概述
益陽(yáng)資江四橋是益陽(yáng)市城市外環(huán)路上跨越資江的一座特大橋梁，南岸接線是規(guī)劃中的虎山路；北岸接線經(jīng)城市外環(huán)路分別與319國(guó)道、益沅公路、資陽(yáng)路相接后再與白馬山路連接。南北接線總長(zhǎng)12.2 km 。大橋位于益陽(yáng)市城區(qū)資江上游4960 m的青龍洲，總長(zhǎng)965.24 m。南、北岸引橋均設(shè)計(jì)為9×20 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支空心板；主橋兩側(cè)副孔均設(shè)計(jì)為2×50 m預(yù)應(yīng)力混凝土等截面現(xiàn)澆連續(xù)箱梁；主橋設(shè)計(jì)為50 m+150 m+200 m獨(dú)塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋。
1.技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
① 工程等級(jí)：近期為Ⅰ級(jí)公路，遠(yuǎn)期為城市外環(huán)主干道；
?、?設(shè)計(jì)荷載：公路—— Ⅰ級(jí)；
?、?橋面寬度：主橋總寬28.00 m；引橋總寬25.00 m；
?、?設(shè)計(jì)時(shí)速：80 km/h；
?、?通航標(biāo)準(zhǔn)：Ⅳ一2級(jí)，通航凈空：50 m×8 m(寬×高)；
?、?地震參數(shù)：本區(qū)域地震動(dòng)峰值加速度為小于0.05 g，反應(yīng)譜特征周期0.35 S；
?、?設(shè)計(jì)水位：SW1/10o=41.08 m；設(shè)計(jì)通航水位HW5%=38.41 m。
2.建設(shè)條件
橋位處在彎曲河道正中間，在橋位的下游有一江心沙洲(青龍洲)，兩岸地勢(shì)開(kāi)闊平坦，高差小，多為農(nóng)田，高程約為32-35 m，均筑有防洪大堤。河道均系單式斷面，由于河道內(nèi)采砂船作業(yè)頻繁，河床高低不平，河床高程介于14-25 m之間。橋位區(qū)屬?zèng)_洪積階地地貌，河床寬約551 m。
橋位兩岸施工場(chǎng)地開(kāi)闊，便于施工。不足之處是此處河床較窄，大橋?qū)Y江行洪有一定的影響，并且此處是資江的拐彎處，對(duì)資江河道通航有一定的影響。
橋位區(qū)域年平均氣溫16.8℃ ，一月平均氣溫5℃ ，極端最低氣溫-9.2℃，七月平均氣溫29℃ ，極端最高氣溫40.8℃。橋位區(qū)內(nèi)覆蓋層主要為亞粘土、細(xì)砂、圓礫及卵石層，厚度較大；基巖主要為板巖。微風(fēng)化基巖的天然濕度極限抗壓強(qiáng)度R a>5 MPa，能夠作為良好的大直徑嵌巖樁基礎(chǔ)持力層。
3.方案設(shè)計(jì)
3．1 橋型方案構(gòu)思
本項(xiàng)目是一項(xiàng)跨越資江天塹的宏偉工程，應(yīng)該在滿足使用要求的前提下，結(jié)構(gòu)造型力求安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀，體現(xiàn)時(shí)代風(fēng)貌，在橋型方案選擇時(shí)，除了要滿足橋面行車的安全要求外，還必須保證滿足航運(yùn)、水利、防洪等各方面的要求。
針對(duì)該橋的地形、地貌情況，采用梁橋、拱橋、懸索橋和斜拉橋都是可行的。但是若采用梁橋，200 m的跨徑略大，且該橋型與兩岸景觀不協(xié)調(diào)；若采用拱橋，則結(jié)構(gòu)形式與臨近橋梁類似，達(dá)不到一橋一景的目的；跨徑200 m懸索橋造價(jià)較高，不夠經(jīng)濟(jì)。獨(dú)塔雙索面斜拉橋建筑高度小，橋型美觀，線條簡(jiǎn)潔，技術(shù)成熟，造價(jià)適中
[1,2]。因此，經(jīng)過(guò)反復(fù)比較和研究，推薦采用獨(dú)塔斜拉橋方案，橋塔結(jié)構(gòu)采用A型索塔(見(jiàn)圖1)。
獨(dú)塔雙索面斜拉橋方案主橋以50+150+200m跨越主航道，河床壓縮少，有利于汛期泄洪；兩個(gè)主孔均能通航，能減少船舶撞擊的機(jī)會(huì)。
3.2 橋跨布置設(shè)計(jì)
本橋設(shè)計(jì)初始，主橋橋孔布置為2×50m+50m+150m+200m+2×50m七跨連續(xù)獨(dú)塔斜拉橋方案進(jìn)行研究，經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)14號(hào)墩頂?shù)闹髁贺?fù)彎矩非常大，而且15號(hào)-16號(hào)墩以及9號(hào)-l0號(hào)墩之問(wèn)的箱梁正彎矩非常大。經(jīng)過(guò)配束、調(diào)索以后，這兩處的主拉應(yīng)力、抗裂性、承載能力均達(dá)不到規(guī)范要求。
為了解決此處的箱梁?jiǎn)栴}，將50m區(qū)梁高改為3.2m。這樣修改以后，經(jīng)過(guò)計(jì)算，15號(hào)-16號(hào)墩以及9號(hào)-10號(hào)墩之間的箱梁正彎矩很大的問(wèn)題得到解決，箱梁的抗裂性和承載能力均可以滿足要求，但是在14號(hào)墩上緣的抗裂性仍然很難滿足要求。即使上緣最大應(yīng)力已經(jīng)超過(guò)規(guī)范要求，最小應(yīng)力仍然有3.2 MPa的拉應(yīng)力，說(shuō)明截面的剛度仍然偏小(注：本汁算還沒(méi)有考慮索、梁溫差和塔的左右側(cè)溫差，也沒(méi)有考慮收縮徐變尚未完成時(shí)的通車情況，如果再考慮以上情況，主梁最大應(yīng)力和最小應(yīng)力會(huì)更加不利)。
若兩個(gè)輔跨采用變截面的方案，梁高需達(dá)到4m，但這樣設(shè)計(jì)造價(jià)很高，施工和設(shè)計(jì)的難度都增加不少。
綜上所述，筆者認(rèn)為斜拉橋與連續(xù)梁直接連接這種結(jié)構(gòu)體系本身會(huì)在過(guò)渡墩形成薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)此類橋梁時(shí)，應(yīng)予以重視。
4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4．1 主梁(見(jiàn)圖2)
益陽(yáng)資江四橋主梁采用預(yù)應(yīng)力砼箱梁，單箱四室截面，連續(xù)長(zhǎng)度400m。箱梁中心線處梁高270 cm，箱梁全寬2820cm，頂、底板厚度均為24 cm。主梁共分成51個(gè)節(jié)段，0號(hào)、1號(hào)梁段設(shè)計(jì)采用支架現(xiàn)澆，其余梁段均設(shè)計(jì)采用掛籃對(duì)稱懸澆施工。為了消除邊墩支座負(fù)反力并增加結(jié)構(gòu)剛度，在索塔處及梁端均采用加大截面面積的方法施加壓重。
主梁縱向預(yù)應(yīng)力束均設(shè)計(jì)采用9ψs15.2和7ψs15.2鋼絞線；主梁頂板厚度40cm處，不設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力束，頂板厚度24cm處，設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力束為3ψs15.2鋼絞線。
為了增加主梁橫向剛度，改善橋面板受力性能并均勻傳遞斜拉索拉力，在主梁中設(shè)置了多道橫梁。標(biāo)準(zhǔn)中橫粱厚度30cm，橫梁預(yù)應(yīng)力束采用19ψs15.02鋼絞線。
4.2 斜拉索
斜拉索采用PES(C)7熱擠聚乙烯拉索，PESM7冷鑄鐓頭錨固體系，塔端為張拉端，梁端為固定端。拉索為扇形布置的空間雙斜索面，全橋共49對(duì)，塔端的標(biāo)準(zhǔn)索距為1.5m，梁端的標(biāo)準(zhǔn)索距為8 m，背索索距為6 m。拉索與橋軸線的傾角為27.52°-79.13°。根據(jù)各拉索的設(shè)計(jì)索力并兼顧考慮全橋的
整體剛度，分別采用PES(C)7-151到PES(C)7-421等八種規(guī)格的斜拉索，總用鋼量930 t。斜拉索安全系數(shù)按2.5控制
[3]。。斜拉索成品必須進(jìn)行超張拉檢驗(yàn)，彈性模量檢測(cè)，靜載性能試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)，檢測(cè)試驗(yàn)方法按《中華人民共和國(guó)交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 18365—2001(斜拉索熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索技術(shù)條件)執(zhí)行。
4.3 索塔(見(jiàn)圖3)
索塔自承臺(tái)頂面起總高123.180m，下塔腿及中塔腿均為單箱單室截面，塔根部尺寸為8 m×10 m，中塔腿與下塔腿交接處索塔總寬39.20 m，中塔腿尺寸為4.05 m×7.4 m。拉索錨固段為單箱單室和單箱雙室截面，高度為41 m，平面尺寸為4.05 m×7.4 m和6 m-8.95 m X 7.4 m。拉索錨墻厚度為1.5m，兩邊肋板厚1.0m，拉索錨固段配600置了縱、橫向預(yù)應(yīng)力束，分別采用φs15.2鋼絞線“U”型布置。
索塔橫梁高5 m，壁厚1.0 m，配置φs15.2鋼絞線。橫梁頂面上設(shè)置了塔、梁臨時(shí)固結(jié)構(gòu)造，主梁合攏時(shí)予以拆除。索塔及13號(hào)、16號(hào)過(guò)渡墩上均設(shè)置了縱向、橫向限位塊，施工時(shí)應(yīng)精確放樣，確保縱向漂浮體系的形成。索塔根據(jù)計(jì)算，各段分別采用了不同的配筋率配置φ32束筋。
4．4 下部結(jié)構(gòu)
主橋13號(hào)索塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用13D 320 cm鉆孔灌注嵌巖樁基(基巖為微風(fēng)化泥質(zhì)板巖[Ra=7.0MPa]，樁端嵌入微風(fēng)化泥質(zhì)板巖10 m)，分三排呈梅花形布置，承臺(tái)尺寸33.32 m×16.2 m×6.0m，并設(shè)50 cm厚承臺(tái)封底。l2號(hào)輔助墩設(shè)計(jì)為雙柱式墩，基礎(chǔ)為2D280鉆孔灌注嵌巖樁基(基巖為弱風(fēng)化泥質(zhì)板巖和微風(fēng)化泥質(zhì)板巖[R a=4.4 MPa]和[Ra=7.0 MPa]，樁端嵌入微風(fēng)化泥質(zhì)板巖1 m)；墩柱為2D 250 cm圓柱墩。墩頂設(shè)LYQZ系列雙向活動(dòng)拉壓支座和單向活動(dòng)拉壓支座各一個(gè)，設(shè)計(jì)承受6 000 kN 壓力、2 000 kN拉力。
5.結(jié)構(gòu)計(jì)算
益陽(yáng)資江四橋近期設(shè)計(jì)為I級(jí)公路，四車道；遠(yuǎn)期規(guī)劃為城市外環(huán)主干道，取消中問(wèn)的2 m分隔帶，半幅行車道由7．5 m變成9 in，相應(yīng)的由四車道變成六車道。上、下部結(jié)構(gòu)分析按兩種行車道寬計(jì)算，均滿足設(shè)計(jì)要求。
5.1 上部構(gòu)造
200m斜拉橋運(yùn)用《Qjx》橋梁綜合計(jì)算程序進(jìn)行縱向計(jì)算，運(yùn)用橋梁博士綜合計(jì)算程序進(jìn)行縱向計(jì)算校核?？v向計(jì)算荷載等級(jí)為公路一I級(jí)，人群荷載采用2.5 kN/m²，結(jié)構(gòu)計(jì)算基準(zhǔn)溫度20℃ ，結(jié)構(gòu)整體溫升20℃ ，整體溫降15℃，橋面系箱梁溫升梯度14℃ ，溫降梯度7℃ 。斜拉索與砼溫差10℃ ，索塔正反面溫差5℃ 。結(jié)構(gòu)離散圖及組合一持久狀態(tài)正截面壓應(yīng)力圖見(jiàn)圖4，計(jì)算結(jié)果表明上部結(jié)構(gòu)在最不利荷載組合下，均滿足規(guī)范要求。
5.2 索塔
索塔靜力計(jì)算與主梁縱向整體計(jì)算同時(shí)進(jìn)行，索塔錨固區(qū)以下最大壓應(yīng)力為11.7 MPa，最小壓應(yīng)力為5.2 MPa；索塔錨固應(yīng)力呈線性分布，均為壓應(yīng)力。
采用ANSYS通用有限元程序?qū)λ魉M(jìn)行空間分析，得出其基頻模態(tài)為面內(nèi)彎曲，基頻8.19 Hz；面外最小基頻43.6 Hz。橋塔全高范圍內(nèi)在豎向及橫向基本為壓應(yīng)力，豎向壓應(yīng)力在3.4-16.4 MPa之間。由于集中力作用，在錨固段連接墻處橫橋向外側(cè)局部有小于1 MPa的豎向拉應(yīng)力。其中橫梁與索塔相交處內(nèi)側(cè)豎向最大壓應(yīng)力為16.4 MPa，塔身最大主壓應(yīng)力16.6 MPa，連接墻處塔身外側(cè)有最大主拉應(yīng)力為1.1 MPa。
采用ANSYS通用有限元程序?qū)λ魉^固段和索塔橫梁進(jìn)行空問(wèn)分析，將計(jì)算結(jié)果與手算預(yù)應(yīng)力值相疊加得到錨固段實(shí)際應(yīng)力值，計(jì)算表明錨固段斷面均為壓應(yīng)力。考慮到在張拉u型預(yù)應(yīng)力筋時(shí)預(yù)應(yīng)力損失的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)在錨固段斷面上保持2 MPa左右的壓應(yīng)力。使用橋梁博士對(duì)橫梁進(jìn)行受力分析，并用ANSYS校核部分應(yīng)力結(jié)果，在橫梁上張拉19φj15.2的預(yù)應(yīng)力鋼筋，使橫梁在全長(zhǎng)范圍內(nèi)均為受壓。
6.施工要點(diǎn)
索塔采用A型索塔，澆筑過(guò)程中，塔柱的穩(wěn)定性特別重要，尤其是中塔腿部分施工，施工需采取措施加強(qiáng)橫向聯(lián)系，以保證索塔橫向的面內(nèi)穩(wěn)定及施工精度。
由于該橋?yàn)榭臻g斜索面，各拉索錨塊的幾何形狀復(fù)雜，在進(jìn)行拉索錨固段的施工時(shí)，應(yīng)采用坐標(biāo)法嚴(yán)格控制施工放樣精度，使錨塊平面位置誤差控制在±5 mm范圍內(nèi)，誤差過(guò)大將給斜拉索張拉帶來(lái)很大的困難，并使錨頭局部應(yīng)力增高而導(dǎo)致開(kāi)裂。
主梁采用前支點(diǎn)掛籃懸澆施工，掛籃(包括模板及其它施工荷載)設(shè)計(jì)重量160 t，其中前錨點(diǎn)離梁段前沿75 cm，后錨點(diǎn)離梁段前沿875 cm(6 m梁段為675 cm)。與18 梁段(有輔助墩橫梁)對(duì)稱的18 梁段相應(yīng)的位置必須進(jìn)行壓重，以保證主梁對(duì)稱平衡的施工，壓重的重量為45 t。
7.結(jié)語(yǔ)
益陽(yáng)資江四橋?yàn)橹骺?00 m獨(dú)塔斜拉橋方案，經(jīng)過(guò)大量的計(jì)算分析，克服了跨徑大、索塔結(jié)構(gòu)復(fù)雜等設(shè)計(jì)難題，合理地選取了橋梁構(gòu)造形式。
同時(shí)，大橋的建設(shè)能夠提高城市道路的成網(wǎng)性和交通流量與流向的合理性，擴(kuò)大益陽(yáng)市資江以北地區(qū)骨架，可為城市新增建設(shè)用地6 km 以上，也為益陽(yáng)市增加了一道靚麗的風(fēng)景線。
參考文獻(xiàn):
【1】劉土林，斜拉橋[M]，北京：人民交通出版社 2002。
【2】嚴(yán)國(guó)敏，現(xiàn)代斜拉橋[M]，成都：西南交通大學(xué)出版社 1996。
【3】林元培，斜拉橋[M]，北京：人民交通出版社 1994。
