遵义湘江大桥主跨560m公路组合梁斜拉桥设计

胡建明

中铁二院工程集团有限责任公司 四川 成都 610031

1 工程概述

遵义至余庆高速公路是《贵州省交通运输“十三五”发展规划》重点实施项目，连接黔中经济区遵义和凯里两个中心城市，线路全长93.858km，遵余湘江大桥跨越湘江峡谷，是本项目最重要的控制性工程。

桥区两岸峰丛密集、深窄陡峻，峡谷呈“W”形，两深谷谷底高差约为123m，湘江位于较深“V”谷内，两“V”谷之间的山峰是设置索塔的理想位置。大桥桥面最大高度约为307m，遵义侧较浅“V”谷不具备搭设支架的条件，综合考虑地形地貌、技术经济及景观协调，主桥采用（72+212+560+212+72）m双塔组合梁斜拉桥[1]，主跨560m跨越较深“V”谷，遵义侧边跨越较浅“V”谷，采用对称的悬臂施工方案。主桥桥型布置见图1。

图1 主桥桥型布置（单位：m）

图2 钢桁架梁斜拉桥与钢-混组合梁斜拉桥

2 主要技术标准

（1）道路等级与行车道数：双向四车道高速公路。

（2）设计荷载与设计速度：公路-Ⅰ级、80km/h。

（3）工程区地震基本烈度为6度，场址地震基岩水平加速度峰值分别为：52.2gal（50Y10%，重现期475年），101.4gal（50Y2%，重现期2475年）。

（4）基本风速： 24.9 m/s（贵州省遵义市1/100）。

3 结构体系

主桥采用半飘浮体系[2]，塔墩固结、塔梁分离，即在主梁与索塔之间设置竖向支座、横向抗风支座和横向抗震挡块，其中横向抗风支座在桥梁正常运营状态下发挥作用，横向抗震挡块在地震等特殊荷载作用下发挥作用。为限制主梁的纵向位移，在主梁与索塔下横梁之间设置纵向粘滞阻尼器[3]，每个索塔处设置2套纵向阻尼装置，全桥共设置4套。

除主梁与索塔之间外，辅助墩、交界墩与桥台上设置纵向活动支座和横向抗震挡块， 其中0号桥台、5号交接墩与1号辅助墩双支座中其中一个支座约束横向位移， 4号辅助墩墩高超过100m，双支座均约束横向位移。

4 主梁设计

4.1 主梁形式

一般情况下，斜拉桥可选择的主梁形式有混凝土梁、钢箱梁、钢桁架梁、组合梁，以及边中跨分别采用不同形式混合梁等。本桥主跨跨径560m，基本上超出了混凝土斜拉桥的合理跨径范围；根据桥址处地形地貌，本桥不具备大型钢箱梁的运输条件；本桥的边中跨比较大，混合梁也不适合；采用钢-混组合梁和钢桁架梁结构，是受力较为合理的主梁方案。

综合运输及吊装条件，主桥主梁形式采用工字型钢混组合梁[4]。主梁横断面布置见图3。

图3 主梁横断面布置（单位：cm）

主桥主梁为钢梁与混凝土板共同受力的组合梁[5]，中间采用剪力钉将两者结合。组合梁全宽27.5m，拉索锚固处高3.5m。钢主梁采用工字型截面，横桥向双钢主梁的中心间距为25.5m；钢横梁采用工字型截面，标准间距4.0m；混凝土桥面板标准板厚28cm，在钢主梁顶部处加厚至50cm，压重段采用50cm等厚设计，起到部分压重作用；横向中间与两侧共设置了三道小纵梁，作为浇注桥面板湿接缝的施工临时模板。主梁钢材除钢主梁顶板与底板采用Q370qE、临时小纵梁采用Q345qD外，其余均采用Q370qD桥梁专用钢；由于现场骨料制约，混凝土桥面板采用C55混凝土。

4.2 钢主梁

钢主梁高3.0m，上翼缘设置2%横坡，与桥梁横坡保持一致，下翼缘水平，腹板竖直，共分为15种梁段类型。标准节段梁长12m，顶板宽960mm、厚40mm ，底板宽1000mm、厚80mm ，腹板厚36mm，设置了三道宽360mm、厚32mm的纵向加劲肋，每个梁段共设置了9道竖肋。根据受力要求，在索塔、辅助墩和交界墩、桥台处，对支承与压重梁段进行了底板加宽和腹板加厚。钢主梁标准梁段立面与断面布置见图4。

图4 钢主梁标准梁段立面与断面布置（单位：mm）

4.3 钢横梁

钢横梁顶面与桥梁横坡保持一致，标准钢横梁顶板宽660mm、厚24mm，底板宽700mm、厚28mm ，腹板厚14mm，在离上缘58cm处对称设置了两道宽120mm、厚14mm的纵向加劲肋，每个钢横梁共设置了13道竖肋。根据受力要求，在索塔、辅助墩和交界墩、桥台处，对支承与压重段钢横梁顶、底、腹板进行加宽加厚。普通钢横梁与钢主梁底板底面不齐平，压重段钢横梁与钢主梁底板底面齐平，保证压重材料的布置空间。为方便运输，横梁分为三段，最大运输长度为10.58m。标准钢横梁立面与断面布置见图5。

图5 标准钢横梁立面与断面布置（单位：mm）

4.4 钢梁连接方式

钢主梁与钢横梁节段间顶、底、腹板及纵肋均采用高强螺栓拼接；钢主梁与普通钢横梁之间只拼接腹板，钢主梁与其余特殊钢横梁之间采用拼接腹板、底板的接头方式。钢主梁节段拼装示意见图6。

图6 钢主梁节段拼装示意

4.5 混凝土桥面板

混凝土桥面板通过焊接在钢主梁和横梁上翼缘板上的剪力钉和钢梁共同受力，分为预制部分和现浇部分。桥面以主梁中心线横桥向对称布置四块预制桥面板，预制桥面板横向侧设置剪力键。为了减少混凝土的收缩和徐变，先预制桥面板，存梁期至少6个月以上。同时，根据受力情况，在中跨跨中与边跨靠边支点部分，桥面板设置了顺桥向预应力体系。

5 索塔设计

塔型设计要求首先满足结构受力需要，同时兼顾景观、施工、造价等因素，本桥主桥跨径大、索塔高，适合的塔型有菱形、钻石型和H型。本桥主梁采用钢-混组合梁，需要倾斜索面对主梁的抗扭刚度提供帮助，同时要求索塔能够形成闭合框架以较好地承受荷载。菱形索塔横向刚度大、稳定性好，拉索面与塔柱的倾斜方向一致，给人以静态的稳定和向上感；H型索塔在塔顶有较大的横梁，高塔受力性能一般，抗扭性能一般；钻石型索塔略显纤柔，横向抗扭性能稍差。三种塔型比较见表1。

表1 塔型比较表

主桥2号索塔总高288m，3号索塔总高268m，索塔较高，相对于H型塔和钻石型塔，菱型塔受力、抗扭、抗风抗震性能更好， 综合了景观效应，本桥采用菱型桥塔[6]。

主桥索塔由塔墩、下塔柱、中塔柱、上塔柱、上横梁和下横梁组成，均采用C50混凝土，上、下横梁采用预应力构件，塔柱与横梁采用矩形空心截面，塔墩采用整体单箱三室矩形截面。其中上塔柱高71m、横桥向宽6m、纵桥向宽8m；中塔柱高77m、横桥向宽6m、纵桥向宽8～11.5m；下塔柱高55.5m、横桥向宽6～11m、纵桥向宽11.5～13.68m；上横梁纵桥向宽6m、竖向高5m；下横梁纵桥向宽9.5m、竖向高8.5m；2号索塔塔墩高84.5m，3号索塔塔墩高64.5m，塔墩横桥向宽29m、纵桥向宽13.68～17m。

索塔承台采用矩形截面，横桥向长38.3m，顺桥向宽25.1m，厚7.5m，采用C40混凝土。索塔桩位处岩性以灰岩、泥质灰岩为主，上部结构传到墩底的反力较大，可采用大直径嵌岩桩，每个索塔承台下均布置了24根直径3.3m的桩基组成群桩基础，桩间距6.6m，采用C35自密实混凝土。索塔构造布置见图7。

图7 索塔构造布置（单位：cm）

6 斜拉索与锚固形式设计

6.1 斜拉索

主桥斜拉索为空间扇形双索面，全桥共8个索面、176根斜拉索，采用φ7mm镀锌平行钢丝体系，钢丝标准强度为1770MPa，最大规格为PES7-337。主梁上横桥向索距为25.5m，顺桥向索距为12m 。斜拉索在塔端及梁端均安装内置式斜拉索减震器，其中4～22号斜拉索在下端均设置外置式粘滞阻尼器[7]。

6.2 塔上锚固形式

每个塔柱均布置了22对斜拉索，上20对斜拉索采用钢锚梁锚固形式，布置于塔壁的牛腿上；下2对斜拉索水平力较小，采用混凝土齿块直接锚固形式。考虑到换索、断索等不利工况，塔上拉索锚固区的塔壁内配置了井字形的低回缩预应力钢束，单端交替张拉。

6.3 梁上锚固形式

本着传力明确、维修养护方便的特点，本桥斜拉索梁上锚固采用锚拉板形式。

7 主梁指导性施工方案

本桥为项目最重要的控制性工程，综合考虑了结构受力和缩短工期的前提下，主桥设计提出了混凝土桥面板湿接缝滞后1次浇筑的指导性施工方案[8]。具体施工步骤为：（1）吊装第i节段钢梁，安装第i号拉索并第一次张拉；（2）吊装第i-1节段与第i节段拉索横梁之间的预制桥面板，第二次张拉第i号斜拉索；（3）吊装第i+1节段钢梁，安装第i+1号拉索并第一次张拉；（4）吊装第i节段与第i+1节段拉索横梁之间的预制桥面板；（5）浇筑第i-1节段与第i+1节段拉索横梁之间的桥面板湿接缝，形成组合单元，第二次张拉第i+1号斜拉索；（6）桥面吊机前移。

8 技术特点

（1）遵余湘江大桥位于贵州黔北山地，桥址区既有陆运、水运条件有限，局部范围内地形复杂，很大程度上限制了结构成品、半成品的尺寸，大桥的主梁采用了布置灵活、运输方便的组合梁结构，充分发挥了组合梁混凝土受压、钢材受拉的特点，提高了材料的利用率。与混凝土梁对比，组合梁自重较轻、跨度较大，钢梁与桥面板工厂预制、现场拼装，有效地保证了质量。与钢箱梁对比，起吊运输要求低，施工方便、造价较低，同时减少了钢结构桥面铺装的难题。

（2）组合梁斜拉桥施工工序复杂、繁多，成桥结构内力、线形与施工过程息息相关，合理的施工工序是保证施工和运营阶段结构安全的关键。遵余湘江大桥通过对混凝土桥面板湿接缝不滞后、滞后1次和滞后2次的三种施工方案进行分析对比，提出了混凝土桥面板湿接缝滞后1次浇筑的指导性施工方案，即保证了结构在施工过程和运营阶段受力的合理性，又有效地缩短了施工工期。