黄茅海跨海通道工程高栏港大桥桥塔方案设计

杜 磊，梁立农，孙向东，万志勇，徐德志

(广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广州 510507)

1 工程概况

黄茅海跨海通道起点位于珠海市平沙前西社区与鹤港高速公路顺接，终点于台山斗山镇，与西部沿海高速公路相交，对接新台高速公路，路线全长31.11km。项目对改变粤西沿海地区与湾区核心区域通道单一的现状，实现大湾区经济发展向粤西和沿海地区辐射,具有重大意义。跨海段平面布置如图1所示。

图1 黄茅海跨海通道跨海段平面布置

项目跨越崖门出海航道东东航道处设置高栏港大桥。根据通航条件专题研究成果及航道批复，东东航道主跨要求不小于700m。这一跨径结合自然条件，斜拉桥是最合适的桥型。结合航道区域布置及项目跨海段跨径总体设计，高栏港大桥跨径布置为110m+248m+700m+248m+110m=1 416m，边中跨比为0.51。总体布置如图2所示。

图2 高栏港大桥立面布置

2 主要技术指标

(1)公路等级：高速公路。

(2)设计速度：100km/h。

(3)行车道数：双向六车道。

(4)设计使用寿命：100年。

(5)主桥宽度：全宽50m。

(6)设计荷载：公路-I级。

(7)设计通航净空：东东航道(538m×64m)。

(8)通航水位：最高通航水位+3.320m，最低通航水位：-0.788m。

(9)桥址设计基本风速：US10=46m/s。

(10)区域地震动峰值加速度为0.10g，地震设防标准：通航孔桥E1基准-100年超越概率10%，E2基准-100年超越概率4%。

(11)船舶撞击力：见表1。

表1 高栏港大桥船撞力

3 桥塔设计方案构思及比选

3.1 桥塔设计方案构思

黄茅海跨海通道是推动粤港澳大湾区基础设施建设、加强湾区内交通联系的重大工程之一，建设目标是打造百年平安、绿色、品质工程。因此，桥梁的受力性能及景观要求较高。

桥塔是斜拉桥最为重要的受力构件之一，其造型也是彰显桥梁景观特色的关键环节，因此，高栏港大桥的桥塔设计尤为关键。常规的桥塔主要有钻石型、H型、门型、A型、倒Y[1-2]，本项目设计过程中，创新性地提出了独柱式纤腰桥塔和A型旋动桥塔两种方案，如图3所示。本文对两种方案及其比选进行介绍[3]。

图3 高栏港大桥桥塔方案三维模型

3.2 方案一(独塔型方案设计)

方案一为独柱式纤腰桥塔+分体式钢箱梁方案。塔底截面为圆形截面，直径18m，在塔底到高程+69.703m(桥面附近)过渡到圆端形截面，尺寸为13m×10m(顺桥向×横桥向)，壁厚2m。高程+69.703m到+169.203m范围内过渡到直径8.5m的圆形，壁厚由2m过渡到1.5m。高程+169.203m到塔顶范围内过渡到塔顶的直径11m的圆形，壁厚为1.5m。在塔座以上162.09m处截面最小，形成“纤腰”的视觉效果。

图4 独柱式纤腰桥塔方案构造

独柱塔竖向呈纤腰，外观简洁挺拔，个性鲜明，视野通透，圆形截面桥塔寓意着“圆满融通”，汲取东方传统文化“圆融精神”，呼应粤港澳大湾区互联互通、共建共享的战略，凸显地域特征。结合桥梁美学，主塔造型以“圆”为基础，展现扶摇直上的聚力融合之势，塑造了简洁大气的桥梁景观。

对于造型新颖的独柱式纤腰桥塔，材料的选择较为关键。可供选择的材料类型有三种：钢、钢筋混凝土、钢混组合。针对三种材料形式进行比较分析，见表2。推荐采用经济性稍好的圆端形混凝土桥塔。

图5 高栏港大桥独柱式纤腰桥塔方案效果

表2 桥塔材质方案比较

3.3 方案二(A型塔方案设计)

方案二为A型旋动桥塔+整体式钢箱梁。主塔采用造型独特的A型旋动索塔，塔柱为扭转的菱形截面，截面尺寸由塔顶的10m×8m变化至塔底的14m×12m。变化采用直线形渐变，同时对独柱截面进行90°扭转，在塔顶以下25m左右范围融合。

A型塔柱为棱形断面，风阻系数低，从塔底到塔顶均匀直线型扭转90°，两塔柱倾斜在塔顶融合成整体。塔柱侧面上的每一条竖直线和横截面上的每一条边，在扭转前后均保持直线，而且塔柱的截面变化与内力的分布是相互协调的。

图6 A型旋动桥塔方案构造

图7 A型旋动桥塔截面变化

对于A型旋动桥塔，结合结构构造、受力等因素，推荐采用钢壳混凝土塔[3]。塔柱壁厚1.5m，索塔节段由内外钢壁板、竖向及水平加劲肋、竖向及水平角钢、焊钉、钢筋及混凝土组成。加劲肋开孔后依次穿过竖向及水平钢筋，形成钢筋混凝土榫，实现钢结构与混凝土协同工作。

除受力合理外，A型旋动桥塔也独具景观特色。依次排列的A型旋动桥塔较好地顺应了黄茅海山海相望的自然生态格局。桥塔整体造型新颖，线条简洁、刚劲挺拔，充满力量感，寓意黄茅海跨海通道凝城聚力，向海而生，助力粤港澳大湾区的发展永攀高峰。

图8 A型旋动桥塔节段构造三维模型

图9 高栏港大桥A型旋动桥塔方案效果

3.4 塔型方案比选

高栏港大桥推荐采用方案一：独柱式纤腰桥塔+分体式钢箱梁方案。两个塔型方案的比选见表3，表中对于竖向挠度，上挠为正，下挠为负；对于纵向变形，负表示指向跨中，正表示远离跨中。

表3 高栏港大桥桥塔方案比较

4 推荐方案独柱塔设计的关键点

高栏港大桥需克服强台风、高烈度地震、强海水腐蚀、高船撞力等不利的建设条件，桥塔设计难度较高。针对以上因素，采取了不同的应对措施[4-5]。

4.1 结构纵向结构体系设计

高栏港大桥纵向结构体系的控制目标为：

(1)保证结构在静力及极限动力荷载作用下的安全度。

(2)改善结构在极限风、地震等偶然荷载作用下的内力和位移反应，减小伸缩缝、支座等装置的位移量和动力磨损。

在常用的全漂浮体系及塔梁固结体系的基础上，从约束装置在结构使用阶段发生作用的机理出发，进一步提出永久弹性约束方案和动力阻尼加刚性限位方案共4个方案进行比选。

对于永久弹性约束的刚度值，设计过程中按1e4kN/m～10e4kN/m分13档计算，综合结构受力、弹性索自身承载力富余度等因素考虑，确定弹性索刚度为3e4kN/m[3]。对于动力阻尼加刚性限位方案，每个桥塔处设4个阻尼器，经比选，单个阻尼器的速度指数α=0.3，阻尼常数C=3 500kN/(m/s)0.3，刚性限位的限位间隙取45cm，弹簧刚度取400MN/m[6]。

不同结构体系的计算结果见表4和表5，索塔纵向受力较为不利的工况为百年风组合和地震组合。表4所列结果均为标准组合，考虑承载能力极限状态的相关系数后，百年风组合效应均大于E2地震效应，为结构纵向受力的控制工况。

表4 不同结构体系在静力百年风荷载+温度作用下效应比较

表5 不同结构体系在E2地震(纵向+竖向)作用下效应比较

从比较结果来看，安装永久弹性约束装置或是阻尼加刚性限位装置可使梁端水平位移、塔顶水平位移及塔底弯矩均较小，相对较优。其中，动力阻尼器加刚性限位方式一方面改善了结构的动力响应，同时能较快地衰减主梁震动，耗能效果要优于水平弹性约束。加上刚性限位后结构在纵向极限风荷载等作用下的静力响应也大大减小，梁端位移从漂浮体系的1.793m，降低至0.539m，降幅达70%；塔底弯矩从3 011 462 kN·m降低至1 435 251 kN·m，降幅达52%。经综合比较，采用动力阻尼器加刚性限位的结构体系[7-8]。

4.2 结构耐久性设计

(1)本项目重度盐雾区范围为标高+16m以下，此范围塔身采用硅烷浸渍及环氧钢筋。

(2)塔身涂装体系。索塔涂装防护体系设计方案见表6。

表6 索塔涂装防护体系

4.3 防船撞设计

4.3.1 防撞护舷设计

主桥所有承台设置固定式复合材料防撞护舷，性能满足《公路桥梁防船撞装置技术指南》(T/CHTS 20005-2018)相关要求。桥塔船撞力消能后可降至消能前的81.5%左右。

4.3.2 塔身底部构造设计

在塔底3m范围内设置实心段，实心段顶部向上11m范围内设置厚度1m的十字隔板，以抵抗潜在的局部撞击力。细部构造如图10所示。

图10 塔柱底部构造设计(单位：cm)

5 结语

针对黄茅海跨海通道工程高栏港大桥的特点，创新性地提出了独柱式纤腰桥塔和A型旋动桥塔两种方案，经深入比选，高栏港大桥推荐方案采用独柱式纤腰桥塔+分体式钢箱梁方案。

针对强台风、高烈度地震、强海水腐蚀、高船撞力等不利的建设条件,设计过程中采取了一系列应对措施，如动力阻尼器加刚性限位的纵向结构体系；塔身重度盐雾区采用环氧钢筋以及对塔身设置合理的涂装防护体系；承台设置防撞护舷、塔身潜在撞击范围内设置实心段及防撞隔板等，较好地解决了桥塔设计的关键技术问题，可供其他类似工程参考。