范和港大桥主桥边跨辅助墩设置探讨

吴海平

(广东省公路勘察规划设计院股份有限公司，广东广州 510507)

1 工程概况

范和港大桥位于广东省惠州市惠东县，横跨大亚湾东侧的范和港海湾。桥梁全长2.741 km。主桥采用双塔单索面预应力混凝土斜拉桥，跨径组合为(152+300+152)m。主梁全宽26.9 m，采用近似三角形断面。主塔塔高76 m，采用独柱形塔。主墩采用圆端形截面。引桥采用43孔50 m跨预应力混凝土连续箱梁，移动模架法施工。

2 主要技术标准

1)设计荷载:公路—Ⅰ级;2)设计速度:100 km/h;3)公路等级:双向四车道高速公路;4)设计洪水频率:1/300;5)地震:地震动峰值加速度为0.10g(10%，50年);6)设计基本风速:43.6 m/s;7)通航净空:单孔双向通航，通航净空不小于260 m×38 m;8)航道等级:5 000 t级海轮。

3 辅助墩设置一般原则

3.1 一般设置原则

斜拉桥的总体布置应综合考虑桥位处地形、地势、通航、水文、气象、地质等建设条件及要求，根据结构受力情况，遵循技术先进、经济合理、景观协调等原则进行总体优化设计后确定。而辅助墩是总体布置的一个重要要素，其设置与否，应根据总体布置情况及全桥刚度、拉索疲劳应力幅、边孔桥墩高度、边孔通航要求、施工抗风安全以及经济和使用性能等具体情况而定。当边孔桥墩高度不大，基础施工难度及费用不高，特别是自身结构具有抗船撞能力时，从提高全桥结构刚度、减小拉索疲劳应力幅、改善施工抗风安全及优化使用性能等方面考虑应尽量设置辅助墩。

3.2 设置辅助墩的优缺点

设置辅助墩的优点如下:

1)可显著提高全桥总体刚度，有效改善结构的受力状态，减少几何非线性效应影响。大量设计实践表明，加设辅助墩后，边跨主梁弯矩、塔根弯矩、塔顶水平位移和主梁跨中挠度都大大减小，一般约为原来的40%～65%;

2)可大大减小拉索的应力变化幅度，一般约为原来的50%，使“尾索”(或称背索)这个概念逐步淡化或消失;

3)辅助墩的设立使边中跨布置变得更为自由，边中跨比甚至可达到0.7左右，这使得边跨桥墩的布置变得更为自由，同时对在立面上尽量舒展的美学要求得以实现，使得技术、经济、美观得以协调统一;

4)不通过压重即可消除边墩的负反力;

5)可提前结束主梁悬臂施工中的最大双悬臂阶段，对大桥施工期抗风有利，增加施工期的安全。

当然设置辅助墩也存在以下缺点:

1)边孔各桥跨跨度变小，临近通航区桥墩数量变多，船撞风险变大。当自身结构不具备抗船撞能力时，辅助墩防撞设施费用较大;

2)当边孔桥墩高度较大、辅助墩处河槽较深时，则辅助墩基础施工费用较高。

3.3 不设辅助墩的特点

不设辅助墩时，为提高结构刚度、优化结构使用性能、改善施工抗风能力及减小拉索疲劳应力幅，双塔混凝土斜拉桥边中跨比一般在0.45左右，但桥梁立面不够舒展，景观效果稍差。与0.5边中跨比设辅助墩时相比，除缺项辅助墩费用外，其余费用不会减少，但两边引桥加长以及边跨部分支架现浇费用变大，全桥总体费用则一般变化不大，但可减小边孔船撞风险。

同时也存在着以下缺点:

1)边中跨比接近0.5时，结构刚度相对设置辅助墩时大为减小，几何非线性效应增大，使用性能变差，施工期抗风能力减弱;

2)边跨尾索疲劳应力幅增大，容易出现疲劳问题;

3)活载往往在边跨梁端附近产生很大的正弯矩，导致梁体转动，伸缩缝易受损。

4 范和港大桥主桥总体设计

4.1 边中跨比例一般原则

范和港大桥主桥为双塔单索面斜拉桥。一般情况下双塔三跨斜拉桥按恒载平衡的设计原则确定边中跨比例。“在不考虑设置辅助墩时边中跨比宜为0.30～0.5，其中钢主梁宜为0.30～0.40，组合梁宜为0.40～0.50，混合梁宜为0.30～0.45，混凝土主梁宜为0.4～0.45”［6］。从国内外已建双塔三跨混凝土斜拉桥(无辅助墩)实例来看，也有部分桥梁边中跨比接近0.5甚至突破0.5，如日本北海道清森桥(240 m跨，边中跨比0.538)，浙江温州瓯江二桥(主跨270 m，边中跨比0.5)，湖南湘潭湘江三桥(主跨270 m，边中跨比0.493)等(见图1)。

在边跨设置辅助墩，则可显著提高桥梁整体刚度，边中跨比选择更为自由(见图2)。

4.2 主桥总体设计

范和港大桥根据桥位处地形地貌、水文、气象、地质、潮汐潮流、通航等建设条件及要求，在满足通航要求的前提下，遵循技术先进、结构安全耐久、施工工艺成熟、造价经济合理、景观协调等原则进行总体方案比较后确定了主桥桥式方案，即采用主跨300 m双塔混凝土斜拉桥方案。

根据上述统计资料的一般规律，结合计算分析，并且综合考虑结构耐久性和桥梁立面尽量舒展的美学要求等，选定主跨为300 m、边中跨比例为0.507(即边跨为152 m)的桥型布置方案。此边中跨比可使边、中跨一直对称悬臂施工，边跨无需较长支架现浇段。

根据上述统计分析及计算，250 m跨以下双塔混凝土斜拉桥是否设置辅助墩对边中跨比选择不敏感，300 m跨则为临界，边中跨比大于0.5时有无辅助墩影响稍大。

故在本桥距主塔中心线99.5 m处设置了辅助墩，形成(52.5+99.5+300+99.5+52.5)m五跨连续方案，以提高全桥结构刚度，改善结构受力状态，减小几何非线性效应及尾索疲劳应力幅。而且由于桥址处风速很大，设置辅助墩还可提前结束主梁悬臂施工中的最大双悬臂阶段，提高了施工抗风能力，增加了施工期的安全。

5 有无辅助墩方案的结构安全性、耐久性对比

由于300 m跨为临界，故边跨是否设置辅助墩具备研究探讨的必要性。本桥拟定了有、无辅助墩两种方案进行对比分析，跨径组合为(152+300+152)m，主要评价两种方案的结构安全性、耐久性和经济合理性(见图3，图4)。

通过对范和港大桥有辅助墩方案及无辅助墩方案进行总体静力计算、船撞、抗震、抗风等全面的计算分析，各部分分析结果如下。

5.1 对主梁应力的影响

无辅助墩方案正截面抗裂验算主梁跨中下缘出现0.3MPa拉应力(有辅助墩方案为1.2 MPa压应力)，考虑到几何非线性影响后拉应力将达到0.8 MPa，不满足大跨度桥梁关于全预应力设计的要求。考虑节段施工误差、索力误差及收缩徐变误差等，主梁实际应力与设计值还有一定差异。如果再考虑活载标准发展水平(增长为原设计活载的1.3倍)，将使主梁跨中下缘拉应力进一步加大，达到1.4 MPa拉应力。因此，无辅助墩方案运营阶段主梁跨中下缘存在开裂风险，降低了结构耐久性。

5.2 对结构刚度的影响

无辅助墩方案会大幅降低主桥的整体刚度，塔顶水平位移、主梁跨中挠度、塔根及主梁跨中弯矩均明显升高，具体对比数据见表 1，表 2。

表1 有无辅助墩方案活载内力对比表

表2 有无辅助墩方案活载挠度对比表

可以看出，无辅助墩方案主桥整体刚度下降，主梁跨中活载挠度大幅增加，与跨度之比增大为1/959，主梁跨中竖向刚度仅为有辅助墩方案的1/2;塔顶水平位移大幅增加，与塔高之比增大为1/522，塔顶水平刚度仅为有辅助墩方案的2/5。桥梁刚度降低，将增大结构风致振幅，降低抗风动力性能，加大拉索的疲劳应力幅，增加结构几何非线性影响，对结构耐久性带来影响。

5.3 对拉索应力状态的影响

无辅助墩方案拉索活载应力幅变大，由有辅助墩方案的58 MPa增加至127 MPa，接近拉索疲劳容许应力幅值200/1.5=133.3MPa(安全系数1.5)，但富余空间已很小。如若进一步考虑拉索次应力、风振及活载增长趋势等因素，则容易发生尾索疲劳问题。

5.4 对结构抗风稳定性的影响

有无辅助墩会影响结构的扭转基频和竖弯频率，进而影响结构的抗风稳定性。经有限元分析，结构振动模态见表3。

表3 结构振动模态比较表 Hz

成桥阶段，结构一阶扭转振型为主跨主梁的扭转，本桥为塔、墩、梁固结体系，边跨的辅助墩对主跨主梁的扭转制约作用很小，基本未改变结构的一阶扭转频率，故成桥状态的扭转颤振稳定性指数不会因辅助墩设置与否而有所改变;但取消辅助墩结构成桥一阶竖弯振型会提前，颤振临界风速会随之变化。施工阶段，有辅助墩方案结构颤振临界风速由最大单悬臂状态控制，而取消辅助墩后主梁双悬臂施工阶段变长，最大双悬臂长度加大，结构一阶扭转频率减小，颤振临界风速转由最大双悬臂状态控制，抗风稳定性变差。

5.5 辅助墩自身防撞能力

辅助墩基础采用6D220 cm钻孔灌注桩，桩顶设置D250钢护筒，考虑冲刷后辅助墩基础能承受的结构撞击力为7.5 MN，可满足近期船撞力要求(7.4 MN);如若对基础进行抛填防护后，辅助墩基础能承受的结构撞击力可达到13 MN，满足远期船撞力要求。

6 有无辅助墩的经济性对比

1)拉索用量。

无辅助墩方案结构整体刚度降低，需通过索力优化来满足结构安全要求，所需拉索材料由有辅助墩方案877.6 t增加至无辅助墩方案940.5 t，增加了7.2%，即62.9 t，增加造价125.8万元。

2)钢束用量。

无辅助墩方案结构整体刚度降低，除通过索力优化来满足整体结构安全外，还需通过钢束调整来优化局部应力，特别是边跨顶、底板合龙束及中跨跨中合龙束所需数量增加。有辅助墩方案合龙束总量为145.94 t，取消辅助墩后合龙束增加至167.1 t，增加了21.2 t，增加了14.5%，增加造价12.93万元。

3)主墩主塔配筋。

根据结构计算，主塔由成桥无车横桥向百年大风工况控制设计，单侧配筋率为0.59%，主墩由E2纵桥向地震作用控制设计，单侧配筋率为0.27%。由于此两种工况下有无辅助墩对主墩主塔影响不大，因此主塔主墩配筋基本相同。

4)边跨支架。

取消辅助墩后施工工序发生一定变化，边跨支架现浇段变长，共增加费用约300万元。

5)辅助墩造价。

辅助墩墩身承台基础及辅助墩支座、防撞设施合计造价1 594万元。

综上，在不考虑后期管养费用的前提下，无辅助墩方案比有辅助墩方案造价少1 155万元，并可避免船舶撞击辅助墩的风险。

7 结语

范和港大桥主桥采用主跨300 m、边中跨比例为0.507的双塔混凝土斜拉桥方案是合理可行的。在不考虑后期管养费用及困难的前提下，无辅助墩经济性占优，并可避免船舶撞击辅助墩的风险。但从主梁应力、结构刚度、拉索疲劳问题、结构几何非线性、结构抗风稳定性等各方面对比分析来看，无辅助墩方案结构安全储备不足，使用功能下降，后期管养困难，在辅助墩自身防撞能力满足要求的前提下，推荐采用有辅助墩方案。

［1］ 王伯惠.斜拉桥结构发展和中国经验［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］ 刘士林，王似舜.斜拉桥设计［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［3］ 林元培.斜拉桥手册［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］ 周孟波.斜拉桥手册［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［5］ JTG/T D60-01-2004，公路桥涵设计通用规范［S］.

［6］ JTG/T D65-01-2007，公路斜拉桥设计细则［S］.

［7］ JTG/T D60-01-2004，公路桥梁抗风设计规范［S］.

［8］ JTG/T B02-01-2008，公路桥梁抗震设计细则［S］.

［9］ 梁立农.高赞大桥主跨斜拉桥设计简介［J］.公路，2006(11):57-62.