永定河特大桥总体设计及关键技术问题处理对策

赵维贺

北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082

引言

随着社会经济发展，我国城市建设管理水平日益提升，人们对城市建设景观要求越来越高，永定河特大桥确定实施方案为寓意“和力之门”的斜拉刚构组合体系，钢梁、钢塔斜拉桥。本方案外观简洁大方，与周边环境协调融洽。但由于道路线位与河道形成57°斜交角，8 车道宽桥面功能需求，给本工程带来许多结构难题：处理斜宽桥、曲面钢塔的局部稳定、主梁超大高厚比腹板稳定、大尺度横断面钢塔与混凝土基础的锚固连接、异形扭曲变截面钢塔节段之间连接、扭曲钢塔施工架设等一系列的问题。本文着重介绍了永定河大桥的总体设计，并对一系列关键技术问题，提出合理可行的处理方法。

1 工程概况

永定河特大桥为北京市长安街西延道路工程（古城大街-三石路）跨越永定河的一座特大型桥梁。桥位处规划河道断面宽455m，常水位水面宽270m。综合考虑桥位处河床演变、工程地质、地形等特定的建设条件，永定河大桥主桥采用北半桥跨径组合为（50 ＋133 ＋280 ＋120 ＋56）m，南半桥跨径组合为（50 ＋158.1 ＋280 ＋94.9 ＋56）

m的斜拉桥，主桥全长639m，桥梁中心线与永定河河道中线夹角为57.36°，主桥采用双塔斜拉-刚构组合体系桥型方案，如图1 所示。道路功能定位为城市主干路，桥面布置双向8 车道，设计行车速度60km／h，两侧分别设置3.5m宽非机动车道，2.5m 宽人行道，桥梁宽度47 ～54.7m渐变，主跨跨中标准断面如图2 所示。汽车荷载等级为城A。地震基本烈度为8 度，设计基本地震动峰值加速度0.2g，抗震设防措施等级9 级。桥梁设计防洪标准为300 年一遇。

图1 永定河特大桥（单位： m）Fig.1 Yongding River Bridge（unit：m）

图2 主跨跨中标准断面（单位： m）Fig.2 Main span mid-span standard section（unit：m）

2 结构设计

2.1 结构体系

本桥为斜拉刚构组合体系［1］，高塔与梁、墩固结，矮塔与梁固结，梁底设置单向活动支座，各辅助墩及分联墩均设置单向活动支座。

2.2 索塔设计

主桥桥塔采用全钢结构倾斜拱形塔，两塔肢的塔柱中心线在塔底与基座连接处的顺桥向间距均为25.1m，形成同一塔柱的两塔肢非一致倾斜。高塔在桥面以上垂直塔高约为112.195m，整塔倾斜角度约为66°，单侧塔柱倾斜角度北侧约为61.251°，南侧约为71.127°（图3）；矮塔在桥面以上垂直高度约为65.915m，整塔倾斜角度约为66°，单侧塔柱倾斜角度北侧约为58.443°，南侧约为74.554°（图4）。塔柱根部设有拱形门洞供行人及非机动车通过。由于景观需求，在塔柱迎车面翼缘板部分设凹槽。

图3 高塔外形示意（单位： m）Fig.3 Outline diagram of the tallest bridge towe（unit：m）

图4 矮塔外形示意（单位： m）Fig.4 Outline of the shortest bridge tower（unit：m）

2.3 主梁设计

永定河特大桥主桥共5 孔，均为焊接钢梁，主结构由南北两根主纵梁和大横梁（含正交异性桥面系）构成［2］。主纵梁中孔钢梁跨中高3.3m（图2），支点高约10m。中孔跨中设置合龙段梁长3m，梁底面纵向按照圆弧曲线过渡到高塔和矮塔根部，与高塔承压板和矮塔底板衔接。中孔主纵梁钢箱由跨中单箱四室变化至塔根部单箱五室。主纵梁边孔和辅助孔梁高为3m，顶、底板平行；主纵梁边孔和辅助孔均为单箱四室。腹板厚度变化范围40mm ～16mm。主纵梁钢箱内每隔3m设置一道横隔板，横隔板与大横梁一一对应。隔板间设置一道T形腹板竖肋。辅助孔主梁为辅助墩至分联墩范围，全宽47m，梁高3m，外侧钢箱与边跨一致，腹板厚度变化范围25mm ～16mm。采用整体钢箱断面，每隔6m 设置一道14mm厚实腹式横隔板，每两道实腹式横隔板之间设置一道14mm厚空腹式横隔板。中孔和边孔主纵梁之间设置大横梁，大横梁跨径25.20m，顺桥向间距3m，大横梁两端高3m，跨中高2.2m，下缘按圆曲线变化。大横梁间设置三道通长小纵梁，小纵梁梁高1.75m。

2.4 拉索设计

斜拉索采用高强镀锌平行钢丝索，抗拉强度标准值为1860MPa。拉索采用扇形布置，主梁上拉索间距5m ～11m，索塔上拉索间距3.4m ～7.4m，全桥拉索合计112 根，根据不同索力分别选用两种型号139ϕ7、151ϕ7［3］。

2.5 辅助墩及分联墩

墩柱截面为正方形，由墩底向墩顶线性变化，截面宽度3.2m ～1.9m。承台尺寸为7.30m×7.30m × 2.65m，每个承台下设置四根桩径1.80m的钻孔灌注桩。

2.6 伸缩缝及支座

高塔侧分联墩采用320 型减噪伸缩缝，矮塔侧分联墩采用560 型减噪伸缩缝。全桥支座均采用承载力和耐久性较好的球型钢支座，除高塔为塔梁墩固结外，其余墩柱均设置单向活动支座。分联处设900t单向活动抗震型球型钢支座，每轴4 个；辅助墩采用1200t 单向活动抗震型球型钢支座，每轴3 个；矮塔竖向支座为单向活动球型钢支座，竖向承载力7500t，每个塔柱底设2 个，全桥共4 个。

3 主要结构分析

3.1 静力分析

采用MIDAS Civil 对桥梁成桥状态及施工过程进行分析［4-6］，图5 为大桥空间有限元模型图。计算表明，在最不利荷载工况标准组合下，主梁最大压应力和最大拉应力均满足《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）要求。活载作用下主梁跨中的最大上拱度为4.6cm，最大挠度为15cm，变化幅度为19.6cm，小于《公路斜拉桥设计细则》（JTG D65-01—2007）规定的主梁跨径的1／400 即70cm；过渡墩在活载作用下不产生拉力，拉索的索力分布较为均匀，应力幅满足平行钢丝斜拉索性能要求。

图5 大桥空间有限元模型Fig.5 Finite element model

3.2 动力分析

采用空间有限元进行结构自振特性、抗风、抗震分析［7］，结构体系自振特性一阶频率为0.55Hz，对应模态为主梁中跨对称竖弯，第二、第三阶分别为0.76Hz 和0.84Hz，对应模态分布为主梁全桥反对称竖弯和高塔横弯。根据抗风性能分析，永定河大桥具有较好的颤振稳定性和静风稳定性［8］，塔柱施工状态主梁可满足抗风要求，成桥状态具有足够的抗风安全性。通过采用100 年5%和100 年2%两水准设防反应谱分析，取前100 阶振型按CQC方法进行组合，计算结果表明永定河大桥抗震性能良好。表1 为前10 阶模态的周期和频率。

表1 结构动力特性频率、振型列表Tab.1 Frequency and mode list of structural dynamic characteristics

4.3 钢塔锚固处地震作用核算

高塔基座采用C40 混凝土，锚固螺栓为40CrNiMoA级高强钢棒，定义箍筋以内范围混凝土为C40 约束混凝土，箍筋以外范围为C40 非约束混凝土，主受力钢筋为85根70mm直径的高强钢棒，断面情况按实际位置模拟。分别计算在竖向轴力1万吨、1.7万吨下各向弯矩包络图如图6所示。（JTG D64—2015）平面加劲板局部稳定容许应力折减进行双折减规定（稳定折减系数为1），则塔顶局部稳定折减系数为0.85 ×1 ＝0.85 进行承载力控制核算。

图6 高塔基座弯矩包络图（单位： kN·m）Fig.6 Bending moment envelope diagram of tower base（unit：kN·m）

4 关键技术问题及处理对策

4.1 曲面加劲板的局部稳定研究

本工程钢桥塔为三维空间扭转塔柱，为压弯扭剪三维复合受力构件，各主要受力板件均为三维曲面带肋板。《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）中有关局部稳定的条文规定仍是基于传统的平板弹性屈曲理论进行分析的结果，无法适用于本桥所采用的三维曲面带肋板。本工程通过实验研究，进行6 组试件实验对数值模拟分析进行回归修正，再通过数值分析不同曲率对曲板的承载力影响程度，进而得出相同板厚及加劲设置的曲板与平板的极限承载力相关折减系数［9］。并进行回归拟合得出不同曲率k 与局部稳定折减系数ρ的相关曲线，如图7 所示。本工程桥塔顶部弯曲程度最大位置的加劲板稳定折减系数为0.85，结合《公路钢结构桥梁设计规范》

图7 局部稳定折减系数ρ 与曲率kFig.7 Local stability reduction factor ρ and curvature k

4.2 钢索塔与基座之间的连接方式

钢塔与基础连接部的主要作用是将钢塔柱承受的巨大轴向压力顺畅地传递到混凝土基础，另外由于钢桥塔承受纵桥向的不对称活载作用，以及横桥向的风荷载及与地震作用，导致塔-基连接部还可能承受很大的水平力和弯矩。实际工程中钢桥塔与混凝土基础之间的连接，有埋入式连接与螺栓锚固式连接两种方式。鉴于永定河大桥塔柱壁板厚度达到52mm，且壁板四周应力明显不均，塔柱锚固平面尺寸达到14.85m×16m。若采用埋入式连接，其埋入深度过大，剪力钉群、及开孔板剪力键受力极不均匀，通过剪力键及混凝土受剪传力，易造成混凝土内部受拉，基座受力不利。另外焊接剪力钉，钢板开孔穿入钢筋等工艺使施工难度及繁琐程度陡增。螺栓锚固式连接，承压板与基座顶面传递压力，锚固螺栓锚固承担弯矩，传力路径明确，构造简单、施工方便。通过比选决定选用螺栓锚固方案，承压板厚150mm，锚固螺栓采用高强合金结构钢40CrNimoA，直径70mm，屈服强度835MPa，极限强度980MPa，每个塔肢设置75 根锚固螺栓［10］。采用无粘结预应力锚固方式，每个螺栓预拉力为1300kN，保证E2 地震作用工况下，钢塔底承压板与基座不脱空。承压板与基座之间预留50mm间隙进行后压浆，要求承压板与压浆层的接触率不小于85%。

4.3 钢索塔安装方式

根据“拱形”钢索塔的特点，可采用“竖转施工”和“节段吊装”两种方法安装。整体竖转施工方式，需要在钢箱梁桥面现场焊接、拼装钢索塔，制造完成顶推到位后，再实施竖向转体施工工艺，将平躺在桥面上的主塔“竖起”，即采用“先梁后塔”顺序施工。“竖转施工”对临时支架搭设要求较高，支架规模较为庞大，费用较高，对河道的影响也较大；在转体施工期间，需长期占用永定河河道；在复杂的环境中实施竖向转体，施工控制难度较高，风险也较大，综合考虑后不推荐采用。采用“支架上节段吊装”方案，可借用大型塔吊或龙门吊吊装，施工方便，操作灵活，风险基本可控。鉴于塔柱安装精度较高，可加强塔柱安装阶段的安装线形控制，建立塔柱安装误差累积监测预报及修正系统。节段制造需修正不同时期安装温度差异以及索塔自重下压缩变形的影响，通过节段焊缝间隙及角度修正等手段及时调整安装误差。能够使本工程异形扭曲钢塔架设精度得到保障。

5 结语

永定河大桥采用空间索面拱形索塔斜拉刚构形式，空间线形、体量比例和谐，较好解决了“超宽桥面”与“斜度大”之间的矛盾。通过合理的体系设计解决了超宽桥面、斜度大的斜拉桥可行性、安全性问题。通过实验研究与数值分析比对，公式回归拟合，得出曲板局部稳定与同规格平板局部稳定折减系数关系，切实指导设计工作，使曲面板稳定设计超越规范规定范畴问题得以有效解决。通过工程案例调研分析，结合国内工程钢结构制造、施工水平，结合实体注浆实验研究，提出超大断面钢塔合理简单的锚固方式，提出合理的注浆接触率要求，解决了采用平面尺寸超过200m2的承压板锚固的难题。通过方案比较，提出采用扭曲钢塔支架架设的合理工法，具有施工方便、操作灵活，风险可控等诸多优势，保证本工程顺利实施。本工程诸多技术难题得以攻克解决，为城市景观性钢结构桥梁设计积累了宝贵的经验。