奉节梅溪河大桥总体设计

重庆奉节梅溪河大桥总体设计王兴达 冯云成 (中交第一公路勘察设计研究院有限公司 西安市 710075)摘要： 介绍重庆梅溪河公路大桥设计技术条件、总体设计、以及主桥的主梁结构、索塔结构、施工方法及主要技术特点。关键词：斜拉桥；总体设计；主梁；索塔；施工方法。1、建设条件1.1 项目概况重庆梅溪河公路大桥是在建的重庆奉节至云阳高速公路中一座特大型桥梁。大桥位于重庆直辖市奉节县新城乡境内，距奉节老县城西北方向约3.0km，横跨梅溪河。设计为一双塔双索面预应力混凝土斜拉桥。1.2 航运条件设计水位受三峡库区淹没水位173.242m控制，桥梁标高由路线纵坡线形控制。大桥不受洪水及桥下通航要求影响。同时满足四级航道的通航净空尺度和技术要求。最高通航水位173.242m。 1.3 水文条件梅溪河主干流发源于巫溪县窄颈子之南，流域面积1928.6km2，干支流全长828.4km。梅溪河多年流量为45.9m3/s，年径流量达到14.48亿m3，但洪枯变幅大，最大洪峰流量2500 m3/s，枯水期流量不足5 m3/s，为典型山区性河流，洪期水位受长江洪水倒灌影响，与长江水位基本一致，多年平均洪枯流量在1000倍以上，最高达1740倍。本桥位处三峡库区，设计水位受三峡库区淹没水位173.242m控制，桥梁标高由路线纵坡线形控制。大桥不受洪水及桥下通航要求影响。1.4 气象条件桥位区属中亚热带暖湿季风气候。桥区多年平均气温16.8，最高月平均气温27.5，最低月平均气温5.1。梅溪河流域多年平均降雨量为1423.7mm，最少年降水量894.1mm。本地区多年平均蒸发量1439.7mm，本地区多年平均相对湿度：70.8%。多年平均日照1543.3h。桥址区多年平均风速为1.92m/s，累年瞬时极大风速24.7m/s(2001年)。1.5 工程地质概况桥址区位于南华准地台腹地，地壳整体相对稳定，桥址位于朱衣河背斜轴部，桥位区岩石较破碎，节理、裂隙发育。根据地表工程地质测绘及钻探成果表明：桥位区两岸坡被残坡积土 (Qel+dl)覆盖，梅溪河谷分布冲洪积土 (Qal+pl)，下伏基岩为三叠系中统巴东组 (T2b)的泥质灰岩。桥址区两岸山坡较陡，岩石风化深度较大，岩层较破碎，三峡蓄水位提高后在库水作用下坡体稳定性将减弱，三峡蓄水位以下的岸坡稳定性受三峡库岸改造作用影响较大，特别是位于三峡水库水位波动带内的、覆盖层厚度较大且岩层较为破碎的两岸坡角一带。地下水主要为松散岩类孔隙潜水和基岩裂隙水。1.6 地震评价根据中国地震动参数区划图(GB183062001)表明，该区抗震设防烈度度，地震动峰值加速度为0.05g；地震动反应谱特征周期为0.35s。2、主要技术指标(1)、道路等级：双向四车道、行车道宽度23.75m(单向)，高速公路(2)、计算行车速度：80km/h(3)、桥面宽度：27.5m(含锚索区)(4)、设计荷载：公路级(5)、设计最高通航水位173.242m(三峡库区正常蓄水水位)。(6)、设计地震动峰值加速度为0.05g。(7)、设计基准风速：26.3m/s。(8)、船舶撞击力：按内河河道四级通航标准取值。3、桥梁总体设计3.1 桥梁总体布置本桥跨径主要受三峡三期蓄水水位154.7m控制，根据相关资料，控制在165.0m蓄水水位前完成基桩和承台的施工，最终确定的桥梁跨径组成为：主桥(43+147+386+147+43)m的双塔双索面预应力混凝土斜拉桥+2x25现浇箱梁引桥，桥梁全长821m。主桥在辅助墩、过渡墩及索塔下横梁上均设置竖向支座，结构为半飘浮体系。在索塔处设置横向抗风支座，以及纵向粘滞阻尼器。奉节岸无引桥，云阳岸有50m引桥，采用2孔25米PC连续箱梁结构。见图一。图一 桥梁总体布置3.2 主梁结构主梁标准截面采用双主肋断面，全宽27.5m，主梁中心高2.6m，顶板宽23.5m，厚0.30m,桥面板设2.0%的双向横坡。标准段梁肋外侧高2.33m，单肋宽2.0m。边跨现浇段主梁肋宽由2.0m变化到3.5m。主梁典型横断面见图二。图二 主梁标准梁段断面图主梁标准段均采用挂篮现浇悬臂施工，结合梁段重量和施工工艺，全桥分为0号块梁段，标准梁段（悬浇施工），边跨现浇段和边中跨合龙段。主梁标准段节段长度为6m，标准段每对斜拉索与主梁相交处均设0.30m厚的横梁。在索塔处设一道300cm厚的横梁，在辅助墩处也设置一道300cm厚的大横梁。所有横梁均采用预应力混凝土结构。主梁采用预应力混凝土结构，采用C60混凝土，纵向预应力束分一次束和二次束，一次束用于悬臂施工阶段，逐段接长张拉；二次束用于主梁合龙后的边中跨张拉束。3.3 索塔及基础索塔采用”H”型索塔，钢筋混凝土结构。塔高为193m，索塔上塔柱高78.5米，中塔柱高42米，下塔柱高72.5m。设计选用了预应力钢筋混凝土箱形截面的桥塔结构。索塔的造型以及各部分的断面型式、尺寸考虑了结构的受力要求。同时也考虑了施工的方便性和可操作性。塔柱截面采用箱形封闭截面，全塔塔柱均采用四边形截面，上塔柱外形尺寸为4.5mx7.5m，中塔柱处外形尺寸为4.5mx7.5m,下塔柱横向由4.5m变化到底部尺寸为9m，纵向由7.5m变化到底部尺寸为13.0m，桥塔均为空心结构；上下横梁分别为6mx7m 和7mx6.5m的空心矩形截面。索塔构造见图三。在下柱直接抵抗可能的船舶撞击力作用范围内，在高程170.383m至206.383m的范围内设置0.8m厚的横隔板进行加强，顺桥向与横桥向各1道，在箱内形成十字撑架。索塔承台平面尺寸为32mx24.8m，厚度为6m。根据地质资料，基础采用钻孔灌注桩，索塔每塔柱下布置25根直径为2.5m的钻孔桩，为摩擦桩，桩长60m。图三 索塔构造3.4 斜拉索斜拉索采用平行钢丝索，斜拉索由多层7镀锌钢丝成螺旋形集束而成，采用双层PE防护，钢丝无接头。钢丝标准强度1670Mpa，拉索应力幅200Mpa。拉索在主梁上的标准索距为6m，边跨混凝土现浇部分索距为4.5m；斜拉索在索塔上的索距为1.75m和2.0m。本桥采用6种类型的斜拉索，即PES7-85、PES7-109，PES7-139，PES7-151，PES7-187，PES7-211。为减少拉索的风雨振效应，在索导管内设减振装置，并且在梁端设置粘性阻尼器。3.5 辅助墩和过渡墩辅助墩与过渡墩采用空心薄壁墩，辅助墩横桥向宽5m，顺桥向3.0m。高墩壁厚采用80cm，底墩采用70cm。承台厚250cm，平面尺寸为650x650cm。基础采用直径为150cm的钻孔灌注桩，每幅桥的桥墩下布置4根，为群桩基础。过渡墩横桥向宽6m，顺桥向3.5m。壁厚高墩采用80cm。承台厚250cm，平面尺寸为750x640cm。基础采用直径为150cm的钻孔灌注桩，每幅桥的桥墩下布置4根，为群桩基础。4、施工方法主梁采用前支点挂篮对称悬臂浇注施工，中跨设2.0m合龙段，索塔根部0号块在墩旁托架上施工，合龙时先采用临时刚性骨架连接，待解除临时固结纵向水平约束后浇筑混凝土，张拉合龙钢束后完全解除墩梁临时固结。悬臂施工过程中还将采用临时压重和合龙时采用水箱配重平衡等措施。本桥索塔和桥墩较高，塔柱采用翻转模板加主动横撑施工。5、工程主要技术特点梅溪河大桥位于奉节三峡入口地区，属于超大跨度特殊桥梁，由于受三峡库区蓄水水位的影响和道路纵面高程控制。需采用超高的塔墩结构。索塔高度达193m，其施工难度、受力的复杂性以及由此对施工过程及全桥的结构稳定和整体安全的影响等都存在一系列的难题和关键技术，大桥设计者对结构计算、工程材料、施工工艺等方面均进行了深入的分析研究工作。其主要技术特点有：5.1 结构设计计算（1）采用构造简单、施工方便的双边肋主梁，采用带圆角的矩形截面的索塔造型。（2）主跨386米PC梁斜拉桥整体计算分析，包括施工阶段和成桥阶段各种工况和各种效应组合下的主梁应力分析计算。（3）斜拉索锚固区主梁端和塔端的局部应力分析。（4）高索塔在施工过程及营运阶段的静、动力分析和风荷载作用下的稳定性分析。（5）桥梁施工过程及成桥阶段的稳定性分析。（6）全桥地震反应分析。（7）结构在预应力条件下的二次力计算分析、温度场分析、体系转换等技术研究。5.2 施工工艺（1）高塔及主梁施工过程的结构线形和受力控制研究（2）远距离、高扬程的泵送条件下混凝土质量控制方法研究（3）利用斜拉索作挂蓝前支点的主梁悬臂浇筑技术研究。5.3 工程材料（1）高强度混凝土的使用梅溪河大桥主梁采用C60高强度混凝土，为保证混凝土施工质量，需要研究在利用常规原材料和制作手段条件下确定最优的混凝土配合比和各种外添加剂的合理用量等问题。（2）采用大变位伸缩装置为适应温度变化、汽车制动作用等引起的主梁位移，在主桥两端设置了D640mm的大位移伸缩装置。（3）大吨位和大位移量支座为满足结构受力及变形需要，本桥在索塔横梁顶设置了承压20000KN，在辅助墩及过渡墩顶设置了承压12500KN，承拉1000KN的大墩位减振型拉压支座。支座450mm。（4）斜拉索类型通过初步设计阶段比选，本桥采用造价相对较底、施工较简便的平行钢丝斜拉索，为双层PE防护、工场生产的成品索。6、科研试验与专题研究梅溪河大桥索塔高度达193m，为了确保工程施工和营运期安全可靠，大桥工程主管和建设单位委托有关科研机构作了相关科研试验和专题研究工作。(1)高强度C60混凝土试验研究为保证大桥混凝土的施工质量，研究在利用常规原材料和制作手段条件下确定最优的混凝土配合比试验分析和专题研究，提出各种外添加剂的合理用量等问题。(2)为了保证索塔锚索区在拉索水平分力作用的安全性