的影响、桥梁景观等因素，高岭头水库大桥最终采用(140+300+140)m预应力混凝土斜拉桥方案，桥面顶全宽28 m，两侧拉索区各宽1.5 m，边护栏间宽25 m。主桥位于0.8%下坡路段，主桥总体布置如图1所示。

(a)立面

2.3 结构体系

斜拉桥常用的结构体系有飘浮体系、半漂浮体系、塔梁固结体系、刚构体系等。飘浮体系和半漂浮体系可释放温度引起塔柱弯矩，但桥梁纵向刚度小，纵向风荷载引起的梁端和塔顶水平位移大，塔底弯矩很大；塔梁固结体系结构整体刚度小，支座需要承受塔柱自重荷载，支座养护和维修困难，适合于低墩小跨径斜拉桥；刚构体系结构整体刚度大，抗风性能好，可大大减小梁端和塔顶水平位移，但由温度引起的主梁轴力和塔根部弯矩大于飘浮体系[5]，适合在桥面以下墩身较高的斜拉桥。本桥桥面以下塔柱高约120 m，可大大降低温度引起塔柱纵向弯矩，又因桥址处设计基本风速大，刚构体系可有效控制风荷载引起的塔梁位移，使梁塔墩三者能够很好地协同发挥受力性能[6]，推荐采用3跨连续刚构体系，过渡墩处采用双向活动支座+抗风支座，梁端与过渡墩间安装纵向阻尼器。

2.4 主梁

预应力混凝土梁斜拉桥比较典型的主梁截面形式有双肋板式截面、双边箱式截面、单箱多室截面，3种断面中双肋板式截面所用材料最节约，重量最轻，施工方便，但其主梁抗扭刚度相对较小，由于本桥采用空间双索面拉索能提供足够的抗扭刚度，因此推荐主梁采用双肋板式截面。

主梁混凝土强度等级为C55，因近塔区主梁刚度变化大，结构受力复杂[7-8]，在两侧各15.5 m范围内梁段掺合聚丙烯纤维，以改善重点受力部位的混凝土结构耐久性[9-10]。

主梁横断面主要尺寸如图2所示。主肋高度2.7 m，宽2 m。全梁顶宽28.0 m，底宽28.5 m。桥面板为受力单向板，标准板厚0.32 m。边跨压重区主肋加宽至3.8 m，桥面板加厚至0.40 m；主梁横隔板厚度0.40 m。索塔根部主肋加宽至3.8 m，桥面板加厚至0.80 m。边跨共分22个节段，其中1个边跨合龙段，6个压重标准节段；索塔区设1个托架现浇段；中跨共分41梁段，其中1个中跨合龙段，40个标准节段。主梁标准节段长度7 m，压重段标准节段长度5.2 m。边跨合龙段长2.5 m，中跨合龙段长度3.0 m。主梁设纵向预应力，采用标准强度为1 860 MPa钢绞线和标准强度为930 MPa预应力粗钢筋；横隔板设横向预应力，采用标准强度为1 860 MPa钢绞线。

单位：cm

2.5 索塔及锚固区

索塔采用花瓶造型，由上、中、下3段塔柱和3道横梁构成，下塔柱单柱段和分叉段间、中塔柱与上塔柱间均采用半径50 m圆弧过渡。塔柱为钢筋混凝土结构，材料为C50，横梁为预应力构件。

1号和2号塔高分别为203.8 m、190.9 m，其中桥面以上高度均为91.14 m，高跨比为0.304。为方便施工，1号塔与2号塔外形变化率一致，2号塔在1号塔的基础上将下塔柱截短而成。1号塔构造如图3所示。

(a)立面

上、中塔柱、下塔柱分叉段采用单箱单室断面，下塔柱单柱段采用单箱3室断面，结构刚度大，塔柱外侧设置50 cm倒角，有利于抗风，也更能突出景观效果。索塔下塔柱由单柱段和分叉段组成，单柱段顺桥向7.67 m～10 m，横桥向14 m～16 m，下塔柱分叉段顺桥向6.8 m～7.67 m，横桥向4.34 m～6.3 m；中塔柱和上塔柱顺桥向6.8 m，横桥向4.0 m。

索塔共设上、中、下3道横梁，上横梁和中横梁宽度5.8 m，高度6.5 m，壁厚0.8 m；下横梁宽度6.0 m，高度6.0 m～6.28 m，壁厚0.8 m，顶面做成双向2%横坡，纵向-0.8%纵坡。

塔柱斜拉索锚固区设置环向预应力，预应力材料采用Ф32 mm精轧螺纹预应力粗钢筋，标准强度fpk=1 080 MPa。为尽可能减少预应力张拉槽口对塔壁的影响，减少锚固回缩预应力损失，所有预应力粗钢筋采用单端张拉[11-12]。根据索力对塔壁内外侧产生的应力效应，顺桥向同层设6根，其中2根偏向塔壁外侧，4根偏向塔壁内侧，横桥向同层设8根，其中6根偏向塔壁外侧，2根偏向塔壁内侧。预应力粗钢筋顺桥向层间距15 cm，横桥向层间距15 cm，顺桥向与横桥向交错布设，层间距7.5 cm。环向预应力粗钢筋布设如图4所示。

单位：cm

2.6 斜拉索

斜拉索采用直径为7 mm的高强度、低松弛平行钢丝成品索，钢丝采用锌-5%铝混合稀土合金镀层钢丝，标准抗拉强度为1 860 MPa。

每个索塔分别布置20对斜拉索，全桥共160根斜拉索，最长约168 m，最大规格为PES7-241，单根最大重量(不计锚具)约为13.2 t，根据索力分为PES7-109、PES7-139、PES7-163、PES7-187、PES7-211、PES7-241共6种规格。斜拉索塔端竖向间距1.8 m，梁端标准水平间距7 m，压重区间距5.2 m。斜拉索减振措施采用阻尼器和气动措施并用的方案，阻尼器在斜拉索的两端同时安装，梁端布置剪切粘滞外置阻尼器，梁端、塔端索导管内布置耐久性较好、易维护保养的高阻尼橡胶圈。斜拉索表面设置双螺旋线，以控制斜拉索风雨振效应[13]。

2.7 下部结构

主塔基础承台采用矩形承台，纵桥向宽24.1 m，横桥向宽30.6 m，厚6.5 m，采用C45混凝土。承台下采用20根直径为280 cm钻孔灌注桩，按嵌岩桩设计，桩基间距为6.5 m，采用C35水下混凝土，由于两索塔基础位于山体倾斜面上，且地表覆盖层厚度不同，桩基采用不等长设计，西侧索塔桩基长度为20 m～28 m，东侧索塔桩基长度为22 m～30 m。索塔塔柱与承台间设置棱台形塔座过渡，塔座高2 m，顶面顺桥向13 m，横桥向20 m，底面顺桥向17 m，横桥向24 m，采用C40混凝土。索塔基础布置如图5所示。

(a)横桥向

过渡墩采用门式墩，墩顶采用L型盖梁，盖梁长28.8 m，宽4.4 m，高3.5 m～4.8 m。墩柱采用方形墩，纵、横向桥宽均为4.0 m，墩身采用C40混凝土。承台为分离式矩形承台，横桥向长12.5 m，顺桥向宽8.0 m，厚度为3.0 m，采用C35混凝土。基础为钻孔灌注桩基础，按嵌岩桩设计，每个承台下设6根桩，桩径2.0 m，采用水下C35混凝土，西侧过渡墩桩基长度为12 m～15 m，东侧过渡墩桩基长度为13 m～16 m。

3 结构整体分析

采用Midas/Civil软件建立主桥空间有限元模型，如图6所示，进行结构整体分析。索塔及基础、主梁、过渡墩及基础采用梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟，斜拉索与主梁及索塔的连接采用主从约束，建立索塔塔柱施工过程、主梁分节段浇筑、合龙等详细的施工阶段。

图6 主桥空间有限元模型

分析计算结果，认识如下：

1)在极限风荷载作用下，主梁梁端纵向位移17 cm，相较单塔设固定支座的半漂浮体系，位移减小了43%，主梁跨中最大横向位移24 cm，桥梁具有较大的整体刚度。

2)在成桥恒载下，主梁上缘最大压应力为8.6 MPa，主梁上缘最小压应力为2.3 MPa，下缘最大压应力为10.4 MPa，下缘最小压应力为2.3 MPa，无拉应力出现。

3)在最不利荷载作用下，主梁上缘最大压应力为12.6 MPa，主梁上缘除0号块支点局部有0～1 MPa拉应力外，最小压应力为0.7 MPa，无拉应力出现，主梁下缘最大压应力为14.6 MPa，下缘最小压应力为0.1 MPa，满足全预应力构件要求。

4)斜拉索最大应力666 MPa，最大应力幅176 MPa。

5)索塔塔柱截面承载能力和抗裂验算均满足规范要求。

4 施工方案

本桥索塔塔柱线形以直线为主，截面较规则，可采用液压爬模施工，分节段浇筑，为改善索塔内力，塔柱施工时，需在下塔柱分叉段设置临时拉杆，在中塔柱设置临时撑杆进行内力调整，以优化索塔内力。为保证索塔锚固区预应力精轧螺纹粗钢筋的有效性，减少环向预应力损失，要求预应力粗钢筋至少滞后一个施工阶段张拉，并在第一次张拉完成后约3 d进行二次复拉工艺。

中跨主梁位于水面以上130.5 m，索塔处主梁距离地面约120 m，边跨主梁距离地面约30 m～120 m，搭设支架难度大，成本高。因此，主梁0号、1号梁段及边跨端横梁段采用托架法浇筑施工，托架拼装后，进行预压，预压重量不小于上部结构自重1.2倍，以确保安全和消除非弹性变形。主梁其余梁段采用前支点挂篮分段对称悬臂浇筑施工。为改善施工过程中主梁受力，需分批次张拉斜拉索，其中节段浇筑一半重量时需张拉一次张拉斜拉索。主梁边跨合龙段和中跨合龙段采用吊架施工，由于后期收缩徐变引起主梁缩短，增加塔底弯矩，故在中跨主梁合龙前需对主梁进行预顶，预顶力为1 500 kN，以优化索塔受力[14-15]。

5 结束语

本文以浙江温州高岭头水库特大桥为研究对象，分析了该桥设计的关键技术问题，提出了采用斜拉桥方案，主要认识如下：

1)在跨越山区峡谷宽大水域的高墩桥梁中，斜拉桥方案具有较好的适应性。

2)对于抗风要求高的斜拉桥，采用刚构体系可显著减少梁端纵向位移，提高桥梁整体刚度和抗风性能。

3)在索塔锚固区设置单端张拉预应力粗钢筋可减小开槽对塔柱截面的削弱，对预应力粗钢筋进行二次张拉可提高预应力有效性。

4)在主梁中跨合龙前，通过对合龙口进行预顶，在索塔施工过程中，通过设置主动拉杆和撑杆，可优化索塔结构受力。