青岛墨水河大桥主桥设计

孙朝辉

[林同棪国际工程咨询（中国）有限公司，重庆市 401121]

1 工程概况

长江路延伸工程南起东环路，北至正阳西路，全长0.96m。墨水河大桥位于青岛市城阳区，为长江路跨墨水河新建桥梁。墨水河大桥对景观性要求较高，经方案设计论证后主桥采用两跨独塔中央双索面斜拉桥，桥梁造型取自展翅翱翔的白鹭之态，张力十足，轻盈优美。桥梁效果见图1。

图1 桥梁效果图

墨水河大桥全长313m，主桥为2×90m单塔中央双索面斜拉桥。主桥立面布置见图2。钢箱梁采用分体式箱形截面，桥梁中心线处梁高3m，单幅桥宽17.25m，联系横梁长度5m，桥梁总宽度为39.5m。桥塔采用“人”字形钢结构塔，塔高48.6m。全桥共布置18对斜拉索，按中央双索面扇形布置。主墩采用圆台式墩，基础采用钻孔灌注桩基础；过渡墩采用T形花瓶墩，基础采用钻孔灌注桩基础。主梁采用顶推法施工，桥塔采用节段吊装后在空中焊接成形[1]。

图2 主桥立面布置图（单位：m）

2 主要技术标准

（1）道路等级：城市主干路。

（2）设计荷载：城-A级。

（3）设计行车速度：50km/h。

（4）设计车道：双向6车道。

（5）桥面路幅分布：2.5m（人行道）+3.0m（非机动车道）+11.75m（车行道）+5m（拉索区）+11.75m（车行道）+3.0m（非机动车道）+2.5m（人行道）=39.5m。

（6）抗震设防：地震烈度为7度，地震动峰值加速度为0.1g。

（7）设计使用年限：100a。

3 结构支承体系

斜拉桥的结构支承体系有：飘浮体系，塔墩固结、塔梁支承体系，塔梁固结、墩梁分离体系，塔梁墩固结体系4种结构支承体系[2]。

飘浮体系的纵向水平力传力路径为：主梁→斜拉索→桥塔→下部结构[2]，因此桥塔下端须与主墩固接，悬浮体系对抗震有利，但也有主梁位移量较大、对塔柱的压曲稳定不利的缺点。考虑到该桥为中央索面斜拉桥，桥面宽度39.5m，桥梁运行过程中的横向扭转振动问题不容忽视[3]。塔、梁相互之间无联系将导致主梁约束较弱，不利于结构稳定，因此漂浮体系不适合。

由于该桥为独塔，且桥塔位于桥梁横桥向中心处，塔墩固结、塔梁支承体系在本设计中不可取。

塔梁固结、墩梁分离体系即塔柱下端与梁体固接后用支座支承在墩顶上。采用这种支承体系需采用大吨位支座，支座的养护、更换较困难。

塔梁墩固结体系对中小跨径的独塔双跨式斜拉桥比较适用，是独塔斜拉桥采用最多的支承体系[4]。既避免了使用大型支座又增加了横向有效约束，结构整体刚度好。综合考虑，该桥采用塔梁墩固结体系。

4 结构设计

4.1 主梁

墨水河大桥主桥桥塔布置在桥面横向中心处，同时考虑景观镂空效果，因此主梁采用分体式箱形截面[5]，左右幅钢箱梁通过间隔布置的联系横梁连接，钢箱梁总宽39.5m。钢箱梁构造见图3。斜拉索锚固在内主梁内边腹板外侧，锚点横向间距为5m，主梁单侧悬臂长度为17.25m，属于大悬臂结构。由于中央索面斜拉索提供的扭转约束比常规双索面小得多，在偏载作用下主梁扭转效应明显[6]。因此钢主梁需能提供较大的抗扭刚度。同时由于采用分体式钢箱梁构造，中间联系横梁是关键受力构件[7]，该横梁需承受横桥向的弯矩和轴力、活载偏载引起的扭转效应。因此主梁梁高由横向抗扭及横梁受力控制，梁高取3m。钢箱梁标准横断面见图4。

图3 钢箱梁构造

图4 钢箱梁标准横断面图（单位：mm）

根据受力需要，顶板在顺桥向采用了16mm、24mm、32mm三种不同的厚度。顶板采用U肋、板肋加劲，顶板U肋上口宽320mm，下口宽180mm，肋高300mm，U肋厚度为8mm，U肋基本间距600mm。

根据受力需要，底板在顺桥向采用了12mm、24mm、32mm三种不同的厚度。底板采用U肋、板肋加劲，底板U肋下口宽400mm，上口宽250mm，肋高260mm，U肋厚度为6mm，U肋基本间距800mm。

中腹板、外边腹板厚度为14mm。内边腹板墩梁固结梁段厚度为36mm，其余梁段均为30mm。作为锚箱直接的传力构件，为保证其具有足够的抗压屈能力，通长设置了四道板肋加劲。在拉索锚固点腹板箱室内侧增设局部竖向和水平加劲板，以增大腹板刚度。内边腹板是钢锚箱直接锚固的板件，受力较为不利。局部存在面外变形以及板厚方向的应力，因此内边腹板采用Z向性能钢板，性能级别为Z25。

横隔板采用实腹式。横隔板标准间距为3.0m。普通构造横隔板厚度为12mm、吊点位置横隔板厚度为14mm，横梁和主墩墩顶横隔板厚度为24mm。

横向联系横梁设置在两分离式钢箱之间，为箱形截面。横向联系横梁的腹板在纵桥向与钢箱梁横隔板相对应，顶底板与钢箱梁顶底板相接。标准段横向联系横梁顶板厚16mm，底板厚12mm，腹板厚12mm；端横梁及中墩处腹板厚均为24mm，顶底板分别为32和24mm。

为了提高桥面铺装的耐久性，钢箱梁铺装采用50mm超高韧性混凝土（STC）+改性环氧树脂粘结层+40mm沥青铺装层。STC层配置ϕ10＠37.5mm钢筋网片，钢箱梁顶板焊接规格为13×40mm的剪力钉，剪力钉纵横向间距为150mm。

4.2 桥塔

钢塔柱纵横向均呈“人”字形结构，桥面以上桥塔高48.6m。为了方便现场安装架设，钢桥塔沿塔高方向划分节段，节段长度3.9～11m，最大节段重量约35t。桥塔构造见图5。

图5 桥塔构造（单位：mm）

拉索区塔柱为单箱双室箱形截面，下塔柱为四肢单箱单室箱形截面。塔根部单肢箱形截面尺寸为2.5m×1.5m（顺桥向×横桥向），塔顶箱形截面尺寸为1.7m×1.0m（顺桥向×横桥向），中间截面尺寸按曲线和线性变化。

塔柱壁板厚度为28mm，横隔板的间距为2.2～3.25m，拉索区横隔板厚为20mm，非拉索区横隔板厚为16mm。

4.3 塔梁墩固接段

塔梁墩采用钢-混凝土结合段的方式固结。在钢-混凝土接头处，桥塔钢结构锚固于桥墩混凝土内，锚固段钢构件上布置剪力键以及圆孔，圆孔内穿钢筋形成PBL剪力键，保证混凝土与结合段的传力和整体性。为增加钢混结合段处的刚度和可靠性，钢塔柱底部设置精轧螺纹预应力钢筋，精轧螺纹钢筋穿过垫板对应的开孔，通过预紧力使钢塔柱与混凝土桥墩紧密连接成一体。

4.4 斜拉索

全桥共设置18对共36根斜拉索。斜拉索采用中央双索面扇形布置，梁上索距9m，塔上索距2.2～2.628m。斜拉索采用ϕ7mm环氧喷涂钢丝，斜拉索规格为PES.E7-127。钢丝标准强度为1770MPa。

斜拉索上锚点、下锚点均采用钢锚箱方式锚固，索梁锚固下锚点采用张拉端结构冷铸锚，索塔锚固上锚点采用固定端结构冷铸锚。

4.5 桥塔墩及过渡墩

桥塔墩为柱式墩，墩底为直径7m圆形实心截面，向上渐变为直径13m圆形实心截面。承台厚为4m，基础采用12根直径2.0m钻孔灌注桩。

交接墩采用T形花瓶墩，墩底截面尺寸为3m×1.5m，基础采用2根直径1.8m钻孔灌注桩基础。

5 施工方法

根据该桥施工条件和结构特点，主桥钢箱梁采用顶推法架设[8]，主塔结构采用分段安装工艺，主塔施工完后，再进行斜拉索挂设，斜拉索按照距离主塔由近到远依次逐根张拉。

6 结构计算

6.1计算模型

采用空间有限元程序MIDASCivil进行结构静力计算，桥塔采用梁单元模拟，钢箱梁采用梁格单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟，桥塔和主梁之间采用刚性连接。全桥有限元计算模型见图6。

图6 有限元模型

6.2 有限元分析结果

（1）在活载作用下，主梁的正、负挠度最大绝对值之和为120mm，挠跨比为1/750；塔顶纵向位移为12mm，位移与桥塔高的比值为1/4050。刚度均满足规范[9]要求。

（2）基本组合下钢箱梁纵梁最大拉应力为177MPa，最大压应力为218MPa，最大剪应力为120MPa；基本组合下钢箱梁的横隔板、横向联系梁最大拉应力为156MPa，最大压应力为191MPa，最大剪应力为82MPa；基本组合下桥塔最大压应力为175MPa，应力均满足规范[9]要求。

（3）斜拉索成桥阶段最大索力为2513kN，基本组合下最大应力为677MPa，疲劳应力幅为79MPa，受力性能满足规范[5]要求。

（4）对主桥进行第一类稳定分析，结果显示在永久作用、可变作用的作用下，主桥1阶失稳模态为桥塔横桥向屈曲，稳定安全系数为11.4，主桥整体稳定性满足规范要求[5]。

7 结语

墨水河大桥结合建桥条件，采用了主跨90m的独塔中央双索面钢斜拉桥，张力十足，轻盈优美，作为城市跨河桥梁，兼具景观标志作用。采用塔梁墩固结体系、STC铺装体系，克服了主桥结构整体稳定、宽幅主梁的扭转、钢桥面铺装耐久性等难题。该桥已于2020年开工，预计2022年建成通车。