紫坪铺水库特大桥主桥结构设计

刘伟 权新蕊 宋松科 杜桃明

以紫坪铺水库特大桥为背景，详细介绍了双塔单跨简支钢板组合梁外张空间缆悬索桥结构设计，可为同类型桥梁的设计提供参考。

悬索桥； 外张空间缆； 钢板组合梁； 柔性中央扣； 隧道锚； 断裂破碎带

U448.25 A

［定稿日期］2022-02-28

［作者简介］刘伟（1982—），男，硕士，高级工程师，从事桥梁设计工作。

1 工程概况

紫坪铺水库特大桥是G317线友谊隧道至映秀改建工程在映秀镇群益村跨越紫坪铺水库的控制性工程，桥梁位于阿坝州汶川县境内。

桥址区域属亚热带气候，多年平均气温l5 ℃、最高气温34 ℃、最低气温-5 ℃；最大风速17 m/s。桥位处库区水面宽度约500 m，水深约62 m。库区最低蓄水位高程为836.00 m，最高蓄水位高程为877.00 m。

桥址位于“5·12”汶川特大地震的震中区域，距离北川－映秀活动断裂和“5·12”汶川大地震震中不到6 km。桥梁处于龙门山前山断裂与主中央断裂所围限的断块内，区内地质构造复杂，地震活动较为频繁。

桥位区整体属于斜坡地貌。都江堰岸桥址区地质覆盖层主要为第四系全新统坡积粉质黏土，全新统坡积碎石土；下伏基岩为三叠系上统须家河组砂岩，局部夹薄层状煤层，岩体整体裂隙较不发育，岩体较完整，岩质较硬。映秀岸桥址区地质覆盖层主要为第四系全新统崩坡积块石土，第四系更新统冲洪积漂石土；下伏基岩为三叠系上统须家河组炭质

砂岩及石炭系灰岩。

2 主要技术标准

（1）公路等级：二级公路。

（2）设计速度：40 km/h。

（3）荷载等级：公路-Ⅰ级，人群荷载2.5 kN/m2。

（4）桥面宽度：14.0 m［2.0 m人行道+10.0 m（车行道）+2.0 m人行道］（不含索区及风嘴）。

（5）抗震等级：地震动峰值加速度0.2g，抗震设防烈度8度，抗震设防类别为A类，抗震设防措施等级为9级。

（6）通航等级：库区Ⅵ级（主桥一跨而过，不受通航影响）。

3 总体布置

结合桥位地形地质条件、库区水源保护及航道条件、映秀岸隧道锚与隧道空间关系、行车视觉景观、施工条件、全寿命周期成本等因素，主桥选用主跨485 m的双塔单跨简支钢板组合梁外张空间缆悬索桥。主缆矢跨比1∶10，两岸边缆跨度125 m。两岸引桥采用2×25 m预制简支T梁，桥梁全长589.53 m（图1）。

4 结构设计

4.1 结构支承体系

主塔处两侧设置纵向活动支座；主梁与主塔间两侧设置侧向抗风支座［1］；主梁端部与主塔间设纵向粘滞阻尼器［1］；主缆跨中设置中央短斜索（柔性中央扣［2］）形成缆梁固结，以适度控制加劲梁的纵向变位，同时可降低跨中短吊索的疲劳应力幅，提高桥梁的抗风、抗震性能。

4.2 缆索系统

4.2.1 主缆

桥梁止点接隧道，为使锚碇避开隧道，理论散索点需向外侧移动，使锚碇尽量远离隧道洞身；桥宽较窄（仅14 m），平行主缆布置使桥面犹如狭长巷道，行车压抑。基于上述分析，设计采用外张空间主缆方案，两岸边跨主缆横桥向按受力平衡沿切线方向延伸至锚碇。一方面可以避免主索鞍承受主纜散索点外移引起的横向水平力，另一方面使行车视觉开阔，景观效果好。

全桥设2根主缆，主缆矢跨比1∶10。主缆横桥向跨中间距16.26 m、主塔塔顶横向间距24.5 m，主缆外张角度约5°。主缆采用1 770 MPa高强镀锌钢丝预制平行索股，每根主缆由48根索股组成，每股索股由127丝镀锌高强钢丝组成，钢丝5.3 mm。主缆一般（索夹内）断面孔隙率按照20%（18%）设计，挤圆后463（457） mm。

4.2.2 吊索、扣索

吊索与索夹、加紧梁均为销铰式连接，吊索间距为9 m。由于桥宽窄，吊索受力小，每一吊点设置单吊索；全桥吊索共53对。吊索采用5.0 mm的预制平行钢丝束，标准抗拉强度为1 770 MPa，每根吊索121丝。

在横向风力作用下，主缆与加劲梁将产生横向位移差；在竖向荷载作用下，外张空间主缆与加劲梁将产生竖向位移差；这2种位移差均使吊索与加劲梁在横桥向产生转角，在吊索上、下端销轴处设置关节轴承［3］（图2），适应吊索横向转动。

由于采用外张主缆布置，在平面上，每个索夹的投影与桥轴线的夹角均不一致，因此吊索上、下锚头叉耳之间也存在相同的夹角，在加工吊索时需要注意。

为改善桥梁的抗风、抗震性能，每根主缆中跨跨中两侧附近各设置1根柔性人字形中央短斜索（扣索）来形成缆梁固结。扣索型号、锚头构造与吊索一致。

4.2.3 索鞍

桥塔为钢筋混凝土结构，主索鞍采用全铸式、肋传力结构［4］。为便于主缆索股架设时定位方便并增大主缆索股与鞍槽间的摩擦力，鞍槽内设竖向隔板，隔板厚5 mm。由于该桥规模小，鞍体重量轻（约34.2 t），因此未分块，采用整体制造。鞍体底部设置座板用作滑动摩擦副，接触面间涂耐磨减摩擦材料（降低摩擦系数）以利于索鞍顶推［5］。座板顶面中央设有纵向导向肋，保证鞍座顶推不发生偏转。顶推反力架采用预应力钢绞线与塔顶锚固，索鞍顶推到位后将鞍体用锁定板锁死，然后拆除钢绞线与反力架。

散索鞍为摆轴式结构，采用铸焊结合的形式，鞍身由厚80 mm的Q355R钢板作为纵横肋组焊成的箱型结构。摆轴式转动装置由上、下承力板和销组成，以适应施工过程中及运营后鞍座角度的调整。散索鞍鞍槽内设竖向隔板（作用与主索鞍中的相同），隔板厚度由边跨向锚跨侧逐渐变厚，并适应鞍槽的散索线形。索鞍结构见图3。

4.3 加劲梁

采用钢板组合梁作为加劲梁［6］，在钢板梁顶面设置剪力钉与预制混凝土桥面板结合而成，断面布置见图5。加劲梁全宽18.3 m（含风嘴），中心线处梁高2.183 m（含桥面板），顶面设2%的双向横坡，底面水平。

钢格子梁由两侧的边纵梁通过主横梁、次横梁及小纵梁连接而成。边纵梁采用工字形钢梁和风嘴组成的闭口截面；主横梁、次横梁及小纵梁均为工字型截面。吊索处对应设置主横梁，之间等间距设置2道次横梁，桥梁中轴线处设置一道小纵梁。钢梁采用Q355C，在工厂分段制造，运输至现场后再进行组装成标准节段；标准节段长18.0 m，2根吊索对应一个吊段，节段间顶底板采用焊接连接，腹板采用高强螺栓连接（图4）。

桥面板采用C55，厚度为22 cm，横向全宽14 m；横向分2块预制，采用C55微膨胀混凝土使预制桥面板与钢梁结合为整体。预制桥面板长6.17 m、宽2.52 m，边缘设置锯齿状剪力槽。

4.4 锚碇及锚固系统

两岸锚碇处地形较陡峭、地表覆盖层较薄，中风化基岩埋深较浅、承载力较高，岸坡稳定性较好，考虑到隧道锚岩体开挖量小、对周边生态环境破坏小、工程量小［7］，因此两岸均选用较为经济的隧道锚［8］。每根主缆单独设置锚碇，由连接段、前锚室、锚塞体3部分组成。锚锭一般构造见图5。

都江堰岸主缆边跨跨过老国道317，锚碇位于公路内侧边坡上，锚塞体嵌入中风化砂岩。

映秀岸锚碇进口段为灰岩裂隙密集带，下方为黄家院隧道；为避开该密集带，同时为保证结构安全，锚塞体布置尽量远离隧道，因此将锚塞体埋深加大布置在隧道下方两侧，锚塞体与隧道水平净距6.3 m，锚塞体嵌入中风化灰岩。

由于该桥主缆规模小，丝股数量少，前錨面所需断面尺寸较小，若采用后期可更换的锚固系统，则在锚塞体内需设置人行通道及后锚室，势必加大锚塞体断面尺寸，增加投资；同时，为避免管养单位养护、更换不及时给锚固系统带来安全隐患；因此主缆锚固系统采用后期不可更换的结构形式，不在锚塞体内设置人行通道及后锚室。由于这种锚固结构不具备更换和维护条件，必须具有全寿命内免维护的耐久性，因此设计采用较型钢锚固系统用钢量低的圆形高强钢拉杆作为锚固系统。圆形钢拉杆截面周长与截面面积比值小，可降低使用期内钢结构腐蚀对锚固抗拉强度的影响［9］；同时在圆形钢拉杆表面设置水溶性防锈油，并在孔道内灌注水泥浆，作为其防腐体系，从而实现与主体结构同寿命的设计要求。

4.5 桥塔

两岸桥塔均位于岸上。都江堰岸桥塔位于老国道317附近，运输条件较好，因此将桥塔适当远离库岸布置，为加劲梁提供拼装、起吊场地。两岸塔区地质条件相对简单，都江堰岸塔基覆盖层较浅，下伏基岩为砂岩，靠上部斜向分布一层断裂破碎带，为非全新世活动断裂，不存在地震引起地表错动的危害，对结构影响小；映秀岸塔基覆盖层较厚，分为2层，为全新统崩坡积块石土和更新统冲洪积漂石土，总厚度约42 m，下伏基岩依次为强风化砂岩、中风化砂岩。

桥塔塔柱竖直设置，采用钢筋混凝土框架结构，都江堰岸塔高90.55 m，映秀岸塔高94.05 m，基础设置为分离式承台接群桩基础。

桥塔塔柱竖直设置，采用钢筋混凝土框架结构（图6），混凝土强度等级为C50。两塔柱竖直布置，有利施工；都江堰岸塔高90.55 m，映秀岸塔高94.05 m。塔柱采用单箱单室箱型截面，为改善抗风性能，塔柱四周倒0.2 m圆角；上塔柱为等截面，横桥向宽3.5 m，纵桥向宽5 m；下塔柱为纵横向变截面，横桥向宽由3.5 m变化至4.389 m（都江堰岸）/4.5 m（映秀岸），纵桥向由5 m变化至6.333 m（都江堰岸）/6.5 m（映秀岸）；塔柱轴线保持为竖直，避免了对基础产生恒载水平力。上塔柱壁厚0.7 m，下塔柱壁厚0.9 m。上、下横梁均采用单箱单室箱型截面；上横梁尺寸4.4 m×4 m，壁厚0.6 m；下横梁尺寸4.4 m×4.5 m，壁厚0.7 m，对应支座位置设置横隔板或横肋。上、下横梁均按全预应力构件设计，预应力张拉端设置在横梁对应塔柱内壁处，避免截断塔柱主筋［10］。

基础采用分离式承台接群桩，每个承台设置6根2.5 m的钻孔灌注桩，桩基按嵌岩承桩设计。

5 主桥结构整体分析

5.1 主缆线形

在一期及二期恒载作用下，采用BNLAS非线性分析软件进行迭代计算，得到空间主缆成桥状态及空缆状态线形。成桥状态主缆跨中垂度48.5 m，空缆状态主缆跨中垂度43.893 m，两岸桥塔主索鞍预偏量0.556 m。

5.2 结构强度

整体计算采用Midas2019空间分析软件，结构强度验算采用基本组合（恒载+活载+温度+风荷载），结构重要性系数取1.1。主缆及吊索抗拉强度标准值为1 770 MPa，主缆材料分项系数1.85，强度设计值为956.8 MPa；吊索材料分项系数2.2，强度设计值为804.5 MPa；计算结果显示：主缆最大拉应力为835.4 MPa，吊索最大拉应力为658.9 MPa；显然，主缆及吊索强度满足要求。加劲梁钢梁采用Q355C，最大板厚40 mm，抗弯设计强度270 MPa，抗剪设计强度155 MPa；基本组合作用下，钢梁最大拉应力为224.4 MPa，最大压应力为211.2 MPa，最大剪应力为73.7 MPa；显然，加劲梁强度满足要求。

5.3 整体刚度

在活载作用下，加劲梁最大上拱值为0.572 m，最大下拱值为1.003 m，挠跨比为1∶308，满足规范小于1∶250的要求。在W2风荷载作用下，加劲梁横向最大位移为1.099 m，挠跨比为1∶441，满足规范小于1∶150的要求。

6 结束语

紫坪铺水库特大桥主缆采用外张空间缆，使止点隧道锚避让车行隧道和提升窄桥桥上行车视觉感受巧妙结合；都江堰岸运输条件较好，将该岸桥塔适当远离库岸布置，为加劲梁提供拼装、起吊场地；塔柱轴线保持竖直，方便施工，避免塔柱基础在恒载作用下产生水平推力，取消承台系梁；桥塔横梁预应力在塔柱内壁锚固，避免预应力张拉开槽截断塔柱主筋；加劲梁采用钢板组合梁，工厂集中制造、单件运输、现场组拼，解决了山区桥梁运输条件困难，适合于中小跨径悬索桥；加劲梁2根吊索对应一个吊段，加快施工进度，提高吊装过程安全性；采用免维护、免更换的高强钢拉杆锚固系统，实现与主体结构同寿命。

参考文献

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