襄阳庞公大桥主桥设计研究

潘 韬 李 奇 舒思利 易伦雄

(中铁大桥勘测设计院集团有限公司 武汉 430056)

1 工程概况

庞公大桥是襄阳市第八座汉江大桥，位于汉江大桥下游约800 m处，工程起于长征路大庆路路口，止于星光大道庞公路路口，路线全长2.6 km。根据GB 50139-2014 《内河通航标准》[1]的选址规定，结合大桥桥位处的水域宽度和两岸疏解平面布置，经过桥梁方案综合比选，主桥采用三塔两跨2×378 m钢板结合梁悬索桥，不仅能很好地适应地形条件及满足通航要求，还能减小主缆截面、降低锚碇尺寸、减小施工难度。主桥桥型布置见图1。

图1 庞公大桥主桥桥型立面布置图(单位：m)

大桥按照城市主干路、双向六车道标准设计，设计车速60 km/h，设计荷载按城-A级汽车荷载标准，人群荷载标准值为2.4 kN/m2。

2 总体布置

根据锚碇的布置要求，主缆跨度布置为95 m+378 m+378 m+158 m，考虑到本桥为两跨三塔悬索桥，主缆矢跨比宜取较大值，以保证中塔顶主缆抗滑移安全[2]，因此本桥矢跨比取为1/9。

主梁分两跨简支梁布置，以避免中塔处主梁出现较大负弯矩，从而大幅降低混凝土桥面板在运营荷载作用下的拉应力[3]。在中塔处梁端设横向活动支座约束竖向位移和纵向位移；在边塔处梁端段多向活动支座，仅约束竖向位移。主梁与各主塔间设横向抗风支座。

主桥桥面宽34.5 m，设置双向六车道，两侧设非机动车道及人行道，人行道栏杆外侧设吊索锚固区。

3 主桥结构设计

3.1 主缆

主缆采用预制平行钢丝束股法(PPWS)形成，每根主缆由61股索股组成，每根索股由127丝直径为5.2 mm的锌铝合金镀层高强钢丝组成，标准抗拉强度为1 860 MPa。2个主跨和襄城侧边跨主缆横向间距为35.5 m，受用地条件限制，樊城侧边跨主缆理论散索点横向间距为67.014 m。

3.2 吊索

吊索横向间距为35.5 m，吊索顺桥向标准间距为9 m，主塔最近的吊索距主塔中心线13.5 m。每个吊点布2根吊索，吊索由109根直径5 mm锌铝合金镀层高强钢丝组成，标准抗拉强度为1 770 MPa。

3.3 索鞍

主索鞍为全铸钢结构，为肋传力结构形式，采用铸钢ZG270-480H铸造。中塔顶鞍座顺桥向长4.9 m，横桥向宽2.5 m。樊城侧边塔顶鞍座顺桥向长4.57 m，横桥向宽3.6 m。襄城侧边塔顶鞍座顺桥向长4.37 m，横桥向宽2.5 m。

散索鞍采用摆轴式结构，为铸焊组合式。鞍槽用铸钢铸造，材料为ZG270-480H，鞍体由钢板焊成。

3.4 主梁

加劲梁分两孔简支梁关于中塔中心线对称布置，采用钢板梁-混凝土桥面板结合梁，梁全宽34.5 m，桥梁中心线处梁高3.2 m，断面布置见图2。钢梁采用Q345qD，由2片纵梁及布置于其间的横梁组成，纵、横梁均为工字形截面。钢梁中心高为3 m，顶面设双向横坡，坡度为2%，2片纵梁中部中心距为33.7 m。桥面板采用厚20 cm的C55混凝土，通过设在钢梁顶面直径22 mm、高150 mm的剪力钉与钢梁连接成为整体。

图2 1/2主梁横断面布置(单位：cm)

主梁标准节段长9.0 m，边塔处梁端节段长8.5 m，中塔处梁端节段长为7.4 m。钢梁节段间顶板焊接，腹板和底板用M30高强度螺栓连接。钢横梁与钢纵梁顶板焊接，腹板和底板用M24高强度螺栓连接。钢横梁和钢纵梁运送到现场后组拼成钢梁节段。桥面板分块预制，横向分2块，标准预制块纵向宽3.0 m，横向宽16.25 m，存放6个月后与钢梁节段结合。主梁逐节段吊装上桥，节段间用临时连接件连接；单个节段吊装重量约2 700 kN。所有节段吊装上桥后，节段间钢梁换为永久连接，再浇注节段间湿接缝混凝土。

3.5 主塔

1) 中主塔采用钢-混组合门形框架结构，其中下塔柱和下横梁为混凝土结构，上塔柱及上横梁为钢结构，其结构示意见图3。

图3 桥塔结构示意图(单位：cm)

桥塔下塔柱高27.581 m，采用单箱单室截面，纵向宽为10 m、横桥向宽为7 m。在钢-混结合面以下2.5 m范围内采用超高性能混凝土，其余部位采用C55号混凝土，下塔柱根据整体分析结果设竖向预应力。

上塔柱高42.219 m，在塔顶以下4.9 m区间及混凝土塔顶以上12 m区间采用单箱多室的整体钢塔柱截面，中间区域由对称布置的4个小箱形截面钢柱及钢柱间斜撑组成，斜撑为工字形截面。上塔柱底部与混凝土下塔柱结合处设钢-混结合段，混凝土下塔柱内设置的预应力钢绞线穿过承压板上预留孔洞锚固在承压板上，将混凝土下塔柱与钢结构上塔柱紧密连接为一体。

下塔柱顶部主塔中心处设1道混凝土结构箱形截面横梁，设双向横坡坡度为2%。上、下游塔柱顶部之间设置1道钢结构上横梁，采用变高桁架式结构。

2) 边塔亦采用钢-混组合门形框架结构，由上、下塔柱及上横梁组成，其中下塔柱为混凝土结构，上塔柱及上横梁为钢结构。

下塔柱高14.174 m，采用正方形截面，纵向、横桥向宽均为5.28 m。上塔柱高47.726 m，由对称布置的4个箱形截面钢柱及钢柱间斜撑组成。斜撑为工字形截面，焊接于钢柱外侧。

钢塔柱底部与混凝土下塔柱结合处设钢-混结合段，混凝土下塔柱内设置的预应力粗钢筋穿过承压板上预留孔洞锚固在加劲肋顶部设置的垫板上，将混凝土下塔柱与上塔柱钢柱紧密连接为一体。

上、下游塔柱顶部之间设置1道钢结构上横梁，采用变高桁架式结构。

3.6 主塔基础

主塔基础采用钻孔桩深基础，按摩擦桩设计，中主塔基础采用18根直径2.5 m的钻孔灌注桩，边主塔基础采用18根直径1.8 m钻孔灌注桩。

3.7 锚锭及基础

樊城侧锚碇基础采用外径35 m、壁厚1.0 m的圆形地下连续墙加环形钢筋混凝土内衬支护结构。基底置于中密～密实卵砾石层，基底标高+48.0 m。襄城侧锚碇基础采用“∞”形地下连续墙基础，基底标高+45.0 m，其构造示意见图4。

图4 襄城侧锚锭基础(单位：cm)

4 静力主要计算结果

4.1 计算模型

采用非线性有限元软件BNLAS建模进行整体静力分析和计算。主缆用悬链线索单元进行模拟，吊索以膜单元进行模拟，主塔和加劲梁用梁单元进行模拟，考虑加劲梁竖曲线、桥面横坡等情况，加劲梁截面特性按照换算截面考虑[4]，有限元模型见图5。其边界约束条件为：桩底固结，主缆在锚固点固结；主梁在主塔处设上、下游竖向拉压支座，约束主塔处主梁的竖向位移，并通过上、下游竖向支座的联合作用，约束主梁的扭转；主梁与主塔间设侧向抗风支座。

图5 主桥有限元离散模型

4.2 荷载

按照桥梁实际施工阶段，建立结构模型，分析主桥在各施工过程及运营阶段的应力和变形情况。计算过程中考虑了恒载、汽车，人群荷载、基础沉降、温度荷载、风荷载等各项作用，并按规范规定将各项作用进行组合。

4.3 计算结果

4.3.1主缆抗滑

中塔主缆抗滑计算主要加载位置工况及相应的计算结果见表1。

表1 中塔主缆抗滑加载位置工况计算结果

对于大跨三塔悬索桥，主缆抗滑的控制活载工况为：1个主跨满布活载，另一个主跨空载。这种设计工况为极小概率事件。进行大跨度三塔悬索桥设计时，考虑对上述加载工况的活载合理取值，如考虑另一主跨施加一车道活载等方式。同时，对于大跨度三塔悬索桥，由于主缆拉力中恒载所占比重很大，实际设计时，K可在1.5～2之间取值(实际K≥1.2已足够安全)[5]，主缆抗滑移安全性均有保证。

4.3.2位移结果

加劲梁在汽车荷载和人群荷载及横向风荷载作用下挠度结果见表2。

表2 加劲梁挠度结果

由表2可见，在汽车荷载和人群荷载及横向风荷载作用下，加劲梁的挠度均满足规范规定的影响挠度不宜大于1/250，横向位移不大于1/150的要求。

4.3.3应力结果

经计算，施工与运营阶段主缆、吊索、主梁、主塔应力均满足规范要求，其中运营阶段主缆最大应力为691 MPa，安全系数为2.69；吊索最大拉应力为589 MPa，安全系数为3.00；钢主梁最大拉应力为125.45 MPa，最大压应力为81.64 MPa；混凝土桥面板最大拉应力为2.45 MPa，最大压应力为4.12 MPa；中塔钢塔柱最大压应力为230.7 MPa，最大拉应力为146.1 MPa，混凝土塔柱的最大压应力为20.3 MPa，最大拉应力为1.1 MPa；边塔钢塔柱最大压应力为186 MPa，最小压应力为71.7 MPa，混凝土塔柱最大压应力为15.6 MPa，未出现拉应力。

5 主要技术特点

1) 超高性能混凝土的使用。针对中主塔钢-混结合段构造与受力比较复杂的情况,在钢-混结合面以下2.5 m范围内采用UHPC作为钢-混可靠连接的加强措施，该混凝土不仅具有良好的力学性能，其抗拉、抗压强度也远远超过常规混凝土[6]。同时该混凝土与常规混凝土在施工浇筑连接面的黏结强度也超过常规混凝土，能与常规混凝土非常好地形成一个整体。

2) 钢-混叠合塔。庞公大桥作为2×378 m的三塔钢板结合梁悬索桥，中塔刚度对结构的整体刚度及主缆抗滑移均有重要作用，中塔设计是三塔悬索桥设计的重点与难点，同时本桥的恒活载比不大，因此对中塔结构的刚度和强度要求更高。通过对钢-混叠合塔的钢、混段高度比例的调整、钢塔形式的比选、钢塔截面等的优化，使中塔结构满足主桥设计的要求。

3) 主缆耐久性设计。大桥主缆防腐措施通过钢丝表面镀层、主缆表面重防腐涂层和注入干燥空气除湿等3道工序来予以保证。目前国内已建成悬索桥主缆钢丝通常采用镀锌层防腐，但已有研究认为，镀锌铝合金钢丝耐腐蚀性能优于镀锌钢丝。为延长大桥的使用寿命，主缆采用镀锌铝合金高强钢丝材料。

4) “∞”字形地连墙基础。该基础的平面面积小，截面惯性矩大，半径小，墙体环向应力小，可实施性高。因为受用地条件的限制，采用该结构能有效节约襄城侧的场地平面布置，减少征地拆迁的范围。

6 结语

襄阳庞公大桥主桥采用三塔两跨悬索桥，加劲梁采用钢板梁-混凝土桥面板结合梁形式。大桥采用了UHPC超高性能混凝土钢-混接头、钢-混叠合塔、锌铝合金镀层缆索、“∞”字形地连墙锚碇基础等特殊材料与工艺。大桥于2016年10月开工建设，2019年11月主桥顺利合龙，已于2020年6月建成通车。庞公大桥的建成将有效缓解襄城与樊城两城区之间的过江压力，缓解过江通道两侧道路的交通拥堵。