自锚式悬索桥加劲梁方案比选与设计要点研究

2018-05-04王吉文周建波

城市道桥与防洪 2018年4期

王吉文，周建波

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430010）

0 引言

自锚式悬索桥因其刚柔并济的美观效果、优异的受力特性、成熟的施工工艺等特点，在城市桥梁建设中越来越受到青睐。自锚式悬索桥将主缆锚固在主梁上，通过主梁平衡缆索索力，形成自平衡受力体系，与地锚式悬索桥相比可以不考虑地质条件的影响，而且由于免去了巨大的锚锭，降低了工程造价。此外，自锚式悬索桥相比同等跨径的其他桥型，更有其特有的曲线线形，外观优雅；除了满足自身的结构要求外，桥塔型式注入景观设计，造型优美。

自锚式悬索桥设计中桥塔的受力较为简单，而主要以考虑美观效果为主；缆索的设计为了保证较好的力学效果，往往采用双主缆型式，相关构造型式等也较为简单；加劲梁的设计则更为关键，不仅需要承担桥面活载作用，还需要平衡主缆力，因此加劲梁合理的型式和设计构造方法往往成为自锚式悬索桥设计建造的关键[1-2]。

本文以宝鸡市联盟路渭河大桥为工程依托，阐述自锚式悬索桥加劲梁设计方法与构造要点，首先通过加劲梁方案比选分析自锚式悬索桥合理的加劲梁型式及其适用范围，其次总结加劲梁设计的重点和要点，通过总结相关经验和方法，为类似自锚式悬索桥的设计提供支持。

1 依托工程概述

宝鸡市联盟路渭河大桥主线桥桥梁起点桩号K0+070.850，终点桩号K1+296.150，桥梁全长1 225.3 m，采用城市主干路设计标准。主桥拟定采用“自锚式悬索桥+欧式桥塔”方案，造型新颖、形态优美，东西方建筑特点兼容并蓄，具备城市新地标的特点。桥塔采用欧式风格，配上一定的建筑设计元素，大气简洁、造型优美，如图1所示。

图1 渭河大桥设计效果图

主桥拟采用空间双索面自锚式悬索桥，主跨桥长200 m，桥面总宽约30 m。主桥采用半漂浮体系，在桥塔、辅助墩及过渡墩位置设置竖向支座，在塔柱内侧设置横向限位支座，在桥塔处主梁底部设置纵向阻尼器。200 m自锚式悬索桥设计难点是加劲梁的型式与构造，这对于整个桥梁的受力状态以及后期运营安全非常关键，结合该桥梁详细探讨加劲梁的方案选型与设计要点。

2 加劲梁的方案比选

2.1 加劲梁主要型式及特点

悬索桥加劲梁按结构型式划分，有边主梁、整体钢箱梁、混凝土梁和叠合梁等几类型式。

混凝土加劲梁通常用在小跨径的悬索桥上，其自重大，对提高加劲梁抗风稳定性有利，但同时混凝土加劲梁自重较大，会增加主缆、吊索及鞍座用钢量，桥塔、锚固系统工程规模亦会加大，对工程造价影响较大，对中大跨悬索桥而言，其经济性差。边主梁、钢箱梁、叠合梁仍然是中大跨度悬索桥加劲梁无可争议的主流型式。

由于该桥桥址处常年水面标高较低，不具备水运条件，只能采用公路运输，公路运输对构件的最大尺寸有严格的限制，长度不宜超出18 m，宽度不宜超出两个车道的宽度，构件运送至现场后再进行组装拼接，综合考虑运输情况和现场施工质量，钢箱梁作为整体构件，其宽度大、运输困难，若在工厂分割为小块件，则工地焊缝数量较多，焊接质量难以保证，因此整体钢箱梁不宜作为备选方案。

边主梁和叠合梁具有相对优势，仅对此两种结构型式做深入比选。两种方案如图2和图3所示。

图2 叠合梁方案示意图（单位：mm）

图3 边主梁方案示意图（单位：mm）

边主梁加劲梁在中大跨径悬索桥中应用较多，主要优点为：

（1）主梁自重较轻，可减轻主缆、吊索、桥塔及锚固系统的负担，有效节约材料用量。

（2）结构由几部分构件现场栓接和焊接组拼而成，各部分构件尺寸适宜，运输方便。

（3）节段完全在工厂制造，现场吊装并完成节段间连接，然后架设主缆、张拉吊索，施工方便，易于控制，施工质量容易保证，工期较快。

（4）抗风性能可满足要求。

（5）后期涂装养护主要为平板构件，养护难度低。

主要缺点是：钢桥面对桥面铺装要求较高。

钢混叠合梁与边主梁相比，桥面铺装耐久性好，后期养护成本也相对稍低，主要缺点是：

（1）混凝土桥面板增加了结构自重，造成主缆、吊索、桥塔及锚固系统的材料用量增加，工程造价也相应增加。

（2）桥面板需专门的预制场地和存放场地，前期投入相对较大，场地布置要求高。

（3）预制桥面板块之间湿接头数量较多，且现场浇筑、养生施工工序多、施工速度慢，工期会相应增加。

（4）张拉吊索时桥面板易产生裂缝，施工控制难度大、风险高。

（5）混凝土桥面板与钢板之间接触面为维护死角，后期无法检查，潮气长期渗入可引起钢板和剪力钉锈蚀，存安全隐患。

2.2 方案比选

根据上述分析，该桥跨度达200 m，属于大跨径桥梁，因此宜采用边主梁方案或钢混叠合梁方案。这两种加劲梁结构型式详细的比较见表1。

表1 边主梁和钢混叠合梁的技术比较

两种加劲梁结构型式对于自锚式悬索桥而言，其抗风性能、环境影响、行车舒适性等均较好满足要求；此外，两种结构型式的美观效果均较好。综合而言，两种方案技术上均可行，从结构施工工期、抗风性能、工程造价、景观效果等方面考虑，推荐采用边主梁方案。

该桥桥面较宽，选用边主梁作为加劲梁有利于减轻主梁自身恒载，减少主缆、主索鞍、桥塔及基础、散索鞍以及锚固系统等材料用量；边主梁构件均为板件，可实现工厂标准化，其效率及质量控制容易保证；各构件为现场栓焊组拼为整体，构件出厂尺寸适宜，可适应公路运输；同时在后期维护方面也具有明显优势。因此选用边主梁作为该桥加劲梁方案。

3 加劲梁的设计要点

3.1 加劲梁构造

该桥加劲梁断面采用边主梁断面型式，由两侧箱形边主梁、中间横梁、主梁外侧悬臂及整体桥面板组成；桥面全宽29.0 m，桥梁中心线处梁高2.5 m，设2.0%双向排水坡，桥面采用正交异性板体系，顶板厚16 mm；在车行道顶板下方设U形纵肋，横向间距600 mm，U形肋开口宽度300 mm，底部宽度200 mm，高度280 mm，厚度8 mm；在人行道顶板下方设板式纵肋，板肋高度180 mm，厚度16 mm，横向间距350 mm。纵肋与边主梁横隔板、横梁腹板垂直相交设置，并在其上开孔穿过。桥面板、纵肋以及横隔板、横梁腹板共同形成了正交异性板结构。横梁采用倒T形断面，桥梁中心处高度2.5 m，梁腹板与边主梁之间采用高强度螺栓连接，底板与边主梁之间采用现场焊接连接。悬臂长度4.5 m，根部高度1.0 m，端部高度0.4 m，采用倒T形断面，悬臂腹板与边主梁之间采用高强度螺栓连接，翼缘与边主梁之间采用现场焊接连接。如图4所示是边主梁的截面型式图。

图4 本桥边主梁截面型式图

3.2 钢混连接构造

自锚式悬索桥边主梁需要和主缆处的混凝土主梁进行过渡连接，因此钢混结合部成为加劲梁受力的关键部位[3]。该处材料特性、结构刚度均发生突变，结构受力复杂，设计及施工处理不当，极易出现病害。首先，钢混结合部的位置设置至关重要，应综合考虑结构的变形，纵向、横向结构内力及施工等因素；其次，钢混连接接头的结构型式需结合主梁截面型式、传力方式、受力特点和施工方便等因素进行选型设计。

钢混结合部的位置应设置在结构变形较小、受力明确、施工较容易的位置，且应距离主缆锚固点一定长度，以便于主缆力的扩散，使钢混结合面受力均匀。根据该桥跨度布置、桥面宽度、主缆在梁上的锚固位置及其他结构特点，钢混接头设置在向河侧距辅助墩16 m处较为合适，该处加劲梁竖向变位较小，应力幅度变化不大，且距主缆理论锚固点有10 m距离，主缆力可通过10 m米长度范围均匀扩散至整个钢混结合面上，如图5所示。

图5 钢混结合部示意图（单位：m）

目前，钢混结合部的结构类型较多，主要包括全断面钢板承压式、前承压板式和后承压板式。该桥钢混结合部采用钢板承压式结构，在钢混结合面设置50 mm厚承压钢板，钢梁的内力通过承压钢板的扩散作用传递至混凝土梁，传力路径明确，为减小结合面的刚度突变，降低应力集中水平，提高结构耐久性，在结合面之前3.0 m的区域内将边主梁腹板、纵向板肋逐渐加厚，同时在U形肋上增设T形加劲板，达到增加截面几何刚度的目的，使内力传递更加匀顺；边主梁顶、底板深入混凝土梁体一定长度，并在顶、底板上布置剪力钉，通过抗剪方式传递部分面板内力，也可起到对钢混结合面的密封作用，防止雨水的渗入，提高耐久性；为抵抗弯矩造成的拉力，避免结合面钢混脱离，在结合段范围设预应力钢束，预应力钢束一端埋入混凝土梁段内，另一端锚固于承压板上，预应力钢束布置尽量遵循“分散、匀布”的原则，在抵消拉力的同时，也使结合面受力均匀。加劲梁的竖向剪力通过承压板上的剪力钉传递至混凝土横梁。