曾滿良 王甜 孫秀貴 張晉瑞

（湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)沙 410200）

大跨度鋼桁加勁梁懸索橋可分為板桁分離和板桁結(jié)合2種形式。板桁分離型加勁梁為常用的懸索橋加勁梁，但其橋面系自重及橫向風(fēng)荷載相對(duì)較大，橫向剛度差，造價(jià)也往往偏高。板桁結(jié)合型加勁梁采用正交異性鋼橋面板與鋼桁梁相結(jié)合的設(shè)計(jì)，而國內(nèi)外工程實(shí)踐表明，正交異性鋼橋面板在運(yùn)營中易出現(xiàn)鋼橋面疲勞開裂和鋪裝層開裂、車轍、擁包、推擠等病害，在全壽命周期內(nèi)不得不頻繁維修，維護(hù)成本極大，維修導(dǎo)致的交通中斷也造成了巨大的社會(huì)成本浪費(fèi)。基于此，本文以杭瑞高速公路洞庭湖大橋?yàn)楸尘?，提出大跨度懸索橋新型的加勁梁形式—STC輕型組合橋面板桁結(jié)合型加勁梁方案。

1 工程概況

杭瑞高速公路洞庭湖大橋位于洞庭湖出口段七里山，東起岳陽，西接君山，是杭瑞高速公路臨湘—岳陽段的控制性工程。主橋?yàn)椋? 480.0+453.6）m 的雙塔鋼桁梁懸索橋，岳陽側(cè)副孔橋?yàn)?×60 m的連續(xù)剛構(gòu)橋，君山側(cè)副孔橋?yàn)椋?4.58+4×60.50）m 的連續(xù)箱梁橋，副孔橋上部結(jié)構(gòu)均采用等截面懸澆箱梁。大橋荷載等級(jí)為公路I 級(jí)，設(shè)計(jì)速度為100 km/h。主橋加勁梁采用板桁結(jié)合型加勁梁，加勁梁全長(zhǎng)1 933.6 m，橋面采用STC輕型組合結(jié)構(gòu)。鋼材主要采用Q345qD，君山橋塔左右各5 個(gè)節(jié)間主桁弦桿采用Q420qE，上下弦桿內(nèi)側(cè)節(jié)點(diǎn)板還須滿足厚度方向Z35 性能要求，加勁梁用鋼量約3.6萬t。

主纜跨度為（460+1 480+491）m，垂跨比為1/10，2 根纜索平行布置，橫向中心距35.4 m。主纜的通長(zhǎng)索股采用175×127φ5.35 mm、抗拉強(qiáng)度1 860 MPa 的平行鋼絲。全橋吊索117對(duì)，吊索標(biāo)準(zhǔn)間距為16.8 m，主跨跨中吊索間距為17.6 m。吊索采用鋼絲繩吊索，與索夾騎跨式連接，與鋼桁梁銷鉸式連接。

橋塔采用門形框架式鋼筋混凝土橋塔，兩岸塔高均為203 m。錨碇由下部基礎(chǔ)和上部錨體組成。錨碇下部基礎(chǔ)為支護(hù)開挖、深埋擴(kuò)大基礎(chǔ)；基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，其平面外形呈葫蘆形。錨碇上部錨體由上下錨塊、前錨室及散索鞍支墩構(gòu)成。杭瑞高速公路洞庭湖大橋立面布置見圖1。

2 主梁設(shè)計(jì)

2.1 鋼桁梁橫斷面形式

鋼桁梁橫斷面上設(shè)有2 片主桁，主桁上下弦桿橫向間距等寬，主桁橫向中心距35.4 m。公路橋面設(shè)在鋼桁梁上層，橋面設(shè)置雙向2%的橫坡、雙向六車道，每側(cè)另設(shè)3.25 m 寬的應(yīng)急車道。橫桁采用帶豎桿的華倫式桁架結(jié)構(gòu)，節(jié)間距8.85 m，橫桁斜腹桿水平夾角45.5°。根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果可知，上弦桿增設(shè)風(fēng)嘴后鋼桁梁的抗風(fēng)性能顯著提高。為減輕結(jié)構(gòu)自重，風(fēng)嘴采用輕質(zhì)復(fù)合材料。鋼桁梁橫斷面布置見圖2。

圖1 杭瑞高速公路洞庭湖大橋立面布置（單位：m）

圖2 鋼桁梁橫斷面布置（單位：m）

2.2 主桁桿件

本橋主桁采用帶豎桿的華倫式桁架體系（圖3），桁高9 m，節(jié)間長(zhǎng)度為8.4 m，斜腹桿傾角約為47°。主桁上下弦桿均采用箱形截面，內(nèi)高分別為760，652 mm，內(nèi)寬均為652 mm。標(biāo)準(zhǔn)梁段上弦桿采用20 mm 厚鋼板，節(jié)點(diǎn)處鋼板加厚至28 mm；下弦桿采用28 mm 厚鋼板，節(jié)點(diǎn)處加厚至32 mm。豎腹桿為H 形截面，斜腹桿采用箱形截面。主桁上弦桿頂板與鋼橋面板采用對(duì)接焊焊接，與橋面橫梁（橫肋）采用栓接，形成板桁結(jié)合型受力結(jié)構(gòu)。主桁節(jié)段內(nèi)上下弦桿節(jié)點(diǎn)板與腹桿翼緣板采用熔透焊接，與腹桿腹板采用角焊縫焊接。主桁節(jié)段間采用高強(qiáng)螺栓連接。為方便螺栓施擰，上下弦桿底板設(shè)手孔，斜腹桿在靠近拼接位置漸變?yōu)镠形截面［1］。

圖3 主桁節(jié)段立面構(gòu)造（單位：mm）

2.3 主桁節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

本橋主桁節(jié)點(diǎn)采用全焊接整體節(jié)點(diǎn)構(gòu)造。整體節(jié)點(diǎn)焊縫密集，焊縫方向交錯(cuò)復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中部位主要在整體節(jié)點(diǎn)板圓弧端部，可用圓弧端應(yīng)力集中系數(shù)表示。該系數(shù)和弦桿高度h與節(jié)點(diǎn)板圓弧半徑r的比值相關(guān)，h/r越大應(yīng)力集中越嚴(yán)重。因此，該值要求不大于5，本橋設(shè)計(jì)h/r控制在1.5～2.0。通過加厚節(jié)點(diǎn)板可以消減節(jié)點(diǎn)板的應(yīng)力集中，研究表明［2］節(jié)點(diǎn)板的厚度不應(yīng)小于弦桿豎板的1.1倍。因此本橋整體節(jié)點(diǎn)板均采用了加厚設(shè)計(jì)，加厚值為4～8 mm。為進(jìn)一步減少節(jié)點(diǎn)的焊接殘余應(yīng)力，制造中采用了圓弧端焊后打磨和超聲波錘擊工藝。

將主桁上弦節(jié)點(diǎn)板與吊索耳板設(shè)計(jì)成一塊整體板，制作時(shí)須在上弦桿頂板開槽孔以避讓吊索耳板，組裝到位后再將槽孔與上弦節(jié)點(diǎn)板用熔透角焊縫焊接成一體，這樣能顯著提高吊索耳板的疲勞壽命，同時(shí)可避免上弦頂板層狀撕裂的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 橫桁及下平聯(lián)

橫桁包含上橫梁、橫桁腹桿和下橫梁（參見圖2），在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處設(shè)置1 榀。上橫梁兼作橋面橫梁，采用倒T 形截面，腹板厚20 mm、高732～1 071 mm，翼緣板厚28 mm、寬650～730 mm。上橫梁與上弦桿采用栓接。橫桁外側(cè)斜腹桿采用H 形截面，橫桁豎腹桿及內(nèi)側(cè)斜腹桿采用箱形截面，橫桁腹桿均采用高強(qiáng)螺栓連接。為使桿件兩端栓接方便，箱形桿件在端頭漸變成H形截面。下橫梁采用變高度箱梁，箱內(nèi)高度由652 mm漸變成472 mm，下橫梁兩端與下弦桿等高。

橋下平聯(lián)桿件均采用箱形截面，與下弦桿、下橫梁均采用高強(qiáng)螺栓連接。為方便螺栓施擰，桿件端部由箱形漸變成H 形截面。下平聯(lián)形式主要為K 形桁架，在君山橋塔、鋼梁兩端及主跨跨中位置采用X 形桁架。

2.5 輕型組合橋面結(jié)構(gòu)

本橋橋面結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為鋼橋面系與STC 層結(jié)合形成輕型組合橋面結(jié)構(gòu)，共同參與橋面受力。

鋼橋面系采用板桁結(jié)合型正交異性板，鋼橋面板厚 12 mm，車道區(qū)域采用 U 肋加勁，U 肋厚 8 mm、高280 mm、寬300 mm、間距600 mm，其他位置采用板式肋加勁，板肋厚14 mm、高180 mm、間距350 mm。橋面設(shè)3 道縱梁，橋面相鄰橫梁之間等間距設(shè)置2 道橫肋，橋面縱梁、橫肋均采用倒T 形截面。橋面橫梁、橫肋及縱梁高度設(shè)計(jì)相同，三者的下翼緣板均采用對(duì)接焊相互連接為一體。

STC 層所用的材料為改性活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）。RPC 里密布鋼筋網(wǎng)，澆筑后在鋼橋面板上形成STC 結(jié)合層。STC 水膠比為0.16～0.22，彈性模量40.7 GPa，泊松比0.2；采用高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)后收縮系數(shù)為0，徐變系數(shù)0.2［3］。不配筋的STC 設(shè)計(jì)值為：抗彎拉強(qiáng)度17.2 MPa，抗壓強(qiáng)度62.3 MPa，抗軸拉強(qiáng)度8 MPa；配筋的STC 現(xiàn)澆強(qiáng)度、接縫名義彎拉強(qiáng)度分別為26.0，16.9 MPa。

STC施工過程為：鋼梁全橋剛接后，在鋼橋面板上焊接φ13×35 mm 的焊釘［4］，焊釘間距為150 mm，焊釘間布設(shè)φ10@37.5 mm帶肋鋼筋網(wǎng)；橫向鋼筋布置在上層，在橋面上澆筑45 mm 厚STC，高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)，完成輕型組合橋面施工。為確保STC 內(nèi)不產(chǎn)生較大的次拉應(yīng)力，STC分塊澆筑時(shí)運(yùn)用等代荷載壓重施工，由壓重引起的成橋后STC次拉應(yīng)力應(yīng)低于0.5 MPa。

3 主橋關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 結(jié)構(gòu)體系

杭瑞高速公路洞庭大橋主橋?yàn)槿‰p跨雙鉸體系懸索橋，岳陽橋塔和君山錨碇設(shè)豎向拉壓支座、橫向抗風(fēng)支座和大噸位縱向電渦流阻尼器，君山橋塔僅設(shè)橫向抗風(fēng)支座。

岳陽橋塔、君山錨碇拉壓支座的抗壓承載力分別為5，7 MN，其抗拉承載力均為抗壓承載力的10%，縱向位移均為±112 cm，橫向位移均為±2 cm；岳陽橋塔、君山橋塔、君山錨碇的橫向支座抗壓承載力分別為4，8，2.5 MN；縱向位移分別為±112，±100，±112 cm，豎向位移分別為±2，+40（-60），±2 cm。根據(jù)大跨度懸索橋梁端變位特征以及工程實(shí)踐可知，縱向阻尼器可以明顯減小梁端縱向累積位移。本橋設(shè)置的縱向阻尼器為大噸位電渦流阻尼器，其設(shè)計(jì)噸位為300 t，速度指數(shù)為 0.2，阻尼系數(shù)為 4 000 kN·s·m-1，縱 向 位 移為±112 cm，降低了約60%的梁端縱向累積位移。梁端伸縮縫采用大型特制的梳齒板伸縮縫，伸縮量為0～224 cm。

為減小非對(duì)稱荷載作用下加勁梁的撓度，提高加勁梁縱向位移的復(fù)原力，減小正常情況下活載引起的振動(dòng)以及風(fēng)荷載和地震荷載引起的加勁梁縱向位移［5-6］，主跨跨中設(shè)置5 對(duì)柔性中央扣，將主纜與加勁梁固結(jié)。本橋中央扣由連接主纜的中央扣索夾、連接加勁梁的斜拉索以及吊耳板組成，基本構(gòu)造見圖4。

圖4 本橋中央扣構(gòu)造

根據(jù)不設(shè)置中央扣、設(shè)置3對(duì)和5對(duì)中央扣這3種工況進(jìn)行了計(jì)算分析，在最不利情況下梁端縱向位移峰值分別為3.31，2.26，2.17 m。由此可見，相對(duì)于不設(shè)置中央扣，設(shè)置3 對(duì)和5 對(duì)中央扣時(shí)梁端縱向位移峰值均可減小30%以上，說明設(shè)置中央扣能有效約束加勁梁的縱向位移，顯著提高懸索橋的縱向剛度。設(shè)置5 對(duì)中央扣時(shí)梁端縱向位移峰值最小，梁端伸縮縫的設(shè)計(jì)難度最低，并能有效提高伸縮縫的使用壽命。

3.2 桁高的選型

鋼桁梁桁高須滿足最少用鋼量、全橋整體剛度等要求［7］，還須滿足結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能要求?；诖耍緲蛲ㄟ^MIDAS/Civil建立9，10，11 m這3種桁高的鋼桁梁模型，其動(dòng)力特性見表1?？芍鸿旄咴黾樱Y(jié)構(gòu)的豎向基頻增大、橫向基頻減小，但變化幅度均很小，說明桁高對(duì)加勁梁的整體剛度影響較小。原因是懸索橋跨徑越大，豎向剛度越不依賴于加勁梁截面幾何剛度，而主要與恒載重量提供的“重力剛度”有關(guān)，表現(xiàn)為恒載越大，主纜的拉力越大，重力剛度也越大［7］。桁高9 m 增至10 m 時(shí)，扭彎頻率比增幅為4.5%；桁高10 m增至11 m 時(shí)，扭彎頻率比增幅為3.0%，說明增加桁高后結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能略有改善，但影響不大。因此，桁高由最少用鋼量指標(biāo)控制，桁高9 m 時(shí)結(jié)構(gòu)總體用鋼量較少。風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明，桁高9 m 的鋼桁梁的抗風(fēng)性能滿足要求，因此本橋采用9 m桁高。

表1 不同桁高對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

3.3 輕型組合橋面應(yīng)用

由于使用正交異性板經(jīng)常遇到鋼結(jié)構(gòu)疲勞開裂及鋪裝層易損壞的問題［8-10］，本橋橋面結(jié)構(gòu)選型時(shí)經(jīng)過詳細(xì)的調(diào)研，最終選用STC 輕型組合橋面結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［11-13］表明該橋面結(jié)構(gòu)能顯著提高橋面的局部剛度，從而有效減少橋面病害問題。

基于STC 輕型組合橋面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立ANSYS 有限元節(jié)段模型，經(jīng)計(jì)算分析可知，與常規(guī)的正交異性橋面結(jié)構(gòu)相比，輕型組合橋面結(jié)構(gòu)的U 肋與橋面板焊縫疲勞應(yīng)力降幅為85%，橫隔板焊縫疲勞應(yīng)力降幅為40%，鋼橋面板、U 肋母材的疲勞應(yīng)力降幅均大于50%。理論上這些部位將不再出現(xiàn)疲勞問題，U 肋弧形切口應(yīng)力降幅最小為20%，仍可能出現(xiàn)疲勞損壞。為驗(yàn)證本橋橋面結(jié)構(gòu)的性能，在疲勞設(shè)計(jì)應(yīng)力幅下對(duì)橋面結(jié)構(gòu)足尺模型進(jìn)行了592 萬次循環(huán)加載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)U 肋弧形切口等部位均沒有損壞跡象，已超過試驗(yàn)預(yù)期的500 萬次。因此，該橋面結(jié)構(gòu)在全壽命周期內(nèi)視為難開裂構(gòu)件，可應(yīng)用于本橋的橋面結(jié)構(gòu)體系中。

3.4 組合橋面板桁結(jié)合體系

板桁結(jié)合型加勁梁的鋼橋面板與主桁上弦桿結(jié)合成一體，設(shè)計(jì)可考慮板桁結(jié)合共同作用［14］，鋼橋面板作為加勁桁梁上弦桿截面的一部分，同時(shí)起到橋面板、桁梁上弦、平縱聯(lián)的作用。板桁結(jié)合型加勁梁避免了板桁分離型加勁梁需設(shè)置橋面系支座及伸縮縫的弊端，減少了養(yǎng)護(hù)維修的工作量，減輕了結(jié)構(gòu)自重，是近幾年發(fā)展起來的加勁梁結(jié)構(gòu)形式［15］。由于鋼橋面系板桁結(jié)合型加勁梁存在疲勞的隱患，本文提出了輕型組合橋面系板桁結(jié)合型加勁梁設(shè)計(jì)方案。為定量分析采用板桁結(jié)合型加勁梁的經(jīng)濟(jì)性，同等深度設(shè)計(jì)了在輕型組合橋面系下板桁結(jié)合型加勁梁和板桁分離型加勁梁2 個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比研究。當(dāng)2 種方案桿件應(yīng)力相當(dāng)時(shí)，因分離型加勁梁重心低于板桁結(jié)合型加勁梁，致使分離型加勁梁上弦桿承受了更大的內(nèi)力，其尺寸明顯增大，而下弦桿尺寸略微減小，其余桿件可保持不變。板桁結(jié)合型加勁梁比板桁分離型加勁梁用鋼量節(jié)省12.8%，同時(shí)由于恒載減少，主纜用鋼量節(jié)省5.9%，吊索用鋼量節(jié)省5.2%。因此板桁結(jié)合型加勁梁可節(jié)約建筑安裝工程費(fèi)約1.1億元。

3.5 加勁梁制造和架設(shè)技術(shù)

本橋主桁片采用整體焊接技術(shù)，桿件的對(duì)接焊縫多，制造時(shí)采用桁片翻身工藝，避免了主桁仰位對(duì)接焊，提高了焊縫的焊接效率和質(zhì)量。U 肋弧形切口采用倒圓角工藝，并對(duì)U 肋焊縫的起熄弧位置、焊接方向、焊后打磨均提出嚴(yán)格要求，這些措施可增強(qiáng)橋面焊縫的抗疲勞性能。

本橋通航及運(yùn)輸條件優(yōu)越，為提高制造及吊裝的工效，鋼梁采用工廠整節(jié)段制造。全橋共有118 個(gè)制造梁段，標(biāo)準(zhǔn)梁段長(zhǎng)16.8 m。標(biāo)準(zhǔn)梁段起吊質(zhì)量310 t，最大起吊質(zhì)量475 t，均采用跨纜索吊機(jī)吊裝。

本橋架設(shè)方案首次提出應(yīng)用懸索橋鋼桁加勁梁多節(jié)段窗口剛接法架設(shè)技術(shù)。該架設(shè)方案工藝原理［16］是利用加勁梁吊裝階段和吊裝后階段必然出現(xiàn)無應(yīng)力剛接窗口，并對(duì)剛接窗口內(nèi)的梁段提前實(shí)現(xiàn)無應(yīng)力鉸固轉(zhuǎn)換。采用該技術(shù)方案加勁梁架設(shè)與加勁梁鉸固轉(zhuǎn)換可同步進(jìn)行，全橋僅設(shè)53 個(gè)臨時(shí)鉸，并在加勁梁合龍前完成所有加勁梁臨時(shí)鉸體系的轉(zhuǎn)換，有效提高了加勁梁架設(shè)效率。從吊裝到全橋剛接僅歷時(shí)4個(gè)月，節(jié)約工期約3個(gè)月。

4 結(jié)論

杭瑞高速公路洞庭湖大橋在結(jié)構(gòu)選型、高性能材料應(yīng)用、施工技術(shù)等方面取得了一系列創(chuàng)新技術(shù)成果：

1）在超千米級(jí)懸索橋中采用STC 輕型組合橋面結(jié)構(gòu)，既合理利用了新材料的高強(qiáng)性能，又可避免正交異性板疲勞開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

2）在懸索橋中提出并應(yīng)用輕型組合橋面板桁結(jié)合型加勁梁，既降低了加勁梁用鋼量，又節(jié)省了結(jié)構(gòu)造價(jià)。

3）在加勁梁架設(shè)中提出應(yīng)用懸索橋鋼桁加勁梁多節(jié)段窗口剛接法架設(shè)技術(shù)，加快了加勁梁的架設(shè)進(jìn)度。

杭瑞高速公路洞庭湖大橋于2013年10月25日全面開工建設(shè)，2018年2月1號(hào)已建成通車。