戴顯榮，葉雨清

(浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，杭州 310030)

高嶺頭水庫特大橋是溧陽至寧德國家高速公路(G4012)浙江省景寧至文成段的控制性工程，大橋位于溫州市文成縣境內(nèi)，跨越高嶺頭水庫。主橋采用(140+300+140)m雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，西引橋采用(15×40+4×35+4×40)m預(yù)應(yīng)力T梁橋，東引橋采用(4×40+3×30)m預(yù)應(yīng)力T梁橋。全長1.73 km，其中主橋長580 m，大橋總投資約4.3億元。

該橋橋址位于高嶺頭水庫大壩上游約330 m，跨越水域?qū)捈s250 m，最大水深62.5 m，年平均水位319.02 m，設(shè)計洪水位327.96 m。橋址處水庫兩側(cè)山體地形起伏較大，其中西側(cè)山體地形陡峭，橋軸線對應(yīng)的地面線傾角40°～55°，橋軸線與等高線夾角35°～50°。水庫東側(cè)地形相對較緩，橋軸線對應(yīng)的地面線傾角20°～30°，橋軸線與等高線基本正交。主墩位于山體斜坡水位線上方，西側(cè)主墩位于水泥硬化便道上，坡表直接出露有強-中風(fēng)化基巖，巖性為晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r，中風(fēng)化巖體堅硬完整。東側(cè)主墩位置坡表殘坡積厚度1 m～3 m，上部全-強風(fēng)化厚度較大，約5 m～15 m，巖性為晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r，中風(fēng)化巖體堅硬完整。

1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

公路等級為雙向4車道高速公路，設(shè)計速度為80 km/h，汽車荷載等級為公路-Ⅰ級，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面總寬度28 m(含拉索錨固區(qū)2×1.5 m)，設(shè)計洪水位為327.96 m，無通航要求，環(huán)境類別為Ⅰ類，橋梁設(shè)計基本風(fēng)速為32.9 m/s，地震基本烈度為Ⅵ度，E1地震作用按50年10%超越概率，水平峰值加速度0.072g，E2地震作用按100年4%超越概率，水平峰值加速度0.146g。

2 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 關(guān)鍵技術(shù)問題

本橋主要關(guān)鍵技術(shù)問題如下：

1)本橋所在區(qū)域臺風(fēng)多發(fā)，橋梁設(shè)計基本風(fēng)速為32.9 m/s，地面粗糙度系數(shù)為0.135，對橋梁抗風(fēng)要求高。

2)受路線縱斷面限制，橋面距離水面達131.5 m，主墩高度大，提高結(jié)構(gòu)整體剛度尤為重要。

3)索塔高度大，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜。

上述關(guān)鍵技術(shù)問題主要通過結(jié)構(gòu)體系設(shè)計、索塔構(gòu)造設(shè)計、設(shè)置索塔臨時拉桿與撐桿及主梁合龍口進行預(yù)頂?shù)氖┕ご胧┻M行優(yōu)化。

2.2 橋型方案及橋跨布置

根據(jù)路線總體設(shè)計，本橋西側(cè)引橋起點接特長隧道，東側(cè)引橋進入互通主線加減速車道變寬區(qū)內(nèi)。全橋位于下坡路段，受橋梁終點位置互通布設(shè)及互通區(qū)內(nèi)山體開挖方量的控制，橋面較高，主橋跨水庫路段橋面(高程450.5 m)距水庫平均水位(高程319.0 m)約131.5 m。

主橋橋型方案主要受橋位處的地形地貌、水庫水文條件、路線縱斷面設(shè)計、運輸條件及工程造價等因素影響。設(shè)計中對拱橋、懸索橋、連續(xù)剛構(gòu)、矮塔斜拉橋、斜拉橋5種橋型進行了綜合比選。

拱橋方案由于受橋面標(biāo)高、地形的影響，其跨徑需達380 m，西側(cè)拱座位置地形陡峭，且橫向高差達到35 m，不利于拱座布設(shè)。

懸索橋方案綜合考慮錨碇和索塔處的地形地質(zhì)情況及施工方案[1-4]，采用主跨450 m較合適，但由于主跨跨徑較其他幾個橋型增加較多，故工程造價最高。

連續(xù)剛構(gòu)橋、矮塔斜拉橋方案為減少施工對水庫的影響，避免水中設(shè)墩，主跨跨徑至少為260 m，對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋和矮塔斜拉橋來說已接近跨徑極限，裂縫控制難度大，耐久性較差。

斜拉橋方案可以較好地適應(yīng)該跨徑范圍。

綜合考慮結(jié)構(gòu)地形地貌、結(jié)構(gòu)受力性能、工程造價、施工難易程度、對水庫的影響、橋梁景觀等因素，高嶺頭水庫大橋最終采用(140+300+140)m預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋方案，橋面頂全寬28 m，兩側(cè)拉索區(qū)各寬1.5 m，邊護欄間寬25 m。主橋位于0.8%下坡路段，主橋總體布置如圖1所示。

(a)立面

2.3 結(jié)構(gòu)體系

斜拉橋常用的結(jié)構(gòu)體系有飄浮體系、半漂浮體系、塔梁固結(jié)體系、剛構(gòu)體系等。飄浮體系和半漂浮體系可釋放溫度引起塔柱彎矩，但橋梁縱向剛度小，縱向風(fēng)荷載引起的梁端和塔頂水平位移大，塔底彎矩很大；塔梁固結(jié)體系結(jié)構(gòu)整體剛度小，支座需要承受塔柱自重荷載，支座養(yǎng)護和維修困難，適合于低墩小跨徑斜拉橋；剛構(gòu)體系結(jié)構(gòu)整體剛度大，抗風(fēng)性能好，可大大減小梁端和塔頂水平位移，但由溫度引起的主梁軸力和塔根部彎矩大于飄浮體系[5]，適合在橋面以下墩身較高的斜拉橋。本橋橋面以下塔柱高約120 m，可大大降低溫度引起塔柱縱向彎矩，又因橋址處設(shè)計基本風(fēng)速大，剛構(gòu)體系可有效控制風(fēng)荷載引起的塔梁位移，使梁塔墩三者能夠很好地協(xié)同發(fā)揮受力性能[6]，推薦采用3跨連續(xù)剛構(gòu)體系，過渡墩處采用雙向活動支座+抗風(fēng)支座，梁端與過渡墩間安裝縱向阻尼器。

2.4 主梁

預(yù)應(yīng)力混凝土梁斜拉橋比較典型的主梁截面形式有雙肋板式截面、雙邊箱式截面、單箱多室截面，3種斷面中雙肋板式截面所用材料最節(jié)約，重量最輕，施工方便，但其主梁抗扭剛度相對較小，由于本橋采用空間雙索面拉索能提供足夠的抗扭剛度，因此推薦主梁采用雙肋板式截面。

主梁混凝土強度等級為C55，因近塔區(qū)主梁剛度變化大，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜[7-8]，在兩側(cè)各15.5 m范圍內(nèi)梁段摻合聚丙烯纖維，以改善重點受力部位的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性[9-10]。

主梁橫斷面主要尺寸如圖2所示。主肋高度2.7 m，寬2 m。全梁頂寬28.0 m，底寬28.5 m。橋面板為受力單向板，標(biāo)準(zhǔn)板厚0.32 m。邊跨壓重區(qū)主肋加寬至3.8 m，橋面板加厚至0.40 m；主梁橫隔板厚度0.40 m。索塔根部主肋加寬至3.8 m，橋面板加厚至0.80 m。邊跨共分22個節(jié)段，其中1個邊跨合龍段，6個壓重標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段；索塔區(qū)設(shè)1個托架現(xiàn)澆段；中跨共分41梁段，其中1個中跨合龍段，40個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段。主梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長度7 m，壓重段標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長度5.2 m。邊跨合龍段長2.5 m，中跨合龍段長度3.0 m。主梁設(shè)縱向預(yù)應(yīng)力，采用標(biāo)準(zhǔn)強度為1 860 MPa鋼絞線和標(biāo)準(zhǔn)強度為930 MPa預(yù)應(yīng)力粗鋼筋；橫隔板設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力，采用標(biāo)準(zhǔn)強度為1 860 MPa鋼絞線。

單位：cm

2.5 索塔及錨固區(qū)

索塔采用花瓶造型，由上、中、下3段塔柱和3道橫梁構(gòu)成，下塔柱單柱段和分叉段間、中塔柱與上塔柱間均采用半徑50 m圓弧過渡。塔柱為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，材料為C50，橫梁為預(yù)應(yīng)力構(gòu)件。

1號和2號塔高分別為203.8 m、190.9 m，其中橋面以上高度均為91.14 m，高跨比為0.304。為方便施工，1號塔與2號塔外形變化率一致，2號塔在1號塔的基礎(chǔ)上將下塔柱截短而成。1號塔構(gòu)造如圖3所示。

(a)立面

上、中塔柱、下塔柱分叉段采用單箱單室斷面，下塔柱單柱段采用單箱3室斷面，結(jié)構(gòu)剛度大，塔柱外側(cè)設(shè)置50 cm倒角，有利于抗風(fēng)，也更能突出景觀效果。索塔下塔柱由單柱段和分叉段組成，單柱段順橋向7.67 m～10 m，橫橋向14 m～16 m，下塔柱分叉段順橋向6.8 m～7.67 m，橫橋向4.34 m～6.3 m；中塔柱和上塔柱順橋向6.8 m，橫橋向4.0 m。

索塔共設(shè)上、中、下3道橫梁，上橫梁和中橫梁寬度5.8 m，高度6.5 m，壁厚0.8 m；下橫梁寬度6.0 m，高度6.0 m～6.28 m，壁厚0.8 m，頂面做成雙向2%橫坡，縱向-0.8%縱坡。

塔柱斜拉索錨固區(qū)設(shè)置環(huán)向預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力材料采用Ф32 mm精軋螺紋預(yù)應(yīng)力粗鋼筋，標(biāo)準(zhǔn)強度fpk=1 080 MPa。為盡可能減少預(yù)應(yīng)力張拉槽口對塔壁的影響，減少錨固回縮預(yù)應(yīng)力損失，所有預(yù)應(yīng)力粗鋼筋采用單端張拉[11-12]。根據(jù)索力對塔壁內(nèi)外側(cè)產(chǎn)生的應(yīng)力效應(yīng)，順橋向同層設(shè)6根，其中2根偏向塔壁外側(cè)，4根偏向塔壁內(nèi)側(cè)，橫橋向同層設(shè)8根，其中6根偏向塔壁外側(cè)，2根偏向塔壁內(nèi)側(cè)。預(yù)應(yīng)力粗鋼筋順橋向?qū)娱g距15 cm，橫橋向?qū)娱g距15 cm，順橋向與橫橋向交錯布設(shè)，層間距7.5 cm。環(huán)向預(yù)應(yīng)力粗鋼筋布設(shè)如圖4所示。

單位：cm

2.6 斜拉索

斜拉索采用直徑為7 mm的高強度、低松弛平行鋼絲成品索，鋼絲采用鋅-5%鋁混合稀土合金鍍層鋼絲，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度為1 860 MPa。

每個索塔分別布置20對斜拉索，全橋共160根斜拉索，最長約168 m，最大規(guī)格為PES7-241，單根最大重量(不計錨具)約為13.2 t，根據(jù)索力分為PES7-109、PES7-139、PES7-163、PES7-187、PES7-211、PES7-241共6種規(guī)格。斜拉索塔端豎向間距1.8 m，梁端標(biāo)準(zhǔn)水平間距7 m，壓重區(qū)間距5.2 m。斜拉索減振措施采用阻尼器和氣動措施并用的方案，阻尼器在斜拉索的兩端同時安裝，梁端布置剪切粘滯外置阻尼器，梁端、塔端索導(dǎo)管內(nèi)布置耐久性較好、易維護保養(yǎng)的高阻尼橡膠圈。斜拉索表面設(shè)置雙螺旋線，以控制斜拉索風(fēng)雨振效應(yīng)[13]。

2.7 下部結(jié)構(gòu)

主塔基礎(chǔ)承臺采用矩形承臺，縱橋向?qū)?4.1 m，橫橋向?qū)?0.6 m，厚6.5 m，采用C45混凝土。承臺下采用20根直徑為280 cm鉆孔灌注樁，按嵌巖樁設(shè)計，樁基間距為6.5 m，采用C35水下混凝土，由于兩索塔基礎(chǔ)位于山體傾斜面上，且地表覆蓋層厚度不同，樁基采用不等長設(shè)計，西側(cè)索塔樁基長度為20 m～28 m，東側(cè)索塔樁基長度為22 m～30 m。索塔塔柱與承臺間設(shè)置棱臺形塔座過渡，塔座高2 m，頂面順橋向13 m，橫橋向20 m，底面順橋向17 m，橫橋向24 m，采用C40混凝土。索塔基礎(chǔ)布置如圖5所示。

(a)橫橋向

過渡墩采用門式墩，墩頂采用L型蓋梁，蓋梁長28.8 m，寬4.4 m，高3.5 m～4.8 m。墩柱采用方形墩，縱、橫向橋?qū)捑鶠?.0 m，墩身采用C40混凝土。承臺為分離式矩形承臺，橫橋向長12.5 m，順橋向?qū)?.0 m，厚度為3.0 m，采用C35混凝土。基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，按嵌巖樁設(shè)計，每個承臺下設(shè)6根樁，樁徑2.0 m，采用水下C35混凝土，西側(cè)過渡墩樁基長度為12 m～15 m，東側(cè)過渡墩樁基長度為13 m～16 m。

3 結(jié)構(gòu)整體分析

采用Midas/Civil軟件建立主橋空間有限元模型，如圖6所示，進行結(jié)構(gòu)整體分析。索塔及基礎(chǔ)、主梁、過渡墩及基礎(chǔ)采用梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬，斜拉索與主梁及索塔的連接采用主從約束，建立索塔塔柱施工過程、主梁分節(jié)段澆筑、合龍等詳細(xì)的施工階段。

圖6 主橋空間有限元模型

分析計算結(jié)果，認(rèn)識如下：

1)在極限風(fēng)荷載作用下，主梁梁端縱向位移17 cm，相較單塔設(shè)固定支座的半漂浮體系，位移減小了43%，主梁跨中最大橫向位移24 cm，橋梁具有較大的整體剛度。

2)在成橋恒載下，主梁上緣最大壓應(yīng)力為8.6 MPa，主梁上緣最小壓應(yīng)力為2.3 MPa，下緣最大壓應(yīng)力為10.4 MPa，下緣最小壓應(yīng)力為2.3 MPa，無拉應(yīng)力出現(xiàn)。

3)在最不利荷載作用下，主梁上緣最大壓應(yīng)力為12.6 MPa，主梁上緣除0號塊支點局部有0～1 MPa拉應(yīng)力外，最小壓應(yīng)力為0.7 MPa，無拉應(yīng)力出現(xiàn)，主梁下緣最大壓應(yīng)力為14.6 MPa，下緣最小壓應(yīng)力為0.1 MPa，滿足全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件要求。

4)斜拉索最大應(yīng)力666 MPa，最大應(yīng)力幅176 MPa。

5)索塔塔柱截面承載能力和抗裂驗算均滿足規(guī)范要求。

4 施工方案

本橋索塔塔柱線形以直線為主，截面較規(guī)則，可采用液壓爬模施工，分節(jié)段澆筑，為改善索塔內(nèi)力，塔柱施工時，需在下塔柱分叉段設(shè)置臨時拉桿，在中塔柱設(shè)置臨時撐桿進行內(nèi)力調(diào)整，以優(yōu)化索塔內(nèi)力。為保證索塔錨固區(qū)預(yù)應(yīng)力精軋螺紋粗鋼筋的有效性，減少環(huán)向預(yù)應(yīng)力損失，要求預(yù)應(yīng)力粗鋼筋至少滯后一個施工階段張拉，并在第一次張拉完成后約3 d進行二次復(fù)拉工藝。

中跨主梁位于水面以上130.5 m，索塔處主梁距離地面約120 m，邊跨主梁距離地面約30 m～120 m，搭設(shè)支架難度大，成本高。因此，主梁0號、1號梁段及邊跨端橫梁段采用托架法澆筑施工，托架拼裝后，進行預(yù)壓，預(yù)壓重量不小于上部結(jié)構(gòu)自重1.2倍，以確保安全和消除非彈性變形。主梁其余梁段采用前支點掛籃分段對稱懸臂澆筑施工。為改善施工過程中主梁受力，需分批次張拉斜拉索，其中節(jié)段澆筑一半重量時需張拉一次張拉斜拉索。主梁邊跨合龍段和中跨合龍段采用吊架施工，由于后期收縮徐變引起主梁縮短，增加塔底彎矩，故在中跨主梁合龍前需對主梁進行預(yù)頂，預(yù)頂力為1 500 kN，以優(yōu)化索塔受力[14-15]。

5 結(jié)束語

本文以浙江溫州高嶺頭水庫特大橋為研究對象，分析了該橋設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)問題，提出了采用斜拉橋方案，主要認(rèn)識如下：

1)在跨越山區(qū)峽谷寬大水域的高墩橋梁中，斜拉橋方案具有較好的適應(yīng)性。

2)對于抗風(fēng)要求高的斜拉橋，采用剛構(gòu)體系可顯著減少梁端縱向位移，提高橋梁整體剛度和抗風(fēng)性能。

3)在索塔錨固區(qū)設(shè)置單端張拉預(yù)應(yīng)力粗鋼筋可減小開槽對塔柱截面的削弱，對預(yù)應(yīng)力粗鋼筋進行二次張拉可提高預(yù)應(yīng)力有效性。

4)在主梁中跨合龍前，通過對合龍口進行預(yù)頂，在索塔施工過程中，通過設(shè)置主動拉桿和撐桿，可優(yōu)化索塔結(jié)構(gòu)受力。