徽水河大桥主桥设计方案分析

郝 翠， 曹新垒

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

1 工程概况

徽水河大桥是S11芜湖至黄山高速公路的控制性节点，建设条件较为复杂。桥梁跨越徽水河特有鱼类国家级水产资源保护区，要求一跨过河，且G205远期存在升级改造需求，徽水河大桥桥位处为山谷地形，桥台位置地形陡峭，横断面高程差别也较大，边跨现浇段不宜过长，以适应托架施工或其他施工方案。该桥主桥采用双索面低塔斜拉桥[1-3]，分幅布置。其中左幅跨径组合为(48+80+40)m，右幅跨径组合为(48+80+40)m+30m，其立面布置如图1所示。

图1 徽水河大桥主桥立面布置图

2 主要技术标准

(1) 道路等级：双向四车道高速公路。

(2) 设计速度：80 km/h。

(3) 荷载等级：公路-Ⅰ级。

(4) 通航条件：无通航要求。

(5) 地震动峰值加速度值0.05g，特征周期0.35 s，Ⅱ类场地。

3 主桥设计

3.1 结构体系

本桥为高墩，经比选，采用墩塔梁固接体系[4，5]。

3.2 主 梁

主梁采用双工字钢板组合梁[6，7]，单幅组合梁桥面宽12.25 m。钢主梁由钢主梁、拉索区横梁、一般横梁和端横梁组成，除端横梁外均采用Q345qD工字形直腹板断面。预制混凝土桥面板采用0.25 m的等厚板，与钢主梁采用剪力钉连接。

3.2.1 钢主梁

钢主梁间距11.75 m，标准高度为1.5 m，采用“工”字形断面，如图2所示，上翼缘宽度为500 mm，标准段板厚14 mm；腹板厚度为16～30 mm；底板宽度为800～1 200 mm，厚度为36～50 mm。

图2 标准横断面图

拉索区横梁与斜拉索的位置一一对应，纵桥向标准间距7.8 m，采用工字型断面，高1 000 m，上翼缘宽500 mm，下翼缘宽500 mm。

在拉索横梁之间设置一道普通横梁，纵桥向标准间距3.9 m。

在主梁端部设置端横梁，采用箱型断面，高1 500 m，上翼缘宽1 100 mm，厚度为14 mm；腹板厚度为16 mm；下翼缘宽1 100 mm，厚度为24 mm。在端横梁外设置C30铁砂混凝土压重。

3.2.2 桥面板

桥面板全宽12.25 m，板厚25 cm，支撑在由钢主梁及横梁组成的梁格体系上。桥面板设计为与上述梁格相结合的钢筋混凝土结合构件，混凝土桥面板与钢主梁通过布置于钢主梁及横梁顶面的φ22圆柱头剪力钉结合后共同受力。

桥面板分为预制和现浇两部分，现浇部分为预制板间现浇缝、钢主梁顶现浇带。预制板间现浇缝宽50 cm，钢主梁顶现浇带宽90 cm。

3.2.3 塔梁固接构造[8]

钢主梁连续穿过桥塔上横梁，并在钢主梁腹板、顶板下缘及底板上、下缘焊接剪力钉。为进一步改善塔梁固结处的受力情况，紧邻桥塔横梁外侧，在腹板两侧焊接竖向加劲钢板，加劲钢板上焊接剪力钉且延纵桥向布设预应力高强精轧螺纹粗钢筋。桥面板与混凝土塔横梁间设置倒角，刚度平顺过渡。

3.3 桥塔及基础

桥塔采用H形外倾桥塔[9]，截面为矩形断面，单肢桥塔纵桥向尺寸为3.0 m，横桥向尺寸为1.5 m。

下塔柱间距为9 m，上塔柱外倾坡度为1∶6，中间通过圆曲线过渡。塔柱间设置两道弧线形横梁，下横梁最小高度为2.5 m，宽度为2 m。塔梁固结处上横梁最小高度为2.1 m，宽度与桥塔保持一致为3 m横向预应力。塔上斜拉索理论竖向间距1.0 m，横向单排布置。单肢桥塔下设一根矩形桩基，纵桥向尺寸为3.5 m，横桥向尺寸为2.0 m。桩顶设置系梁，高为1.8 m。

3.4 斜拉索及锚固构造

斜拉索采用环氧喷涂钢绞线，可单根穿束、单根张拉、单根测试检测，并可以单根钢绞线调索和换束。

1#桥塔设置5对斜拉索，2#桥塔设置4对斜拉索，横向单排布置，梁上索距8.0 m，塔上索距1.0 m，拉索分别采用19、22、27根钢绞线组成。斜拉索与主梁采用钢锚箱锚固，桥塔上拉索采用鞍座锚固形式，如图3所示。

3.5 施工方案

桥塔桩基采用人工挖孔桩。

桥塔墩身施工采用塔吊提升模板分节段施工，混凝土采用人工配合塔吊料斗入模。桥塔下塔柱直线段、上塔柱斜线段采用翻模分节浇筑，桥塔曲线段采用定型钢模分节浇筑。下横梁采用塔柱预埋牛腿并搭设贝雷梁支架现浇，模板采用定型钢模；桥塔上横梁采用塔柱预埋牛腿、下横梁上设置钢立柱并搭设贝雷梁支架现浇，模板采用定型钢模板。桥塔横梁与塔柱同步施工，施工人员利用专用安全爬梯上下。

为精确定位桥塔钢筋位置，钢筋绑扎时安装劲性骨架。因本桥桥塔向外倾斜，高度较高、倾斜角度大，施工曲线段及上塔柱斜线段时，塔柱模板设置防倾拉杆，以提高施工中结构的稳定性及刚度。

主桥钢梁采取“节段拼焊→节段或散件吊装→线形监测→焊接连接焊缝→线形复测→涂装”的方式进行安装施工。桥塔位置分别安装塔吊。钢主梁先进行0号节段的安装，墩塔梁固结范围内的钢主梁与桥塔整体现浇；浇筑后，以0号节段为准往中跨、边跨侧对称安装其他节段，直至合拢；对于散件安装的节段，先安装桥梁内侧主梁，再安装桥梁外侧的主梁，最后安装横梁。0号、1号节段在桥址地面拼焊成整体，安装到桥上后，安装桥面板形成基础联，其余整体吊装的节段在基础联上拼焊。

钢主梁架设完成后，斜拉索安装，桥面板落后一个节段安装。桥面板安装、湿接缝浇注后的节段进行斜拉索2张。通过既定的施工顺序交替作业。

4 结构计算

4.1 静力计算

4.1.1 有限元模型

结构计算采用通用有限元程序MIDAS Civil建立了结构的整体计算杆系模型，如图4所示，共建立了1 226个节点、1 216个单元，其中包含564个梁单元、616个板单元以及36个桁架单元。斜拉索采用桁架单元模拟，混凝土桥面板采用板单元模拟，其余结构均采用梁单元进行模拟。

图4 整体计算模型示意图

在对结构进行有限元离散时，结构主体均按实际尺寸计入，加劲肋、焊缝等构造按荷载作用考虑。混凝土桥面板通过节点间建立的刚性连接与钢主梁、钢横梁形成组合截面，共同受力。施工过程共划分为38个施工阶段。

4.1.2 计算荷载

恒载主要考虑一期恒载和二期恒载。二期恒载包括桥面铺装、防撞钢护栏等，以外荷载的形式施加。

钢主梁拟按桥面吊机悬臂拼装方法施工，混凝土桥面板采用现浇方法施工。施工临时荷载按每个桥面吊机的重量19 t考虑。

温度作用考虑整体升降温及梯度升降温，温度模式按规范取值，桥塔分别考虑纵桥向与横桥向的梯度温度，梯度升温为5 ℃，梯度降温为-5 ℃。

汽车荷载计入3车道的车道荷载作用，考虑横向车道布载系数及冲击系数的影响。

横桥向等效静阵风荷载根据《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T 3360-01—2018)的有关规定计算，并以均布荷载形式施加，其中，主梁的横桥向等效静阵风荷载集度取为6.12 kN/m，桥塔的横桥向等效静阵风荷载集度取为10.51 kN/m。

4.1.3 主要静力计算结论

经计算，短暂状况下：混凝土桥面板最大拉应力为1.84 MPa，最大压应力为5.74 MPa；钢主梁最大拉应力为46.5 MPa，最大压应力为67.1 MPa，应力指标满足规范。

持久状况：承载能力极限状态桥面板最大正弯矩Mj=111.11 kN·m<截面抗力MR=176 kN·m；钢主梁上缘的最大拉应力为122.6 MPa、最大压应力为179.2 MPa，下缘的最大拉应力为174.7MPa、最大压应力为212.7 MPa，受力指标满足规范。

持久状况：正常使用极限状态频遇组合下，桥面板最大负弯矩为-63.10kN·m。频遇组合下混凝土桥塔的最大拉应力为6.2 MPa，最大压应力为11.7 MPa，其最大拉应力发生在塔柱与上横梁的结合处。斜拉索最大应力值为637.81 MPa，车道荷载作用下，主梁最大下挠值为0.090 m。以上各力学及刚度指标均在规范容许范围内。

4.2 动力特性分析

结构动力计算采用SAP2000进行空间有限元分析。采用空间梁单元模拟，混凝土桥面板采用面单元模拟。桥塔、桥墩、系梁、盖梁采用空间梁柱单元进行模拟，拉索采用桁架单元，桥塔和过渡墩均为桩基础，采用弹性土弹簧考虑基础柔度的影响，桥台与过渡墩的支座均采用主从约束模拟。

采用里兹向量法进行模态分析，得到主桥前6阶自振周期见表1。

表1 主桥前6阶自振周期(单位：s)

左右两幅主桥一阶振型均为纵移+竖向弯曲，左幅主桥一阶周期为2.67 s，右幅为2.74 s；二阶振型均为主梁横向弯曲。左幅主桥第三阶后主要振型为竖向弯曲，而右幅主桥多表现为横向扭转。

4.3 抗震计算

对应E1、E2地震作用，考虑纵向+竖向输入和横向+竖向输入两种作用工况，分别采用反应谱法和加速度时程法分析结构地震响应。进行反应谱分析时，振型组合按CQC进行组合；地震输入采用水平+竖向反应谱输入，方向组合采用SRSS方法；进行加速度时程分析时，分别输入三条加速度时程，采用线性模态法，计算结果分别得到取三条时程波地震响应以及三条时程波的最大值。

结构抗震验算按两水平设防，因而，验算中采用的相应的材料强度均为规范中相应的标准值，不再考虑抗震的抗力提高系数。纵向地震检算以时程结果为准，横向地震检算以反应谱和时程结果中的大值为准。

经计算：

(1) 在E1和E2地震作用下，左、右两幅桥桥塔纵向最大弯矩出现在塔底截面，横向最大弯矩出现在桥塔第二系梁处的下塔柱顶截面。右幅的过渡墩纵、横向最大动弯矩均出现在墩底截面。

(2) 对于结构位移响应，左右幅主梁和小桩号支座纵向位移相近，E1地震作用时为3 cm，E2作用下为5 cm。

(3) E1和E2地震作用下，左右幅桥桥塔和过渡墩均通过截面抗弯承载力验算，截面未进入塑性，横向地震作用下截面的能力需求比与纵向相比较小。

4.4 动力稳定性分析[10]

考虑本桥结构特点，总体几何布局对稳定性存在一定不利的影响。同时，由于地震条件下结构动力稳定问题的复杂性以及本项目设防地震作用的强度，开展第一类动力稳定性分析。

动力稳定性分析中考虑恒载初始应力状态对结构稳定性的影响，以E2横向地震输入下的地震力作为动力稳定加载的荷载形态。考虑到地震在结构中的轴力作用存在正负交替，致使动力稳定系数随地震作用时程不断变化，分析时偏于安全地将所有构件的轴力按压力考虑。

经计算：动力稳定分析中，左右幅主桥的稳定安全系数均较大，左幅第一阶稳定系数为74，右幅引桥稳定系数23，主桥稳定系数为56，在地震作用下不易失稳。

5 结束语

随着国家推行绿色公路，发展“四个交通”的政策要求，桥梁工业化，即结构标准化、工厂化预制和机械化施工等被提上了日程。由于山区桥梁所处地理位置及地形、地貌的影响，其工业化往往还要求结构的轻型化，以便于运输及安装作业。钢-混凝土组合梁+预制桥面板的结构因其受理合理、钢主梁自重较轻、工厂化程度高等特点，越来越多地被工程实际采用。对于桥梁跨径较大，或周围环境对结构本身景观性要求较高时，本桥桥型不失一个好的选择。