【摘要】本文介紹位于強(qiáng)風(fēng)強(qiáng)震區(qū)的世紀(jì)大橋主孔斜拉橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況和特點(diǎn)，包括橋梁的設(shè)計(jì)條件、總體布置、邊主梁、主塔以及結(jié)構(gòu)抗風(fēng)、抗震設(shè)計(jì)特點(diǎn)。
【關(guān)鍵詞】世紀(jì)大橋 斜拉橋 邊主梁 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
一、工程概況
世紀(jì)大橋位于?？谑兄行膮^(qū)西北、海甸河入?？谔?。跨越新港港區(qū)，南岸為濱海公園，南引橋穿過規(guī)劃中的濱海高層區(qū)與濱海立交相接，北岸與海甸島沿江五路平接。本橋?yàn)椤逗？谑谐鞘锌傮w規(guī)劃》所選定的橋位，是?？谑械缆肪W(wǎng)絡(luò)工程的重要組成部分，是溝通海甸島與市中心區(qū)的南北主干道，與龍昆北路、海秀大道、和平路、沿江五路構(gòu)成圍繞市區(qū)的環(huán)線。
世紀(jì)大橋主孔跨越新港港區(qū)，受通航凈高不小于24m、中孔雙向通航凈寬不小于310m。邊孔通航凈寬不小于130m、橋下通行3000t級(jí)海輪要求的限制，經(jīng)多方案比選論證，最終選定的橋式方案為147＋340＋147（m）的斜拉橋。
本橋基礎(chǔ)工程已經(jīng)施工完畢，正在進(jìn)行主塔施工，預(yù)計(jì)2001年底前建成通車。
二、主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)條件
（1）橋上線路等級(jí)：城市主干道一級(jí)
（2）設(shè)計(jì)行車速度：60km/h
（3）橋面按六車道布置，兩側(cè)各設(shè)1.5m人行道
（4）橋面最大縱坡為3．5％，橫坡為2．0％
（5）通航標(biāo)準(zhǔn)：最高通航水位4.0m，通航凈高24m，通航凈寬單向130m、雙向310m。
（6）設(shè)計(jì)荷載
汽車荷載：汽-20級(jí)設(shè)計(jì)、掛-100驗(yàn)算
人群荷載：3.5kN／平方米（不考慮全橋滿人荷載）
溫度荷載：體系升降溫±10℃，索與塔、梁溫差10℃，主梁上下緣及主塔左右側(cè)溫差5℃
船撞力按3000t級(jí)考慮
設(shè)計(jì)基本風(fēng)速V10＝46.3m/s
地震荷載：根據(jù)橋址區(qū)地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告的結(jié)論：在100年使用期內(nèi)超越概率為10％的地震烈度為8．3度，基巖加速度峰值為264gal；在50年使用期內(nèi)超越概率為10％的地震烈度為7.91度，基巖加速度峰值為241gal。
三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1．總體設(shè)計(jì)布置
本橋的結(jié)構(gòu)體系為雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土邊主梁斜拉橋，其總體布置見圖1。其跨度組成為147＋340＋147m，橋面全寬為30．4m［1.6（索區(qū)）+1.85（人行道及欄桿）+11.5（機(jī)動(dòng)車道）＋0.5（雙黃線）＋
11.5（機(jī)動(dòng)車道）＋ 1.85（人行道及欄桿）＋ 1.6（索區(qū)）］。
主梁從抗震方面考慮盡量減少結(jié)構(gòu)自重，降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，從方便施工角度出發(fā)，采用預(yù)應(yīng)力混凝土邊主梁結(jié)構(gòu)形式，主梁寬跨比為1：11.2，高跨比為1：162；主塔從抗風(fēng)方面考慮采用鉆石型混凝土框架結(jié)構(gòu)和較矮的塔高，塔高H與跨度L之比為0.22；斜拉索采用空間扇形布置，與鉆石型主塔配合彌補(bǔ)主梁抗扭剛度的不足，提高結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)自振頻率和扭彎頻率比，為主梁的抗風(fēng)穩(wěn)定性提供較好的基礎(chǔ)，其在主梁上的間距為7.2m，采用平行鋼絲拉索體系。
主塔固結(jié)于沉井頂面，主梁通過豎向支座支承于主塔橫梁上，在其縱向設(shè)置一對(duì)彈性支承索提供水平彈性約束以降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，側(cè)向設(shè)置抗風(fēng)支座，主梁在邊墩處通過豎向拉壓支座和部分壓重解決邊墩負(fù)反力問題以利于結(jié)構(gòu)抗震，并在側(cè)向設(shè)置抗風(fēng)支座。由上述支承體系構(gòu)成本橋的立面內(nèi)為半飄體系，在橫向?yàn)槿邕B續(xù)體系。
2．主塔設(shè)計(jì)
主塔采用鉆石型混凝土框架結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C50；塔底高程為4.10m，塔頂高程為110．00m，主塔自沉井頂面至塔頂?shù)母叨葹?06．90m；在高程24．28m處設(shè)一道橫梁，將塔柱分為上、下兩部分，構(gòu)成鉆石形狀；上塔柱傾斜率為1：4．883，下塔柱傾斜率為1：2．617。主塔結(jié)構(gòu)見圖2。
下塔柱尺寸為縱向7．0m，橫向從塔底7．0m漸變至橫梁處5．0m，壁厚100m的箱形截面；中塔柱尺寸為縱向7.0m，橫向4.0m，壁厚70cm的箱形截面；上塔柱（索錨固區(qū)）尺寸為縱向7.0m，橫向4.0m，縱向壁厚130cm，橫向壁厚100cm的箱形截面；索與塔軸線的交點(diǎn)的間距為1．0～1.5m，采用箱內(nèi)壁錨固形式。
4．斜拉索設(shè)計(jì)
斜拉索采用塑料護(hù)套半平行鋼絲束拉索體系，塑料護(hù)套為雙層熱擠PE形成，內(nèi)層為黑色，外層為彩色。全橋斜拉索中的最大規(guī)格為241φ7。
四、結(jié)構(gòu)計(jì)算分析
1．靜力分析
本橋的靜力計(jì)算主要進(jìn)行了體系成橋狀態(tài)各工況的靜力分析、施工安裝計(jì)算、主塔橫向計(jì)算、主梁橫梁及橋面板計(jì)算，本文在此著重介紹本橋的體系成橋和施工安裝計(jì)算分析要點(diǎn)，其余為常規(guī)計(jì)算，本文在此從略。
體系成橋和施工安裝計(jì)算分析的計(jì)算圖式采用平面杯系模型，施工安裝計(jì)算采用無應(yīng)力索長法；其理論基于微變形理論，對(duì)結(jié)構(gòu)的非線性影響須作特殊處理；另外由于主梁采用邊主梁結(jié)構(gòu)，其截面有效寬度的取值將直接影響結(jié)構(gòu)的計(jì)算；為此在本橋計(jì)算過程中作了如下處理：
非線性影響主要從三個(gè)方面進(jìn)行：一是斜拉索垂度影響采用割線彈性模量代替標(biāo)準(zhǔn)彈性模量；二是收縮徐受影響按《公規(guī)》上規(guī)定辦理；三是幾何大位移影響采用非線性分析程序進(jìn)行分析，其結(jié)果與不考慮幾何非線性的結(jié)果相比較，本橋各控制截面計(jì)算內(nèi)力比較結(jié)果為0．89～1.06，認(rèn)為非線性系數(shù)取值1．1能夠滿足結(jié)構(gòu)安全要求，因此在車橋計(jì)算中將活載增
大10％后進(jìn)行計(jì)算分析。
本橋主梁截面有效寬度取值是根據(jù)《節(jié)段式混凝土橋梁設(shè)計(jì)和施工指導(dǎo)性規(guī)范》（1989美國各州公路和運(yùn)輸工作者協(xié)會(huì)出版）第4.3.2條規(guī)定計(jì)算；計(jì)算結(jié)果為：中跨bf／b=0．97，bs/b=0．80，邊跨bf／b=0．92，bs/b=0．70（其中，b為翼緣寬，bf為跨中部有效翼緣寬，bs為支點(diǎn)處的效翼緣寬）。
2．局部應(yīng)力分析及光彈試驗(yàn)
本橋由于塔上錨固采用箱內(nèi)錨固形式且錨固壁較??；梁上錨固為適應(yīng)美觀要求將錨精扣入梁體，為慎重起見，對(duì)斜拉索錨固區(qū)進(jìn)行了局部應(yīng)力分析及光彈試驗(yàn)以驗(yàn)證簡化計(jì)算模型和指導(dǎo)配筋。
3．結(jié)構(gòu)抗風(fēng)試驗(yàn)研究分析
本橋地處我國遭臺(tái)風(fēng)侵襲頻度最大的地區(qū)之一，臺(tái)風(fēng)影響周期長，為確保大橋在施工全過程和成橋運(yùn)營狀態(tài)下的抗風(fēng)安全，進(jìn)行了節(jié)段模型、全橋氣動(dòng)彈性模型的風(fēng)洞試驗(yàn)和理論分析，對(duì)大橋成橋狀態(tài)、施工最大單懸臂狀態(tài)和施工最大雙懸臂狀態(tài)的抗風(fēng)性能作出了全面的檢驗(yàn)和判斷。
根據(jù)橋址區(qū)的氣象資料和《公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范）推算得出橋位處的設(shè)計(jì)基本風(fēng)速V10＝46．3m/s，由此推算到橋面高度處（平均高度為30m）的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為Vd=55．2m／s，檢驗(yàn)橋梁顫振穩(wěn)定性的檢驗(yàn)風(fēng)速VC＝86m／s，施工階段顫振檢驗(yàn)風(fēng)速按10年重現(xiàn)期取用0.84倍成橋狀態(tài)的相應(yīng)風(fēng)速，為0.84［VC］＝72m／s。風(fēng)洞試驗(yàn)研究成果得出如下結(jié)論：
盡管大橋主梁采用抗扭剛度較低的預(yù)應(yīng)力混凝土邊主梁結(jié)構(gòu)，但是采用了抗扭性能良好的空間斜索面體系和"鉆石"型主塔，使結(jié)構(gòu)仍然具有較高的整體剛度，尤其是抗扭剛度，從而使扭轉(zhuǎn)顫振臨界風(fēng)速超出110m／s，遠(yuǎn)大于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，在施工和成橋運(yùn)營階段均具有足夠的抗風(fēng)穩(wěn)定性。
主梁斷面接近薄平板特性，具有良好的氣動(dòng)外形，在自然風(fēng)場(chǎng)中，大橋發(fā)生較大振幅渦激共振的可能性很小，可以不必考慮渦激共振對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞及運(yùn)行舒適性的影響。
在模擬自然風(fēng)的紊流場(chǎng)中，成橋狀態(tài)和施工階段兩個(gè)主要狀態(tài)的抖振響應(yīng)實(shí)測(cè)值均比考慮Sears函數(shù)及不考慮Sears函數(shù)抖振響應(yīng)理論分析的結(jié)果為小，因此抖振分析和風(fēng)載內(nèi)力計(jì)算采用考慮Sears函數(shù)抖振的結(jié)果。
從抖振分析和風(fēng)載內(nèi)力計(jì)算分析結(jié)果得出：在施工最不利最大雙懸臂階段的塔根縱向彎距極大值為53037t·m，施工期間需要進(jìn)臺(tái)或采用其他抗風(fēng)措施。
4．抗震研究分析
本橋因地處強(qiáng)震區(qū)，除按照我國現(xiàn)行規(guī)范的反應(yīng)譜方法進(jìn)行計(jì)算外，還對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震時(shí)程反應(yīng)分析。反應(yīng)譜曲線和時(shí)程曲線由國家地震局地震研究所提交的《橋址區(qū)地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》給出?？紤]三種地震荷載組合，即縱向、45°向、橫向分別與豎向組合。結(jié)構(gòu)各部位的地震反應(yīng)經(jīng)檢算均在容許范圍內(nèi)。
五、特殊問題的技術(shù)處理
1．主塔塔柱傾斜度大的問題
由于主塔塔柱傾斜度較大，在施工體系轉(zhuǎn)換過程中若不進(jìn)行恒載內(nèi)力調(diào)整，主塔結(jié)構(gòu)將難以承受結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的巨大彎距，為此在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行了恒載內(nèi)力調(diào)整的多方案比選。
2．主梁邊跨應(yīng)力幅過大的問題
由于?？诘貐^(qū)的石料絕大部分為火成巖，強(qiáng)度不高，C60混凝土的配制石料須從很遠(yuǎn)的石料場(chǎng)運(yùn)輸，為節(jié)省工程造價(jià)，僅在邊跨合龍段附近應(yīng)力幅較大的區(qū)段采用C60混凝土，其余均采用C50混凝土。
3．邊域支座負(fù)反力問題
為解決邊墩支座負(fù)反力問題，通常做法為在梁體上施加壓重，但由于本橋邊跨橫跨水域且主梁為邊主梁結(jié)構(gòu)，梁體施加壓重的區(qū)段若太長將給施工帶來很大困難，因此，在設(shè)計(jì)中采用拉壓球形支座的方案加以解決。本橋研制出的拉壓球形支座的技術(shù)參數(shù)為：豎向承壓力大于500t，豎向抗拉力大于250t，水平承載力為豎向承壓力的10％，轉(zhuǎn)角位移量±0..015rad，水平位移量±200mm。
4．強(qiáng)風(fēng)強(qiáng)震問題
大橋的抗風(fēng)抗震設(shè)計(jì)是一對(duì)矛盾的問題，從抗風(fēng)角度出發(fā)，希望結(jié)構(gòu)剛度和自重較大，但從抗震角度出發(fā)，又希望結(jié)構(gòu)的剛度較柔和自重較輕。怎樣合理解決抗風(fēng)抗震問題是本橋的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。在綜合考慮各方因素后，本橋采用較輕柔的邊主梁、空間斜索面并配以"鉆石"型主塔以及在主塔與主梁交接處其縱向通過彈性支承索的連接等結(jié)構(gòu)措施，并經(jīng)過試驗(yàn)研究論證得到證實(shí)是切實(shí)可行的。
根據(jù)結(jié)構(gòu)抖振計(jì)算分析結(jié)果：本橋在施工最不利最大雙懸臂階段的塔根縱向彎距較大。為此對(duì)本橋各懸臂施工階段進(jìn)行了抖振計(jì)算分析，考慮了包括在塔頂放置減振水箱、在主梁上設(shè)置抗風(fēng)纜等抗風(fēng)措施。最終確定的主梁懸臂施工期間的抗風(fēng)措施為：在工期安排方面，將主梁懸臂施工第7號(hào)索至合龍的施工階段避開臺(tái)風(fēng)期；另外在主梁懸臂施工至邊跨第11號(hào)索位置處插打交承樁，設(shè)計(jì)出一簡單方便的連接構(gòu)造大風(fēng)時(shí)與主梁連接、無風(fēng)時(shí)解開，對(duì)結(jié)構(gòu)的抖振反應(yīng)進(jìn)行控制，以確保大橋在施工期間抗風(fēng)的安全。
參考文獻(xiàn)
「l」嚴(yán)國敏編著．現(xiàn)代斜拉橋．成都：西南交通大學(xué)出版社，1996
