珠海某跨海通道主桥方案设计

徐德志，梁立农，孙向东，万志勇，杜 磊，谭巨良

（广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司 广州 510507）

1 概述

1.1 项目概况

某项目东接鹤港高速（港珠澳大桥西延线）、西接西部沿海高速及新台高速，项目对于贯彻粤港澳大湾区合作精神，加强粤港澳大湾区内联系；优化区域高速公路网络，改变过江通道单一的现状；有效促进珠西装备制造业基地集聚；进一步强化横琴自贸区、高栏港与大广海湾经济区的联动发展具有重要意义。项目地理位置如图1所示［1］。

图1 项目地理位置Fig.1 Project Location

本项目起点在珠海市平沙前西社区与鹤港高速顺接，与高栏港高速互通，向西经过拟建平沙公园南侧，跨越崖门口黄茅海水域，依次跨越崖门出海东东航道、东航道、西航道，至台山赤溪镇福良村，终点于台山斗山镇与西部沿海高速相交，对接新台高速，路线全长约31.11 km。

1.2 主要技术标准

公路等级为高速公路；设计速度100 km/h；行车道数为双向六车道；设计使用寿命100 年；主桥全宽50.5 m（含风嘴）；设计荷载为公路-Ⅰ级；设计通航净空为东东航道（538×64）m；最高通航水位+3.320 m，最低通航水位-0.788 m；桥址设计基本风速US10=46 m/s；地震设防标准为通航孔桥E1 基准——100 年超越概率10%，E2 基准——100 年超越概率4%；船舶撞击力如表1所示［2-4］。

表1 船舶撞击力Tab.1 Ship Impact Force

1.3 主桥总体布置

根据通航批复，该大桥跨越东东航道主跨要求不小于700 m。据此，结合航道区域布置及跨海段桥梁总体设计，大桥跨径布置（110+248+700+248+110）m=1 416 m，边中跨比为0.51。总体布置如图2所示。

图2 总体布置Fig.2General Layout （m）

2 总体设计推荐方案

在项目总体设计阶段，根据主梁及索塔布置形式，拟定了两类桥型方案进行同深度比选。方案1：“独柱式桥塔+分体式钢箱梁”；方案2：“A 型旋动桥塔+整体式钢箱梁”［5-6］。限于篇幅，本文就方案1各构件进行详细介绍：

2.1 约束体系比选

现代斜拉桥主梁的约束体系多种多样，结构体系只有与桥梁的总体布置、结构特性和地质条件相匹配，才能充分保证结构的正常、合理使用［7-10］。

⑴竖向约束体系

方案1 采用全漂浮约束体系：索塔处不设置竖向支座；辅助墩和过渡墩处设置竖向支座。

⑵横向约束体系

在索塔处设置横向抗风支座，在辅助墩和过渡墩处也设置横向抗风支座。

⑶纵向约束体系

设计过程中，对全漂浮、弹性约束、阻尼加刚性限位以及塔梁固结等4种结构体系进行了详细计算分析比较，如表2所示。

表2 不同结构体系比选Tab.2 Comparison of Different Systems

由表2 可知，安装弹性约束装置或是阻尼加刚性限位装置均可使梁端水平位移、塔顶水平位移及塔底弯矩都较小，相对较优。其中，动力阻尼器加刚性限位方式改善了结构的动力响应，同时能较快地衰减主梁震动，耗能效果要优于水平弹性约束。加上刚性限位后结构在纵向极限风荷载等作用下的静力响应也大大减小，经综合比较，推荐采用动力阻尼器加刚性限位的结构体系。采用的约束体系如图3所示。

图3 约束系统布置Fig.3 Layout of Restraint System

2.2 主梁方案比选

适用于700 m主跨斜拉桥的主梁方案，主要有普通钢箱梁+环氧沥青铺装、UHPC钢箱组合梁+普通沥青铺装和STC钢箱梁+普通沥青铺装。主要设计参数如下：

2.2.1 普通钢箱梁

主梁采用分体式钢箱梁，由2 个钢箱梁及横向连接箱组成，钢箱梁梁高4.0 m。标准梁段长15 m，实腹式横隔板间距3.0 m。钢箱梁设置通长内腹板及外侧腹板，外侧腹板外缘设置斜拉索锚箱。每个拉索位置设置横向连接箱，横向连接箱宽3.0 m，高4.0 m。横断面布置如图4所示。

图4 普通钢箱梁横断面Fig.4 Cross Section of Ordinary Steel Box Girder（mm）

标准梁段重量335.5 t，造价约12.47 亿元，施工工期6～8 d/节段，钢箱梁重量轻，工艺成熟，施工风险小，施工速度快。但是环氧沥青钢桥面铺装易损坏，后期养护费用较高。

2.2.2 UHPC钢箱组合梁

主梁采用分体式UHPC 钢箱组合梁，由2 个钢箱组合梁及横向连接箱组成。组合梁高4.0 m，钢梁上铺设17 cm 含粗骨料UHPC 高强混凝土桥面板，钢和混凝土通过剪力钉连接以形成组合截面。标准梁段长15 m，桥面板设置横向预应力，在中跨跨中和龙段及边跨辅助墩位置设置纵向预应力。每个拉索位置设置横向连接箱，横向连接箱宽3.0 m，高3.79 m。横断面布置如图5所示。

图5 UHPC钢箱组合梁横断面Fig.5 Cross Section of UHPC Steel Box Composite Beam（mm）

标准段钢梁重246.2 t，UHPC 面板88.1 m3；铺装8 cm（总重量比普通钢箱梁方案重约33%），造价约12.74亿元，施工工期约7～10 d/节段，总工期较钢箱梁方案增加2～3 个月。组合梁具有刚度大、抗风性能好，桥面铺装耐久性好等优点，但对于700 m跨径斜拉桥，其施工质量控制难度大。

2.2.3 STC钢箱梁

主梁采用分体式STC 钢箱梁，由2 个STC 钢箱梁及横向连接箱组成。钢箱梁高4.0 m，钢梁上铺设超高韧性混凝土（STC）桥面板，STC 与钢桥面板用剪力钉连接，形成永久结构层。标准梁段长15 m，STC桥面板标准厚度5 cm，钢箱梁桥面板通长布置，板厚14 m。每个拉索位置设置横向连接箱，横向连接箱宽3.0 m，高4.0 m。横断面布置如图6所示。

图6 STC钢箱梁横断面Fig.6 Cross Section of STC Steel Box Girder （mm）

标准段钢梁重319.3 t，STC 面板463.3 m2，铺装3 cm（重量同普通钢箱梁方案），造价约12.69 亿元。STC 钢箱梁具有桥面铺装耐久性好等优点，但STC 面板质量控制难度大。

经综合比选，UHPC 由于重量大，虽主梁钢材用量有所节约，但斜拉索、索塔及基础规模均有所增大，其全桥整体经济性并无优势；钢箱梁方案具有重量轻、工艺成熟、施工风险小、施工速度快等优点，故推荐采用钢箱梁方案。

2.3 索塔

2.3.1 索塔设计

桥塔采用简洁的纤腰型独柱式塔柱。塔底截面为圆形截面，直径18 m，在塔底到高程+71.76 m（桥面附近）过渡到圆端形截面，尺寸为13 m×10 m（顺桥向×横桥向），壁厚2 m。高程+71.76 m 到+168.26 m 范围内过渡到直径8.5 m的圆形，壁厚由2.0 m过渡到1.5 m。高程+168.26 m 到塔顶范围内过渡到塔顶的直径11 m的圆形，壁厚为1.2 m。索塔构造如图7所示。

图7 独柱型桥塔构造Fig.7 Structural of Single Column Pylon （mm）

在塔座以上168.26 m 处截面最小，形成“纤腰”的视觉效果。独柱塔竖向呈纤腰，外观简洁挺拔，个性鲜明，视野通透，能取得较好的景观效果。同时，上塔柱最小截面以上为索塔锚固区，不断增大的截面为索塔锚固构造的安装、维护提供更大的操作空间，有利于施工质量的控制和后期的维护管养。

圆形截面桥塔寓意着“圆满融通”，汲取东方传统文化“圆融精神”，呼应粤港澳大湾区互联互通、共建共享的战略，凸显地域特征。结合桥梁美学，主塔造型以“圆”为基础，展现扶摇直上的聚力融合之势，塑造了简洁大气的桥梁景观。

2.3.2 主塔材质比选

斜拉桥索塔可供选择的材料类型主要有3 种：钢筋混凝土塔、钢塔、钢壳混凝土塔。对此3种形式进行比较分析。

⑴钢筋混凝土塔

优点：受力较为明确，国内有成熟的设计施工经验；造价最低，约1.98亿元。

缺点：自重大，抗震性能稍差；索塔锚固处理与补强相对复杂；对混凝土及钢筋的耐腐蚀性能要求高；本索塔方案模板复杂，摊销率低，工序繁琐，工期长。

⑵钢塔

优点：体积小、自重轻，抗震性能优越；材质较均匀，实际受力与计算分析结果较为接近；锚固处理与补强相对容易；钢结构索塔外表面光滑度较混凝土塔好，风阻系数小；耐久性较好；工厂化加工，易于保证精度；工期最短。

缺点：阻尼比小，较易发生涡激振动和驰振；截面刚度小，屈曲和失稳需充分考虑；造价最高，约3.56亿元。

⑶钢壳混凝土塔

优点：承载能力高，延性性能好；锚固处理与补强相对容易；混凝土的存在可以避免或延缓钢壳壁板的局部失稳；钢结构索塔外表面光滑度较好，风阻系数较小；钢壳可替代部分钢筋、替代模板及劲性骨架，实现永临结合；钢塔内部填充混凝土，钢结构部分耐久性优于钢塔，对内部混凝土及钢筋的耐久性优于混凝土塔；钢壳节段工厂化加工，精度较高；工期较短；造价适中，约2.13亿元。

缺点：钢混组合构造、受力复杂，要辅以适当试验方能保证设计的可靠性及合理性，目前工艺尚不成熟；现场进行节段吊装和拼装后灌注混凝土，对施工设备有较高要求；国内成熟经验较少。

2.4 索塔基础

由于不同的桩径对基础的受力、工期、施工难易程度、工程造价均有影响，在桩身应力指标基本一致的前提下，对主塔基础开展了不同桩径的比选。

直径2.8 m、3.0 m、3.4 m 桩基均属于大直径桩基。直径2.8 m、3.0 m 桩基使用较多，施工技术较为成熟，施工难度相对较小。直径3.4 m 桩基使用相对较少，对施工技术、施工设备要求较高，施工难度相对较大。综合造价、工期、施工难易程度、结构受力情况，推荐采用直径3.0 m钻孔灌注桩基础（见表3）。

表3 主塔基础桩基直径比较Tab.3 Comparison of Pile Foundation Diameter

2.5 辅助墩和过渡墩

墩身采用新型的TY 复合墩，盖梁横向宽37.4 m，顺向宽4 m，高2 m，内设预应力。墩顶往下11.5 m 范围内，采用Y型分枝，截面高度从3.5 m渐变至4.35 m。墩身以1∶25的斜率，从8 m往下渐宽（见图8）。

图8 辅助墩一般构造Fig.8 General Structure of Auxiliary Pier

2.6 斜拉索及锚固构造

2.6.1 斜拉索

本桥设计风速大，斜拉索宜采用强度高的拉索形式，以减小拉索截面，降低拉索风载。经比选，推荐使用1 960 MPa高强平行钢丝斜拉索。

斜拉索采用空间索面扇形布置。根据结构受力、施工吊装重量和施工周期等因素，斜拉索在钢箱梁上索距15 m，塔上索距3.0 m。

2.6.2 索塔锚固

塔上拉索锚固采用钢锚梁锚固系统，由钢锚梁和钢牛腿组成（见图9）。

图9 索塔钢锚梁及锚固牛腿Fig.9 Steel Anchor Beam and Anchor Bracket of Cable Tower

钢锚梁由腹板、顶板、底板、垫板、隔板、加劲板、锚箱单元（包括锚腹板、承力板、承压板、锚垫板、锚箱隔板、加劲板）等部分组成。钢牛腿主要由托架单元（包括顶板、腹板、加劲板、钢垫板）、壁板、锚管、抗剪钢板、剪力钉等部分组成。

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2.6.3 索梁锚固

索梁锚固结构局部应力大、传力复杂。设计时应尽量使力线流畅，避免出现过大的应力集中，避免在长期动载和静载作用下出现疲劳或强度破坏。

斜拉桥常见钢梁上的锚固方式主要有3 种：销铰式（耳板或拉板式连接）、锚箱式（见图10）和管锚结构。3 种方式都是成熟技术，分别在国内外多座桥梁上有成功实践经验，均具有可靠的安全度，各有优缺点。本次设计推荐采用锚箱式索梁锚固方案。

图10 索梁钢锚箱锚固方案Fig.10 Anchorage Scheme of Cable Beam Steel Anchor Box

3 结语

本文就总体设计阶段主桥推荐方案“独柱式桥塔+分体式钢箱梁”各结构进行了详细分析，索塔采用钢筋混凝土结构，主梁采用分体式钢箱梁和环氧沥青体系，基础采用D3.0 m钻孔灌注桩群桩基础，辅助墩和过渡墩采用新型的TY 复合墩，斜拉索采用1 960 MPa 高强度平行钢丝，索塔锚固采用钢锚梁方案，索梁锚固采用钢锚箱方案。

本项目建设条件极为复杂，需克服强台风、高烈度地震、强海水腐蚀、高船撞力、浅覆水施工等不利的建设条件，上述方案可供类似工程项目参考。本项目建成后，将与港珠澳大桥、深中通道、南沙大桥、虎门大桥等，共同组成大湾区跨海跨江通道群，加快形成世界级交通枢纽，让粤港澳大湾区发展更加均衡。