深水基础自锚式悬索桥设计与施工

吴巨军, 赵林强, 李茜茜

(1.杭州市城建设计研究院有限公司，杭州 311400； 2.浙江工业大学 工程设计集团有限公司，杭州 310014)

前仓大桥是浙江省青田县东赤大道跨越瓯江的控制性工程，主桥采用(45+120+45)m预应力混凝土自锚式悬索桥，如图1所示，桥位处瓯江常水位2.7 m，宽约196 m，场地属于典型的山间河谷地貌，河槽冲刷下切较深，河床最低高程约-24.5 m。由于桥位处常年采砂，河底仅覆盖约1 m厚的砂砾层，下卧即为中风化花岗岩，花岗岩硬度较高，其单轴极限抗压强度约62 MPa～91 MPa。该工程为城市次干路，双向4车道，设计速度40 km/h，两侧设置慢行道，设计荷载等级为城-A级。

图1 前仓大桥实景

1 主要技术难题

1) 主桥基础工程位于深水、急流、裸岩中，选择合理的基础形式和施工工艺对结构安全和建设成本影响较大。

2) 自锚式悬索桥需采用“先梁后缆”施工顺序，深水河道上混凝土主梁的支架搭设难度大。

3) 自锚式悬索桥结构特点与地锚式悬索桥差异较大，施工控制与体系转换比较复杂。

2 主桥结构设计

2.1 桥型方案

瓯江上已经有斜拉桥和拱桥，考虑一桥一景需求，主桥采用3跨预应力混凝土自锚式悬索桥，跨径布置为(45+120+45)m。主桥边中跨比例为0.37，采用较小的边中跨比例有助于提升全桥整体刚度[1]。主缆矢跨比1/5.5，采用较大矢跨比既可凸显立面曲线，又能增加自锚式悬索桥结构整体刚度[2]。加劲梁为预应力混凝土结构，宽30 m，梁高2.2 m。吊索纵向标准间距5.0 m。桥塔塔身采用钢筋混凝土框架结构，因水深较大采用高桩承台，钢管混凝土嵌岩桩基础支撑于岩质河床上。在塔、墩位置设置竖向支座，支座纵向可滑动，总体结构为半飘浮体系[3]。主桥立面布置如图2所示。

单位：m

自锚式悬索桥的特点是主缆锚固在加劲梁上，主缆通过散索套后发散锚固在梁端，主缆锚固入射角约29°，主缆锚固大样如图3所示。主缆锚固产生的水平向分力相当于对加劲梁提供了“免费预应力”；产生的竖向分力主要由端横梁的自重来平衡，如不能平衡则需要配置锚跨。锚固区范围内端横梁尺寸适当放大，并采用铁砂混凝土增加自重以抵消主缆竖向分力。同时，端横梁设置牛腿，引桥直接支撑在端横梁上，进一步增加了压重荷载安全储备。经计算，本桥不需设置锚跨，从而简化了桥梁造型和结构布置。

单位：m

2.2 加劲梁

加劲梁采用C50预应力混凝土纵横梁体系，高跨比1/54.5，底面水平，顶面设置1.5%双向横坡。加劲梁设置4道纵梁以匹配横断面吊杆布置，塔柱两侧各设一根纵梁，纵梁采用宽度1 m实体断面，为改善纵梁受力，内设预应力钢束。加劲梁顶板厚度0.25 m，外侧悬臂长度4.45 m。中横梁基本间距5 m，与吊杆对应设置，横梁跨中高度2 m，按照1.5%横坡向两侧递减，腹板厚0.4 m，吊杆区腹板加厚为0.7 m，腹板内布置横向预应力束。加劲梁标准断面如图4所示。

单位：cm

2.3 桥塔

桥塔主要由静力工况控制设计，自锚式悬索桥初始平衡状态下塔柱弯矩接近零[4]，以承受轴压为主，因此塔身尺寸可设计得较为纤细。桥塔高45 m，横桥向采用门式框架造型，在塔顶以及主梁下方设置高2.5 m横梁，顺桥向采用单柱形。单个塔柱由下塔柱、上塔柱组成，塔柱的4个角设置装饰凹槽，整体造型简洁大方，富有细节；塔柱尺寸自上而下放大，以取得视觉稳定感。主鞍座直接安装在塔顶预埋钢板上，无多余的塔尖造型。桥塔构造如图5所示。

(a) 横桥向 (b) 顺桥向

2.4 桥塔深水基础

深水基础设计是本桥关键技术问题之一，桥梁深水基础形式主要有大直径钻孔桩基础、沉井基础、设置基础等。钻孔桩基础设备要求简单，适应性好，成孔速度快，造价相对较低，是我国最主要的深水基础形式；沉井基础主要应用于超大跨径桥梁工程，特点是承载力高，稳定性好，抗震、抗撞性能比较优越；设置基础是国外深水大跨桥梁的主要基础形式，对设备要求较高，国内采用不多。

根据瓯江水文条件、地质情况及施工工艺要求，桥塔采用嵌岩高桩承台基础，桩长35.5 m，水中自由长度约24.5 m，位于河底砂砾石覆盖层约1 m，嵌入河床底部中风化花岗岩约10 m。考虑深水条件下桩基施工工艺特点，设计采用Φ220 cm钢管混凝土桩[5]，即在壁厚20 mm空钢管内设置钢筋笼，并浇筑C40混凝土，三者形成整体而共同工作的构件，从而大大提升了桩基的强度、刚度、延性和承载力[6]。桥塔桩基横断面如图6所示。

单位：cm

采用钢管混凝土桩基是由建桥条件决定的，是组合结构应用于深水基础的结构创新：

1) 桩长的70%处于水中，成孔和成桩均需要在钢护筒保护下进行，考虑流速及基岩硬度因素，钢护筒必须采用较大的壁厚，用钢量较大，且很难进行水下回收，不如直接按钢管混凝土组合结构进行设计、计算，更符合结构受力真实情况。

2) 青田境内的瓯江，属于典型的山溪性河流，流速快，洪水时还夹带砂砾、石子，对混凝土表面有较大的冲刷侵蚀作用，从而影响桩基结构安全。采用钢管混凝土桩基可有效保护核心钢筋混凝土结构，避免冲刷侵蚀。

3) 桩基位于常水位以下，钢管氧化腐蚀相对比较缓慢；设计采用了牺牲阳极保护法延缓钢管腐蚀，阳极材料采用铝合金，设置在承台以上塔柱内侧，可定期更换。

单个桥塔承台平面尺寸13.3 m×8.5 m，厚3.5 m，左右承台之间采用系梁连结；单个承台设置6根Φ220 cm钢管混凝土桩。桥塔基础平面布置如图7所示。

单位：cm

2.5 缆吊系统

主缆由3跨组成，边跨和中跨的理论跨径分别为45 m、120 m，中跨理论垂跨比为1/5.5。主缆在横断面上布置为平行双缆面，采用预制平行钢丝索股逐根架设(PPWS)，每根主缆内含37股平行钢丝索股，每股内含91丝Φ5 mm的锌铝合金镀层钢丝，单根主缆共3 367丝，竖向排列成尖顶的正六边形，锌铝合金镀层钢丝标准强度σb=1 770 MPa。通过紧缆后主缆为圆形，索夹处直径320.4 mm(孔隙率18%)，索夹间直径324.4 mm(孔隙率20%)。设计重视主缆防腐设计，锌铝合金镀层钢丝的抗腐蚀性能是常规镀锌钢丝的2倍以上[7]。主缆外防护采用“磷化底漆+9501B不干性密封膏+镀锌低碳钢丝缠绕+表面涂装”的组合防腐体系，如图8所示。

单位：cm

吊索采用竖直形式，基本间距5 m，采用22根Φ15.2 mm环氧喷涂钢绞线索体，标准强度1 860 MPa。吊索上端通过叉耳板与索夹销接，下端采用锚头直接锚固在主梁上，锚头球形螺母和梁底预埋锚垫板之间设球铰以适应吊索变形。

主索鞍采用全铸式肋传力结构，材料为ZG275-485H钢，由鞍体和座板组成，高2.06 m，长4.1 m，承缆槽底部立面圆弧半径为2.93 m。座板顶面设置纵向限位装置以保证鞍体在施工顶推时保持直线。索股架设就位后，顶部用锌块挤密压紧，加盖不锈钢板保护罩。

索夹由2个壁厚40 mm铸钢半圆构件，通过高强螺栓上下对合连接而成，索夹主体由ZG20Mn钢铸造。为保证在高强螺栓作用下索夹能箍紧主缆，在上下两半间预留20 mm空隙。为避免索夹下滑，应按计算要求设置合理的高强螺栓数量，并施加一定的预紧力，抗滑移安全系数不小于3.0，保证索夹抱紧主缆。

该桥采用固定式散索套，散索套采用ZG20Mn铸钢整体铸造，基座采用ZG275-485H铸钢整体铸造，散索套与基座之间通过销铰连接以适应运营期间主缆的微小线形变化。

3 主桥结构静力计算

静力分析采用空间有限元程序Midas/Civil，根据有限位移理论建立空间有限元模型，考虑几何非线性迭代求解结构初始内力和初始线形，采用等效线性化方法进行内力、应力和整体刚度验算。主缆、吊索分别采用索单元及桁架单元建模，其余采用梁单元建模；主缆与塔顶、梁端的约束采用刚性连接[8]。总体计算模型如图9所示。

图9 主桥有限元计算模型

运营阶段基本组合下，主要构件有限元分析结果表明：

1) 加劲梁刚度及应力：活载作用下主跨跨中最大挠度129 mm(已计入挠度长期增长系数)，挠跨比1/930<1/600；最大压应力14.6 MPa，最大拉应力0.52 MPa，加劲梁应力按照A类预应力混凝土构件控制，满足规范要求。

2) 桥塔应力：运营状态塔柱最大压应力12.7 MPa, 最小压应力1.8 MPa，满足规范要求。

3) 采用叠加法计算钢管混凝土桩基截面应力，钢管及管内混凝土均未出现拉应力，钢管最大压应力138.2 MPa，管内混凝土最大压应力7.3 MPa，满足规范要求。

4) 主缆、吊索强度安全系数：主缆最大内力 35 845 kN, 强度安全系数3.1>2.5(规范允许值)；吊索最大内力1 635 kN，强度安全系数3.5>3.0(规范允许值)。

4 主桥施工方案

青田县前仓大桥属于自平衡体系，总体上采用“先梁后缆”的顺序施工[9]，即先在支架上完成主梁，后架设主缆，再张拉吊索完成体系转换。

4.1 桥塔施工

桥塔位于瓯江主航道外侧，桥塔桩基施工采用钢管桩固定式水上平台，钢管桩顶部采用型钢及贝雷梁拼装成整体工作平台，桥塔桩基钢护筒埋设采用“跟进法[10]”。

桥塔施工流程如下：1) 下放钢护筒，精准定位后临时固定。2) 采用比护筒内径略小的锤头冲击钻孔，锤头规格为10 t五爪合金钢钻锤，待引孔至一定深度后，采用大功率振动锤震动钢护筒，切削岩体下沉；为使钢护筒能够顺利切削坚硬的花岗岩且底口不发生卷边，钢护筒底部2 m范围增加壁厚，并在底口增设合金钢刃脚。3) 重复上述工序，边钻孔边下沉直至设计桩底标高。4) 在振动锤辅助下，上拔钢护筒，控制钢护筒嵌入基岩约3 m，以确保不漏浆为原则即可，上拔钢护筒的目的是确保下部桩基混凝土能与周边花岗岩紧密结合。5) 用大型浮吊安装钢筋笼，并灌注C40水下混凝土使得钢护筒、钢筋笼、管内混凝土形成统一受力的钢管混凝土桩基。6) 在钢套箱保护下施工桥塔承台。7) 采用爬模法[11]施工塔身。

4.2 加劲梁施工

加劲梁采用临时墩-贝雷梁支架现浇施工，考虑到深水基础临时墩施工难度大、成本高，贝雷梁结构采用双层布置[12]，支架纵向加大跨度至36 m，主跨水中仅设置2排临时墩，边墩利用在桥塔承台上设置的钢管立柱，如图10所示。每个水中临时墩由6根直径920 mm钢管桩组成，钢管壁厚12 mm，采用大型驳船作为水上施工平台，利用大型履带吊配合振动锤“钓鱼法”[13]插打施工。钢管桩下部灌注混凝土、邻近钢管桩互相连接形成“板凳桩”[14]，通过这些措施提高临时墩整体刚度和稳定性。临时墩施工完毕后，顶部架设双层贝雷梁支架现浇施工混凝土加劲梁。

单位：m

4.3 体系转换

体系转换是自锚式悬索桥施工难点，早年参照系杆拱桥，采用分批循环张拉逼近设计吊索力的方法，该法本质上是一种线性思路，与自锚式悬索桥非线性大变形的受力和变形特征并不匹配，效率低下，控制精度不高。

本桥引入了无应力状态控制法，该法原理是：在结构外荷载、结构体系、支承边界条件、单元无应力长度、无应力曲率一定的情况下, 其对应的结构内力和位移是唯一的, 与结构的形成过程无关。自锚式悬索桥的主缆、吊索无应力状态量只和成桥状态相关，不会随温度、临时荷载及其他吊索索力的变化而变化，是稳定的物理量，比用索力控制有更高的可靠性。混凝土桥塔及加劲梁收缩、徐变引起的无应力长度和曲率的变化应通过预拱、预加长、预加高消除，则计算时可近似看做弹性体，能够满足工程精度要求。

前仓大桥采用无应力状态法作为理论指导，以主缆线形和吊索无应力长度作为控制目标, 对成桥目标进行自动逼近，仅用了28次吊索张拉，4次索鞍顶推即完成全桥体系转换。为了控制初始平衡状态下塔柱弯矩接近零，在主缆空缆状态，主索鞍采用预偏技术施工[15]，将主索鞍向边跨侧预偏210 mm，然后随着吊索加载进程，分次向跨中顶推主索鞍，在成桥平衡状态时主索鞍和桥塔中心刚好对齐，从而获得了合理的受力状态和成桥线形。

5 结束语

1) 前仓大桥设计与施工表明，自锚式悬索桥能够适应山间河谷的深水基础。

2) 钢管混凝土桩基施工方便，对设备要求不高，组合结构桩基强度、刚度、承载力等力学性能优异，是深水基础一种有潜力的解决方案。

3) 采用无应力状态控制法作为施工控制指导思想，在自锚式悬索桥的体系转换中取得了高效、精确的效果。

大桥自2018年5月竣工通车以来，运营情况良好，已成为青田县瓯江上的标志性建筑。