刚果(布)滨河大道斜拉桥主桥设计

叶成银, 庞彪

(中国路桥工程有限责任公司， 北京市 100011)

1 工程概况

刚果(布)滨河大道项目是中国路桥在非洲的大型基建项目之一，位于刚果共和国首都市中心，毗邻刚果河，建成后对于改善区域内交通环境具有重要意义，同时将成为区域内地标性建筑。项目全长2.6 km，始于布拉柴纪念碑，终于阿尔法萨大道，其中高架桥段全长约1 km，由一座主跨285 m的双塔五跨混凝土斜拉桥与PC连续梁引桥组成。道路设计为双向四车道，一侧设置4 m宽人行道。

2 主桥桥型方案

城市桥梁作为一种体形巨大的建筑物，是人们生活环境的重要组成部分，其艺术造型和景观设计成为决策者和设计者主要关注点。滨河大道主桥所在的市中心，既有总统官邸等国家主要行政机构，也有布拉柴纪念馆等重要旅游景点，对于桥梁的景观设计有较高的要求。由于道路设计要求，主桥北侧位于半径550 m的平曲线上，桥型选择需要考虑曲线段对于设计施工难度的影响。

滨河大道主桥设计之初曾提出过斜拉桥、连续刚构桥和钢管拱桥3种方案，综合比较如表1所示。

钢管拱桥方案的施工工艺复杂，平面弯曲段的存在增大了钢结构加工和安装难度，工程造价高，工期长，不宜采用。连续刚构桥各项指标略优于斜拉桥，但景观效果一般。综合比较后，最终采用斜拉桥方案作为实施方案。

表1 滨河大道主桥方案比选

3 桥梁结构设计

3.1 总体布置

滨河大道主桥设计为双塔五跨混凝土斜拉桥。主桥的边中跨比为0.456，属于混凝土斜拉桥较适宜的边中跨比。辅助墩处布置压重以平衡索力。桥跨布置为(49+81+285+81+49) m=545 m，桥梁立面如图1所示。

竖向约束方面，对比半漂浮体系和全漂浮体系，全漂浮体系无索区较长，索塔处正弯矩较大。采用半漂浮体系较有利，在索塔处设置竖向支座。辅助墩设置竖向拉压支座，以防止活载不利布置时支座脱空。横向约束方面，索塔处设置横向抗风支座，辅助墩和过渡墩处设置横向限位装置。纵向约束体系方面，对比了百年风载作用下，纵向自由、设限位挡块和设阻尼器3种情况的塔顶位移和塔底弯矩，后两种情况塔顶位移和塔底弯矩较优。考虑成本限制，选择在辅助墩和过渡墩处设置纵向限位装置。主桥的约束体系布置如图2所示。

图1 滨河大道主桥立面图(单位:m)

图2 滨河大道主桥约束系统布置(单位:m)

3.2 主梁

主梁采用现浇预应力混凝土Π形双边主梁，中心梁高2.3 m，桥宽22.0 m，顶面设置双向2.5%横坡。主梁断面横向左右侧不对称，西侧布设有人行道。主梁标准节段长9 m，边跨加密段梁段长6 m，横断面图如图3所示。标准断面边主梁底宽1.7 m，顶板厚28 cm；在辅助墩和主塔附近根据受力需求，梁底加宽至2.9 m，顶板加厚至40 cm。辅助墩处压重段主梁为箱形截面，内填铁砂混凝土作为压重。主梁在拉索锚固位置设置35 cm厚横隔板，在索塔处加厚至2 m，在过渡墩和辅助墩处加厚至2.5 m。

图3 主梁标准横断面图(单位:cm)

为防止主梁在正常使用阶段开裂，沿主梁纵向和横向设置预应力钢束。纵向预应力钢束包括悬臂钢束、边跨现浇段钢束和合龙钢束3种，分别在悬臂浇筑、边跨浇筑和合龙时张拉。

3.3 桥塔

索塔采用钻石造形，造型典雅又不失稳重，由下塔柱、中塔柱、上塔柱、塔底实心段以及3道横梁构成，塔高122.2 m，桥面以上高度约96 m，如图4所示。塔柱采用空心单箱单室断面，下塔柱为变截面柱，上塔柱、中塔柱为等截面柱，横向外侧面出于景观考虑设置20 cm深槽口。塔柱截面如图5所示。

图4 索塔立面图(单位:cm)

图5 塔柱截面图(单位:cm)

索塔基础采用群桩基础，材料为C30水下混凝土。共布置21根直径2 m的桩基，桩基持力层为中风化砂岩。承台平面尺寸为33.2 m×13.2 m (横桥向×顺桥向)，承台厚4 m。索塔桩基示意图如图6所示。

3.4 斜拉索

全桥共120根斜拉索，标准段索距9 m，边跨加密段索距6 m。采用标准强度1 860 MPa的φ15.2型的镀锌涂油带PE钢绞线，张拉方式为主梁端张拉。自内而外通过镀锌、防腐油脂、PE层和双层索套管4层防护手段防止钢绞线锈蚀。为抑制拉索的风雨激振和涡激振动，斜拉索最外层采用带双螺纹线和凹坑的HDPE索套管，同时在主梁和斜拉索之间安装外置阻尼器(图7)。

图6 基础承台示意图(单位:cm)

图7 斜拉索大样图

斜拉索施工时采用标高与索力双控的方式控制施工，其中施工阶段控制标高允许偏差不大于±20 mm，张拉力允许偏差不大于±2.5%。

斜拉索在主梁端锚固于边肋底部，锚固槽口处布置钢筋网片以提高抗裂性能，锚块处沿拉索方向布置短钢筋以传递索力，沿拉索垂直方向布置箍筋提高抗裂性能。主梁处的锚固大样图如图8所示。

索塔处常用锚固方案包括钢锚箱、钢锚梁和环向预应力3种。钢锚箱方案具有受力方式明确、施工方便等优点，已在多座大跨度斜拉桥中得到应用。该工程塔柱内空间狭小，钢锚梁方案难以施工；环向预应力方案需要多次张拉，高空浇筑锚固区混凝土较为困难；最终选择施工较方便的钢锚箱方案。钢锚箱是由垫板、承压板、腹板、壁板、横隔板、开孔板、连接板及加劲肋等组成的空间箱形结构，如图9所示。同一位置的一对索力通过垫板→承压板→腹板→壁板的传力路径进行传递，其中索力水平分量由锚箱壁板承担，竖向分量通过嵌入混凝土桥塔的开孔板传递到塔柱上，进而传递到下部基础上。

图8 主梁锚固区大样图(单位:mm)

图9 索塔处钢锚箱大样图

4 桥梁施工

斜拉桥的施工方法，除考虑现有的施工技术水平及施工设备、桥址地质水文等因素外，还应考虑斜拉桥的结构体系、索形、索距和主梁截面形式等因素。滨河大道主桥部分位于平面曲线段，采用预制拼装法不易控制施工，故选用挂篮法进行悬臂浇筑施工法。边跨段因水位较浅，采用支座浇筑法。

斜拉桥的施工过程按照索塔→0号、1号段施工→主梁和拉索标准段施工→边跨合龙→中跨合龙→桥面铺装的顺序进行。标准段施工包括前移挂篮、施加压重、浇筑梁段、张拉预应力等过程，如表2所示。施工中斜拉索按索力和伸长量双控的方式控制张拉量，并严格控制挂篮立模标高。

中跨的合龙是控制全桥受力状况和线形的关键工序。合龙前，通过控制合龙温度(20～25 ℃)、压重和在合龙口顶推等方式控制合龙口位移；当合龙位移满足要求时用劲性骨架进行合龙口临时固定，进行混凝土浇筑，具体施工过程如表3所示。

5 平曲线弯曲段的处理措施

曲线斜拉桥作为斜拉桥的一个分支应用并不十分广泛，曲率的存在使斜拉桥受力和施工变得更加复杂：① 曲线段主梁扭转效应严重；② 曲线段不易施工控制；③ 曲线段索塔两侧的索力难以完全平衡，索塔受较大的径向力；④ 曲线段内外支座反力差异较大。

国内外学者曾提出一系列降低曲率对斜拉桥影响的方法，如锚固点和支座偏移，采用密索体系，桥梁采用空间建模分析等。主桥设计时充分考虑了这些经验和桥址所在地的特点，提出对曲线段主梁采取如下措施：① 增加辅助墩，减小了曲线段的跨度；② 曲线段的内外侧采用不平衡索力，通过优化索力降低主梁的扭转效应；③ 曲梁部分采用支架现浇，降低施工难度；④ 分析采用空间模型，充分考虑桥梁的弯扭耦合效应。

6 结语

滨河大道主桥采用现浇预应力混凝土斜拉桥方案，综合效益优于连续刚构桥和钢管拱桥方案。方案设计时充分考虑了桥梁所在地的特点，从桥跨布置、结构体系选择、材料选择、施工方案和弯曲段处理措施等多方面进行了优化，在安全适用的基础上获得了美观性与经济性的平衡。斜拉桥主桥已于2016年2月通车，目前运营状态良好，出色的设计和施工质量已成为中国在海外基础建设项目的标杆。