汕头市西堤大桥主桥总体设计方案研究

段银龙, 刘 琴, 徐东进

(广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广东 广州 510507)

1 概 述

1.1 工程概况

西堤大桥主桥是汕头市海滨路西延项目中的控制工程，该工程起点在西堤路口对接现状海滨路，往西跨越礐石桥和梅溪河，沿堤布置，终点近期与建设中的牛田洋快速通道连接，远期继续沿堤西延与潮汕环线相接。西堤大桥的地理位置如图1所示。

图1 西堤大桥地理位置示意

西堤大桥跨越梅溪河，是连接汕头东西城区的重要通道，同时也作为汕头市区快速外环和快捷内环的联络线，全长约2.01 km。主桥采用变截面连续钢箱梁，跨径布置为(145+200+122)m，效果图如图2所示。由于过江通道资源紧缺，主桥采用左右分幅、上下双层布置，单幅上层布置3车道，下层布置观光人行道。

图2 西堤大桥主桥效果图

项目所在区域水系发达，属南亚热带季节风气候，年降雨量1 300～1 800 mm，多集中在4～9月份。桥址区场地稳定，无活动断裂带；覆盖层深厚，主要由第四系人工填土、河流冲积相粉质黏土、砂层、海陆交互相软土、砂层、残积粉质黏土组成。地震设防烈度为8度，Ⅱ类场地，基本地震动峰值加速度为0.20g。

1.2 主要技术指标

(1)设计行车速度60 km/h；

(2)公路-I级设计荷载；

(3)设计洪水频率P=1/300；

(4)Ⅲ级航道，单孔双向通航(船撞力10.6 MN)；

(5)地震动峰值加速度0.2g；

(6)基本设计风速41.2 m/s(重现期100年)。

2 结构设计

2.1 桥型选择

(1)主桥跨径选择。桥位处跨径制约因素主要有通航、防洪以及自然保护区的要求。结合专题研究，通航净空要求156 m(宽)×22 m(高)(斜交投影宽度为167.5 m)。考虑到轮迹线与桥位有一定的夹角及承台安装防撞设施等，主桥跨径不少于180 m，结合自然保护区的位置及落墩条件，跨径选择为200 m。过渡墩位于两岸浅滩上，水中一孔跨越通航水域，阻水比满足规范的相关要求。

(2)桥型构思。针对200 m跨径，可选择的桥型有连续钢箱梁方案、钢桁梁方案、斜拉桥方案和悬索桥方案。西堤大桥与礐石大桥空间交叉，存在上跨和下穿的关系，结合通航净空要求，需采用上跨礐石大桥方案。另因桥位处于景观敏感地段，附近为西堤公园，线路走向为和沿江路平行，大桥的修建会破坏“天际线”，为保证江景一色，应尽可能降低建筑物的高度，减小对江景的阻碍，并应考虑到与周围礐石大桥、西堤公园等景观融合。综合考虑景观、文化寓意等因素，最终选择为大跨连续钢箱梁方案，梁高相对矮，线型流畅简洁，对景观有利且钢桥结构较轻有利于抗震。

2.2 主桥总体布置

主桥实施方案为(145+200+122)m连续钢箱梁(桥型布置如图3所示)，采用左右幅设置形式，两幅间距为1.5 m，标准横断面如图4所示。东岸引桥考虑工期影响，采用连续钢箱梁方案，西引桥不受工期限制，从节约造价考虑采用30 m预应力混凝土小箱梁。

图3 西堤大桥主桥桥型布置图(单位：cm)

图4 标准横断面布置图(单位：cm)

由于主桥的构造设计及施工方法等对结构内力或位移有较大的影响，设计时需兼顾主梁梁高取值、跨中直线段长度、底板混凝土叠合长度及叠合时机、拆除支架的时机及桥面铺装轻质超高性能混凝土(LUHPC)的施工顺序等，以改善结构的受力。同时,构造设计时应考虑后期施工养护的便利性。

2.3 钢箱梁设计

钢箱梁全宽13 m，为箱形断面，腹板间距6 m，跨中梁高5 m，为跨径的1/40，中支点梁高9 m，为跨径的1/22.2，主跨跨中段等高段长80 m，梁高变化段按二次抛物线变化。钢梁采用左右腹板变高形成横坡，底板水平。腹板外侧外挑4 m宽的观光人行道。

2.3.1 梁段划分

根据结构受力特点和施工的便捷性，边跨钢梁划分为S1～S10(S1～S9′)共10个类型，梁段长为9 m、12 m、15 m、18 m梁段；中跨钢梁划分为M1～M6共6个类型，标准梁段长为9 m、12 m、15 m、16.5 m及58 m；墩顶梁段类型为SM0。

2.3.2 构造尺寸

(1)顶板。钢箱梁顶板厚度16～30 mm，不同厚度顶板对接时，顶板下缘保持齐平。顶板U肋采用热轧U肋， U肋高300 mm、上口宽300 mm、下口宽180 mm、厚度为8～10 mm，横向标准间距580 mm。顶板板肋高度为200 mm，厚度为16 mm。为了提高正交异形桥面板的抗疲劳性能，U肋与桥面板之间采用双面焊接工艺。

(2)底板。根据受力需要，底板在顺桥向不同区段采用24～50 mm的不同厚度。支点附近区域采用32 mm厚度，中跨跨中下缘采用50 mm。不同厚度底板对接时，底板上缘对齐。底板加劲肋采用板式肋，在非叠合区域，按刚性加劲的原则设置，板肋尺寸为240 mm×24 mm～320 mm×32 mm，横向标准间距500 mm。

(3)腹板。钢梁腹板厚度为16～28 mm，腹板设置多道纵向加劲肋，纵向加劲肋采用板式构造，结构尺寸为180 mm×16 mm～300 mm×28 mm。在两道横隔板之间的腹板上设一道T形横肋，T肋尺寸根据不同腹板高度加以区别，横肋翼缘及腹板厚度12～16 mm。不同厚度腹板对接时，内侧对齐。

(4)横隔板。横隔板间距3 m，隔板采用实腹式与V形撑两种方式，采用2道实腹式隔板间设2道V形隔板的混合布置方式。结合人行道的布设，全桥范围在人行道面以上部分同类隔板可保持一致尺寸。V形桁式隔板斜撑采用双肢角钢。V形斜撑采用节点板焊接，斜撑中间设填板。双角钢斜撑采用L200 mm×200 mm×14 mm。

在中支点附近高腹板区域，为解决高腹板的稳定问题，在人行道位置高度设置水平横隔板，并开设人孔。

(5)下层人行道。人行道宽4 m，采用间隔3 m的挑臂与14 mm厚面板组成。挑臂端部高300 mm，根部高700 mm，下翼缘采用240 mm×14 mm。面板采用U肋与板肋加劲。

(6)底板钢-混结合段。考虑减薄中支点钢梁底板厚度，并对钢梁受压底板、高腹板稳定的有利作用，在中支点两侧各23.5 m范围内采用钢梁底板与混凝土结合，如图5所示，即在钢梁底板上浇筑混凝土，使钢梁与底板共同承担荷载。底板采用C50补偿收缩混凝土，厚度为0.4～1.0 m，底板及底板纵肋、腹板上设置焊钉连接件，保证混凝土与钢梁底板的连接性能。

图5 底板叠合段示意(单位：cm)

2.4 下部结构

主墩采用整体式承台、分离式墩柱。整体式承台尺寸为36.0 m(长)×12.5 m(宽)×5.0 m(高)，端头为椭圆形，根据水利主管部门意见，承台埋入一般冲刷线以下，承台顶高程-2.5 m。承台下设10根D300～D250变截面钻孔灌注桩基础，并设置永久钢护筒，钢护筒长度为34 m。墩身为空心薄壁墩，尺寸为850 cm×500 cm，壁厚80 cm。根据防撞专题意见，最高通航水位以上5 m采用实心段，即墩底实心段长度为10 m；墩顶实心段长度为3 m。

过渡墩采用哑铃形承台、分离式墩柱。单个承台尺寸为9.7 m(长)×9.7 m(宽)×3.5 m(高)，承台下设4跟D220钻孔灌注桩基础。墩身为空心薄壁墩，尺寸为700 cm×320 cm，壁厚为60 cm。过渡墩处于非通航区域，墩底不设实心段，墩顶实心段高2.5 m。

主墩基础由地震工况控制设计，船舶撞击工况不控制设计。主墩基础施工采用双壁钢板桩围堰，主墩采用防撞护舷。

2.5 抗震体系的选择

本桥位处软基深厚，地震烈度高，抗震设计是必不可少的。对于大跨度桥梁，采用弹性减隔震设计，结合相似规模的结构，常用的抗震体系有横向摩擦摆支座+纵向黏滞阻尼器、双曲面摩擦摆支座、弹塑性钢阻尼支座、球形支座+横向钢阻尼+纵向黏滞阻尼器等。以上几种均为可行方案。结合桥墩尺寸、梁底支座设置及工程造价，设计时重点比较了前两种方案，经过计算分析对比，最终采用横向摩擦摆支座+纵向黏滞阻尼器方案。

2.6 附属设计

钢箱梁的设计应重视后期运营养护期间的可达、可检及可修。钢箱梁的病害主要包括：钢箱梁表面的涂装劣化、钢材的锈蚀及结构的疲劳裂纹等[1]。为便于后期养护及检修方便，箱内设置照明系统，并设置检查车用于运送人员及检修设备，同时设置检修梯，方便检修人员上下；箱外设置带高清摄像头的机器人检修系统，用于常规检查。

为提高桥面板的耐久性，桥面铺装采用5 cm LUHPC+4 cm厚高黏高弹沥青混凝土。LUHPC相对于普通的超高性能混凝土(UHPC)，体积稳定性好，具有强度高、密度轻及收缩小等特点[2]，桥面铺装施工时对结构内力影响较小。

2.7 抗风及行人舒适性设计

大跨度桥梁对风荷载作用比较敏感，检验风荷载响应是否在允许范围之内成了大跨度桥梁设计不可或缺的一部分[3]。大跨径连续钢箱梁刚度小，自重轻，风荷载作用下易发生风致振动[4]，包括日本东京湾通道桥(Trans-Tokyo Bay Crossing Bridge)[5]和巴西尼泰罗伊大桥(Rio-Niteroi Bridge)[6]在内的多座大跨连续钢箱梁桥在施工或运营过程中都出现过明显的涡激振动。桥梁设计时，通过1∶40主梁节段模型的风洞实验，研究了两幅不同主梁间距50 cm、100 cm、150 cm及200 cm时，上下游桥面涡激振动情况，综合风洞结果和路线设计情况，选用两幅间距为150 cm。风洞实验表明：主梁在0°、+3°、-3°三个风攻角下的涡振性能，在上游桥面，主梁断面三个攻角均出现明显涡激振动，其中+3°攻角振幅最大；在下游桥面，主梁断面三个攻角均出现剧烈的涡激振动现象，出现了两个涡振风速区间，振幅超过规范限值。通过采取封闭栏杆气动措施，可将涡激振动振幅控制在规范限值以内。

我国人行桥设计规范建议结构的基频要大于3 Hz，这对于大跨径结构钢箱梁结构不可能满足。自由行走的人群步频分布在1.2～2.40 Hz[7]，根据德国和法国规范的敏感频率范围评价准则锁定敏感频率范围，然而通过频率调整来满足振动舒适性要求很难做到。可通过理论预测的方法分析其人致振动响应，通过安装阻尼装置，尽可能减少结构处于敏感频率内的模态和提高结构的阻尼，使结构的最大加速度响应能满足行走舒适性要求。

综合考虑涡激振动及行人舒适性，最终设计并安装了调频质量阻尼器(TMD)，以提高结构的阻尼，改善行人舒适性及减小风振的影响。

3 施工方案

钢箱梁的施工方案取决于桥位处水深及通航条件、起吊设备的起吊能力、钢箱梁的制作场地及运输条件等。本桥设计时参考同类桥梁的施工技术，通过方案比选，放弃了传统的利用桥面吊机从中支点向两侧对称悬臂拼装及整孔大节段吊装方案[8]，选择了在边跨及中跨接近中支点区域搭设滑移支架，在中跨深水区域利用浮吊吊装节段，通过滑移支架向边跨滑移。为保证施工期间的通航要求，中跨跨中60 m节段整体起吊，如图6所示。采用该方案，无须对边跨浅滩区域进行疏浚，具有对环境影响少，受水位影响小，并且工期相对较短等优点。

图6 施工示意图

4 结束语

西堤大桥主桥跨域梅溪河和礐石大桥，穿越西堤公园，处于深厚软基和强震区，建设条件复杂。总体设计兼顾了桥位处通航、防洪、景观协调等各方面的需求，结合建设条件，主桥采(145+200+122)m带悬臂的大跨度变截面连续梁桥方案，以适应周边环境及公园慢行系统。该桥设计采用的高腹板加劲方式、钢箱梁 U 肋双面焊接技术、抗震体系的选用、涡激振动和行人舒适性控制方法、LUHPC桥面铺装及施工方案等，可为同类型桥梁的设计提供借鉴。该桥已完成施工图设计，即将开工，计划工期为30个月。建成后，主跨跨径将超越在运营的崇启大桥[9]，成为国内同类桥梁第一。