东吾洋特大桥矮塔斜拉桥设计

2022-07-28■俞冠

福建交通科技 2022年3期

■俞冠

（福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004）

1 工程概况

东吾洋特大桥位于宁德市霞浦县溪南镇东吾洋海域，起于东冲半岛，跨越东吾洋海域后于东安岛登陆。通航孔桥采用跨径（100+2×180+100）m 的矮塔斜拉桥，深水区非通航孔桥采用90 m 钢混组合梁，浅滩区非通航孔桥采用50 m 预应力混凝土箱梁，通航孔桥全长560 m，桥梁全长2550 m，矮塔斜拉桥桥型布置如图1 所示[1]。

图1 桥型布置示意图

东吾洋特大桥是国高网宁德至上饶高速公路的控制性工程。本项目建设对完善福建省境内国家高速公路网，建设宁德环三都澳港区集疏运体系，加快滨海旅游资源开发，改善行车条件、落实国家精准扶贫战略，促进原闽东苏区社会经济发展，提高国防交通综合保障能力等具有重要意义[1]。

2 结构设计

2.1 主梁

主桥为整体式断面，桥面宽28.1 m。桥面宽度构成为：0.5 m 防撞栏杆+11.75 m 车行道+0.5 m 防撞栏杆+2.6 m 中央分隔带+0.5 m 防撞栏杆+11.75 m 车行道+0.5 m 防撞栏杆=28.1 m，桥塔和斜拉索设置在中央分隔带内。标准横断面如图2 所示。

图2 主梁断面

主梁为单箱三室预应力混凝土连续箱梁。梁高由3.0 m 按二次抛物线渐变至5.8 m。箱梁划分为0～27 号梁段，其中0 号梁段长12 m，1～2 号梁段长3.0 m，3～24 号梁段长3.5 m，25 号合龙段长2.0 m，26～27 号边跨现浇梁段长8.76 m。变高曲线段单侧长84 m，等高直线段单侧长10.76 m，跨中等高直线段长2.0 m。箱梁顶宽28.1 m，悬臂单侧长4.9 m，跨中箱梁底宽17.327 m，根部箱梁底宽15.928 m。箱梁顶板厚28 cm，其中中室顶板加厚为60 cm，底板厚度在箱梁根部为110 cm，渐变至跨中、边跨等高度梁段处为32 cm。对于外侧斜腹板，在0～6 号梁段处厚度为100 cm，在7 号梁段处腹板厚度由100 cm 渐变至80 cm，在8～14 号梁段处厚度为80 cm，在15 号梁段处腹板厚度由80 cm 渐变至60 cm，在16～26 号梁段处厚度为60 cm，在27 号梁段处腹板厚度由60 cm 渐变至80 cm。对于内侧直腹板，在1～14 号梁段处厚度为60 cm，在15 号梁段处腹板厚度由60 cm 渐变至40 cm，在16～26 号梁段处厚度为40 cm，在27 号梁段处腹板厚度由40 cm 渐变至60 cm。 0 号梁段处中室为实心段。

悬臂施工最大节段重量约405 t，斜拉索在主梁上间距7 m，锚固在箱梁中室内，相应位置设置1道横隔板，边、中室横隔板厚分别为40 cm、65 cm。

2.2 主塔

塔设计为“鱼”造型，体现了宁德“大黄鱼之乡”的城市文化。塔为3 座，每座桥塔造型尺寸相同，每座桥塔表面包含凹凸的造型设计，衬托出鱼的主要轮廓，体现鱼跃出水面的动感姿态，整体呈流线型，展现出了现代桥梁的结构美。

主塔构造如图3 所示，为钢筋混凝土结构，桥塔主体高33.5 m，与主梁固结，采用矩形实心变截面，布置在中央分隔带上。相较于等截面桥塔，采用“鱼”造型的变截面，桥塔承载能力得到了提高。塔身上部设置可换索式鞍座，以便拉索通过。斜拉索横桥向呈2 排布置，鞍座亦对应设置2 排。

图3 桥塔构造

2.3 斜拉索

斜拉索采用单索面、扇形、双排布置在中央分隔带上，每个塔上设有9 对18 根斜拉索，全桥共54根。边跨无索区长18.5 m，塔根单侧无索区长25.5 m，中跨无索区长17.0 m。斜拉索梁上纵向索距7.0 m，塔上横向索距1.0 m，塔上竖向索距1.2 m。斜拉索在塔顶连续通过分丝管，两侧对称锚于梁体。斜拉索采用61φs15.2 mm 钢绞线斜拉索体系及其配套锚固张拉系统。

斜拉索在塔上的锚固方式采用钢绞线斜拉索在塔上通过集束钢管贯通（索鞍）锚固方式[2]。主要构造是采用焊接集束分丝钢管（整体埋置在塔柱混凝土中），将每束钢绞线与分丝钢管一一对应穿过索塔。钢绞线在分丝管索鞍端部设置抗滑装置，以阻止钢绞线在不平衡索力作用下的滑移趋势。

2.4 分丝管索鞍

采用分丝技术索鞍，索鞍中的导向钢管由小钢管组焊而成，即拉索中每一根钢绞线穿过相应的导向钢管，形成分离布置，互不干涉。所有钢管均按设计在工厂制作成型。索鞍应能承受拉索的径向压力及桥塔两侧索体的不平衡力，并能安全地将拉索的转向合力传递给索塔结构。

斜拉索在塔上采用单侧双向抗滑锚固装置，能有效克服桥梁运营期间拉索两侧的不平衡力，且可方便实现单根换索。

3 结构分析

3.1 结构分析模型

全桥采用空间杆系计算分析程序Midas 进行结构分析，全桥主梁、桥塔、桥墩离散为梁单元，斜拉索采用桁架单元模拟。结构离散图如图4 所示。桥梁施工方式采用挂篮悬臂现浇，按挂篮悬臂浇注混凝土、张拉预应力钢束、张拉斜拉索、挂篮前移、边跨现浇段支架现浇、对称合龙边跨、合龙中跨、二期恒载、通车运营等施工流程划分计算阶段，对结构在施工阶段及运营阶段均进行了验算。

图4 结构离散图

3.2 结构刚度

本桥上部箱梁采用C60 砼，挠度长期增长系数ηθ=1.4。跨中主梁竖向挠度为：ηθfmax=71.8 mm＜L/600=300.0 mm，满足设计规定的刚度要求。边跨主梁竖向挠度为：ηθfmax=28.1 mm ＜L/600=166.7 mm，满足设计规定的刚度要求。主梁活载最大下挠度示意如图5 所示。

图5 主梁活载最大下挠度示意

3.3 主梁应力

3.3.1 持久状况正常使用极限状态箱梁正截面抗裂验算

由图6、图7 结果可知，在频遇组合下混凝土箱梁上下缘（考虑预应力折减后）均未出现拉应力，箱梁满足规范正截面抗裂要求。

图6 频遇组合下主梁上缘应力

图7 频遇组合下主梁下缘应力

3.3.2 持久状况正常使用极限状态箱梁斜截面抗裂验算

由图8 结果可知，在不考虑竖向预应力筋的情况下，混凝土箱梁斜截面的最大主拉应力为1.00 MPa，满足规范σtp≤0.4ftk=1.14 MPa 的应力限值的要求。

图8 频遇组合下主梁主拉应力

3.3.3 持久状况正常使用极限状态箱梁正截面最大压应力验算

由图9、图10 可知，混凝土箱梁正截面受压区混凝土的最大压应力为18.34 MPa，满足规范σkc+σpt≤0.5fck=19.25 MPa的应力限值的要求。

图9 标准组合下主梁上缘正应力

图10 标准组合下主梁下缘正应力

3.3.4 持久状况正常使用极限状态箱梁斜截面主压应力验算

由图11 结果可知，混凝土箱梁斜截面最大主压应力为18.64 MPa，满足规范σcp≤0.6fck=23.1 MPa 的应力限值的要求。

图11 标准组合下主梁主压应力

由持久状况正常使用极限状态箱梁正截面抗裂、最大压应力及斜截面主压应力验算结果中可知，与南盘江及大连长山矮塔斜拉桥计算分析结果相似，位于索塔附近的主梁应力相对较大，可能成为设计的控制因素，应予以重视[2]。

3.3.5 施工阶段短暂状况应力验算

由图12～15 可知，混凝土箱梁的施工阶段短暂状况出现最大拉应力为0.86 MPa，最大压应力为16.28 MPa，均满足规范σtct≤1.15ftk′=3.28 MPa、σtcc≤0.7fck′=26.95 MPa 的应力限值的要求。

图12 施工阶段主梁上缘最大拉应力

图13 施工阶段主梁下缘最大拉应力

图14 施工阶段主梁上缘最大压应力

图15 施工阶段主梁下缘最大压应力

通过对施工阶段应力分析可知，结果满足规范要求。本文矮塔斜拉桥采用挂篮悬臂现浇的施工方式，节段分为2 种长度，即分为3.5 m 或3 m，主梁梁段序号从0～27 号。本桥梁段多、工序繁杂，需要重视施工阶段的应力分析，通过控制好施工应力来达到良好的成桥状态。

3.4 桥塔计算分析

本桥索塔各个截面上、下缘在施工阶段均受压，索塔下部截面在运营阶段由于不平衡力作用下，出现了一定的拉应力[3]。对索塔按钢筋混凝土构件进行配筋，分别对3 个索塔的底部截面、变化截面及各个拉索位置截面进行了验算。经验算，配筋率、截面承载能力、裂缝等计算结果均满足规范要求，安全系数均大于1.9。受篇幅所限，仅列出1 号塔距塔底2.5 m 变截面处的验算结果：γ0Nd=109648.7 kN，Nud=216986.5 kN，满足规范要求，安全系数1.98；γ0Nd·e′=130058.0 kN·m，Mud′=1205850.0 kN·m，满足规范要求，安全系数9.27；e0/h=0.207≤0.55，可不进行裂缝宽度验算。

3.5 斜拉索应力分析

根据规范要求提取模型结果信息，基本组合下斜拉索最大应力为1064.8 MPa，小于规范规定的允许值1890 MPa，安全系数均大于1.7，满足规范要求。活载作用下斜拉索疲劳应力幅值最大为10.21 MPa，小于80 MPa，满足规范要求。

相较于一般斜拉桥（疲劳应力幅范围为43～108 MPa），矮塔斜拉桥的疲劳应力幅较小，一般小于50 MPa[4]。根据规范可知，矮塔斜拉桥拉索的容许应力大于一般斜拉桥，拉索的利用率得到了提高。拉索的疲劳应力幅与容许应力值是矮塔斜拉桥与一般斜拉桥的重要区别点[5]。这也是在相同跨径下，与一般斜拉桥相比矮塔斜拉桥桥型的优势之一。