武汉市杨泗港快速通道转体斜拉桥设计

王新国，周 继，严定国，李元俊

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

1 工程概况

杨泗港快速通道作为武汉市“三环、十三射”中的“一射”，全线由四新段、杨泗港长江大桥过江段、青菱段组成。杨泗港快速通道青菱段(八坦立交～丁字桥路)西起白沙洲大道八坦立交，东至丁字桥路，全长4.459 km，道路红线宽60～70 m。全线采用高架+地面辅道的形式建设，其中主桥采用(40+88+252+88+40) m双塔斜拉桥，全长508 m，桥面设双向八车道(两侧防撞区间兼做人行道)，设计车速60 km/h。主桥位于青菱段的中前段，自西向东依次上跨江岸车辆段牵出线、京广铁路上行线、武南编组站、焊轨基地、京广铁路下行线、武石城际余花联络线和武昌首义学院[1]。桥址处地理环境如图1所示。

图1 桥址处地理环境

2 建设标准

(1)道路等级：城市快速路[2]；

(2)设计基准期[3]：100年；

(3)设计速度：60 km/h；

(4)设计荷载：城-A级[4]、双向八车道(两侧人行道)；

(5)最小净空：轨顶距离梁底距离不低于10 m；

(6)平面线形：直线；

(7)桥面纵横坡：2%；

(8)桥梁设计安全等级：一级，结构重要性系数γo=1.1；

(9)地震参数：地震动峰值加速度0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35 s，Ⅱ类场地，按7度设防。

3 桥型方案设计

跨铁路段为双向八车道，桥面较宽，主孔跨度的确定以转体施工平面尺寸不侵入既有铁路限界和不得干扰武石城际接触网为原则，考虑既有铁路限界两侧再富裕8 m安全距离的条件，综合确定涉铁工程主跨跨度为252 m。

当跨径在200～500 m时，斜拉桥[5]是最具竞争力的桥型。斜拉桥由加劲梁、钢或混凝土桥面、索塔及受拉的斜拉索组成，具有良好的空间工作性能。结合工期、铁路管理部门对施工方案的意见、混凝土宽幅桥面主梁设计、施工质量困难的影响，主桥最终采用转体钢箱梁斜拉桥。

本桥在方案设计时拟定3种斜拉桥方案：(1)(30+138+252+80) m高低塔斜拉桥，靠近武昌首义学院侧转体半径为80 m，避免对学校进行拆迁；另一侧转体半径为168 m，合龙段设置在焊轨基地上方。该方案由于在焊轨基地上方施工，铁路管理部门未予采纳。(2)(264+264) m独塔对称斜拉桥，转体半径为264 m，桥梁一次转体就位，无合龙段施工。该方案由于转体吨位约3万t，施工风险较大，铁路管理部门未予采纳。(3)(40+88+252+88+40) m双塔斜拉桥，转体半径124 m，跨中合龙段位于编组站内部空地上方，为推荐桥式方案。

4 结构设计

主桥设计为(40+88+252+88+40) m双塔转体钢箱梁斜拉桥，采用半漂浮结构体系[6]。桥长508 m，桥面宽44 m。跨高铁处增设异物侵限装置，桥面局部宽度46 m。主桥立面布置如图2所示。

图2 主桥立面布置(单位：m)

桥梁两侧均采用转体施工[7]，跨中合龙，转体长度均为124 m+124 m，合龙段4 m置于武南编组站内部中央空地上方。桥梁西侧(八坦立交)施工完毕后逆时针旋转77°至合龙位置，桥梁东侧(丁字桥路)施工完毕后顺时针旋转105°至合龙位置。

4.1 主梁

主梁采用正交异性板扁平流线形栓焊钢箱梁[8]，由顶板、平底板、斜底板、锚固腹板、人行道腹板围封而成，箱梁内腔被纵横隔板分隔。由于主桥为独柱宽幅中央双索面斜拉桥，为提高主梁抗倾覆和抗扭转特性，主梁中心线处梁高取3.3 m，同时增大中央分隔带宽度至8 m。钢箱梁顶面设双向2%横坡，顶板宽44.04 m，平底板宽37.4 m，每侧斜底板宽5.6 m，人行道宽2.72 m，钢箱梁全宽44.04 m，不含人行道全宽38.6 m。主梁标准横断面如图3所示。

图3 主梁标准横断面(单位:cm)

钢箱主梁全长507 m(不含梁端主桥梁缝)，钢箱梁梁段划分考虑结构受力、横隔板间距以及钢箱梁运输和安装架设吊装能力。全桥共分为46个梁段(10种类型)：标准梁段(C、D类型)28个，长12 m；塔区A梁段2个，长12 m，B梁段4个，长10.5 m；40 m边跨E、F、G、H梁段各2个，长度分别为13.5 m、10.5 m、11.5 m、3.5 m；合龙段I梁段1个，长4 m；紧邻中跨合龙段J梁段2个，长11.5 m。钢箱梁吊装质量为96.6～347.4 t。

箱梁顶板厚16 mm，人行道处箱梁边板及箱梁外斜底板厚度分别为16、8 mm。箱梁内斜底板板厚12～16 mm，底板横向为水平，板厚12～16 mm，横隔板间距为3 m。箱梁纵隔板厚20～30 mm，锚固腹板板厚30 mm。

4.2 桥塔及基础

采用独柱[9]形钢筋混凝土桥塔，塔柱采用矩形空心截面[10]。塔柱顺桥向宽度由塔顶的7.5 m渐变至索塔横梁处的9.5 m，坡率为74.7807∶1；再由索塔横梁处的9.5 m渐变至塔底的11 m，坡率为24.4257∶1。横桥向宽度由塔顶至索塔横梁处均为6.2 m，再由索塔横梁处的6.2 m渐变至塔底的10.2 m，坡率为9.1596∶1。塔高95.6 m(包括2.5 m塔冠高度)，上塔柱锚固墙壁厚140 cm，侧墙壁厚90 cm；下塔柱壁厚150 cm；主梁底塔上设横梁，横梁为预应力混凝土结构。横梁高度为3～5.9 m，宽度为5 m，壁厚为100 cm。桥塔构造如图4所示。

图4 桥塔构造(单位：m)

上承台尺寸14 m×14 m×3 m，下承台尺寸19 m×19 m×5 m。基础采用16根φ2.0 m的桩孔灌注柱桩。

4.3 斜拉索

斜拉索采用热挤聚乙烯双层护套的高强度平行钢丝拉索。斜拉索为空间双索面体系，扇形布置，全桥共72根(36对)；斜拉索在主梁上的标准索距为12 m，塔上索距4.5 m。根据索力的不同，规格分别为PES(C)7-163、PES(C)7-187、PES(C)7-199、PES(C)7-211、PES(C)7-241。斜拉索的两端均采用冷铸锚[11](张拉端锚具)，施工时在索塔内张拉。最大索长约137.925 m，最大索重(含护套和锚具)11.317 t。为抑制拉索振动，拉索在塔张拉端、梁锚固端均设置配套内置减振器，部分斜拉索设置外置式阻尼器。

4.4 转体结构

转体结构由下转盘、球铰[12]、上转盘、转体牵引系统等组成，转动体系采用钢球铰，分上下两片。球体半径10 m，球缺面直径5 m。本桥转体吨位约1.75万t，承台设计为预应力混凝土结构。考虑局部承压，部分采用C55混凝土。承台下部纵、横向均设置预应力钢绞线，向上弯起后锚固在承台侧面。转体构造如图5所示。

图5 转体构造(单位：m)

在上转盘的牵引盘下设置8组撑脚[13]，环向等间距布置，中心线直径10 m，与环形滑道中心线一致。环形滑道宽1.4 m。每个撑脚由2个φ900 mm×20 mm的钢管和2片缀板焊接成哑铃形柱再与走行板焊接组成，钢管和缀板腔内灌注C55微膨胀混凝土[14]。

上、下转盘[15]在各施工阶段均保持良好受力状态，正应力、主应力均小于公路规范C55混凝土的容许值。上转盘最大主拉应力1.84 MPa，最大主压应力发生于球铰与转盘交接部位，为22.59 MPa，此部位材料为球铰钢板，满足抗压要求。扣除球铰部位，最大主压应力值为14.7 MPa。下转盘施工过程中最大主拉应力为2.15 MPa，最大主压应力为9.28 MPa。转体过程中，桩基最大应力为3.7 MPa。

4.5 索梁及索塔锚固

鉴于本桥临近铁路施工[16]，钢结构吊装存在一定风险，同时从工程经济性考虑，推荐齿块锚固方案作为索塔锚固形式[17]。索塔锚固块如图6所示。

图6 索塔锚固块

对于索梁锚固结构，锚管式锚头露于梁底，出于铁路净空、检修安全角度着想，不推荐。而若本桥设置耳板式或锚拉板将导致桥面宽进一步增加，因此本次设计从铁路安全、桥梁美观、结构断面优化等综合考虑，最终采用钢锚箱作为索梁锚固结构形式。索梁钢锚箱如图7所示。

图7 索梁钢锚箱

5 结构分析

5.1 静力分析

桥梁设计荷载考虑结构恒载、汽车、人群、制动力、风荷载、温度荷载及施工临时荷载，其中恒载包括结构自重、二期恒载、压重荷载、混凝土收缩徐变、基础变位、支座摩阻力等。基础沉降按索塔基础2 cm，其他1 cm考虑[18]。对于温度作用，考虑混凝土结构整体升温20 ℃，整体降温30 ℃；钢箱梁及斜拉索整体升温29 ℃，整体降温41 ℃；索梁及索塔间温差取±10 ℃；索塔单侧±5 ℃；钢梁温度梯度按英国规范BS5400相应条文执行，正温差24 ℃，负温差6 ℃。风荷载计算按《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T D60—01—2004)执行，与汽车荷载组合的风力按桥面风速25 m/s计算，超过25 m/s(基本风速)不与汽车荷载组合。

全桥总体静力分析采用MIDAS空间有限元程序，以设计竖曲线为基准进行结构离散，并根据施工过程形成各阶段的计算图式，分析结构各阶段的内力和位移变化情况，建立空间有限元模型。MIDAS空间有限元模型如图8所示。

图8 MIDAS空间有限元模型

建模分析过程中，对于主梁、主塔采用三维梁单元模拟，其截面特性按照实际情况定义相应的截面。计算考虑斜拉索垂度效应、主梁或索塔在显著轴压力作用下的P-Δ效应、结构大变形效应等非线性影响，其中斜拉索采用只受拉单元模拟，考虑垂度效应和索端转角的影响，斜拉索其截面特性按照实际截面模拟。索塔横梁按真实情况建立空间预应力。

边界条件：(1)施工阶段，主梁与塔临时固结(锁定)；(2)运营阶段，结构体系采用半漂浮体系，即主桥边墩处设竖向、横向约束，纵向活动；索塔与主梁间设竖向约束和横向约束，纵向设置阻尼限位器。桩-土相互作用以柔度矩阵的形式等代考虑。约束体系布置如图9所示。

图9 约束体系布置(单位：m)

5.1.1 钢箱梁

在汽车活载作用下，主跨最大竖向下挠为0.249 m，挠跨比为1/1012。

基本组合下，钢箱梁上缘最大压应力为58.5 MPa，最大拉应力为37.0 MPa；下缘最大压应力为137.9 MPa，最大拉应力为70.6 MPa。钢箱梁应力第一体系应力值均小于强度设计值270 MPa，同时对顶板进行二三体系应力叠加[19]，最大值为152.4 MPa，满足规范要求。钢箱梁应力包络图如图10、图11所示。

图10 基本组合钢箱梁上缘应力包络图(单位：MPa)

图11 基本组合钢箱梁下缘应力包络图(单位：MPa)

按规范采用疲劳荷载计算模型Ⅰ检算钢箱梁疲劳应力，考虑多车道的影响[20]。疲劳车道荷载作用下，钢箱梁上缘疲劳应力最大为13.0 MPa；下缘疲劳应力最大为24.9 MPa。疲劳应力值均小于控制值51.85 MPa。

5.1.2 桥塔

标准组合作用下，塔柱正应力基本表现为受压，最大压应力为10.66 MPa，出现在塔柱与横梁交接处；最大名义拉应力为2.02 MPa，亦出现在塔柱与横梁交接处。

标准组合作用下，横梁正应力基本表现为受压，压应力储备最大值为4.5 MPa，最大名义拉应力为横梁根部下表面，出现0.3 MPa拉应力。经空间实体有限元模型验证，横梁均呈受压状态。

5.1.3 斜拉索

斜拉索在标准值组合下最大拉应力为658 MPa，最小拉应力为320 MPa。疲劳活载(含动力作用)引起的最大应力幅值为63 MPa(未计弯曲二次应力)，远小于200 MPa。斜拉索在标准值组合下安全系数最小为2.54，最大为2.85，均大于2.5，满足斜拉索容许安全系数要求。各种断索工况下，斜拉索最小强度安全系数为2.37，大于安全系数2.0，满足要求。各种换索工况下，斜拉索最小强度安全系数为2.40，大于安全系数2.0，满足要求。

5.2 动力分析

采用SAP2000程序建立的杨泗港快速通道青菱段斜拉桥三维结构动力分析模型。

5.2.1 结构动力特性

分析和认识桥梁结构的动力特性是进行桥梁结构抗震性能分析的基础和重要环节，为此，对结构进行了动力特性分析。表1列出了主桥前10阶振型图周期、频率和主要振型特征[21]。

表1 主桥前10阶动力特性

5.2.2 抗震分析

采用反应谱法和非线性时程方法进行了结构地震反应分析，计算了结构在E1地震作用(50年超越概率10%)和E2地震作用(50年超越概率2%)两种设防水准地震输入下的地震响应。

E1和E2地震作用下，在纵桥向+竖向、横桥向+竖向地震输入下，主桥所有桥塔、桥墩截面及桩基础最不利单桩截面地震弯矩小于其初始屈服弯矩，截面保持为弹性工作状态，满足预期性能目标要求。其中E1地震作用下，横桥向边墩、辅助墩和主塔牛腿处固定支座最大剪力分别为2 411、1 592 kN和14 007 kN。

对于主塔处固定支座，结合抗风支座联合作用，设计吨位满足地震作用抗剪承载力需求。

5.3 稳定性分析

基于MIDAS有限元程序，建立空间有限元模型，计算分析了主桥裸塔状态、转体施工阶段、运营阶段的空间稳定性分析。

计算工况：①计算工况1，恒载作用；②计算工况2，恒载作用+横桥向风荷载(100年重现期，阻力、升力、升力矩)；③计算工况3，恒载作用+顺桥向风荷载(100年重现期)；④计算工况4，恒载作用+全桥满布活载+横桥向风荷载(行车风速，阻力、升力、升力矩)；⑤计算工况5，恒载作用+全桥满布活载+顺桥向风荷载(行车风速)；⑥计算工况6，恒载作用+主跨满布活载+横桥向风荷载(行车风速，阻力、升力、升力矩)；⑦计算工况7，恒载作用+主跨满布活载+顺桥向风荷载(行车风速)。主桥各主要阶段稳定性分析见表2。

表2 主桥各主要阶段稳定性分析

6 结论

(1)武汉市杨泗港快速通道青菱段工程线路走向与铁路建筑相交，需要通过的既有铁路建筑物类型繁多，主要有武石城际、京广铁路、焊轨基地及武南编组站；而且还需在武昌首义学院内穿行，学校建筑与工程建设区域较近。为减少对既有铁路建筑物的干扰，确保铁路运营安全，同时缩短施工工期，本桥综合考虑采用钢箱梁斜拉桥、转体施工方案。

(2)本桥为国内首座半漂浮体系独柱塔转体斜拉桥，首创独柱塔这一独特转体斜拉桥桥塔形式，该桥塔缩减了基础规模，景观效果好，可为上跨铁路桥梁的桥式方案选择提供一定的借鉴。

(3)静动力分析表明，本桥结构受力性能良好，结构安全可靠，独柱宽幅中央索面转体钢箱梁斜拉桥可进一步推广。