跨海单索面钢混组合梁斜拉桥设计关键技术

杨成峰，王少勋，高恩全

（1.浙江数智交院科技股份有限公司，浙江 杭州310030；2.舟山市交通工程试验检测中心有限公司，浙江 舟山316021）

0 引言

近几十年来，城市化进程越来越快，与之密切相关的现代交通也得到了飞速的发展。现代交通的发展离不开道路设施的建设，而桥梁结构作为道路交通的咽喉，起到了至关重要的作用。斜拉桥以其强大的跨越能力、良好的抗风性能、成熟的施工工艺以及优美的景观效果越来越多的应用于桥梁建设中，斜拉桥修建数量急剧增加，跨径也不断增大。

斜拉桥已成为跨越海峡一种重要的桥型结构，钢混组合梁斜拉桥作为其中的一种类别，也得到了快速的发展。钢混组合梁斜拉桥充分利用了钢结构良好的抗拉性能和混凝土结构良好的抗压性能，基于混凝土桥面板良好的受压性能，改善了主梁的抗压、抗弯性能以及主梁的整体刚度；很好地解决了钢箱梁桥面铺装易损坏的问题；自重较混凝土梁轻，大大提升斜拉桥的跨越能力；解决了混凝土梁易开裂、耐久性差的缺点。因此，钢混组合梁斜拉桥在世界范围得到了广泛的应用[1]。

本文依托舟山市富翅门大桥，针对跨海单索面钢混组合梁斜拉桥结构体系及受力特点，对主梁结构设计、施工技术、抗风稳定性以及结构耐久性设计等关键问题开展了探讨分析。

1 工程概况

舟山市富翅门大桥[2]起点接甬舟高速富翅互通，设富翅门大桥跨富翅门水道，终点顺接舟山329国道，并设岑港互通顺接宁波舟山港主通道工程。富翅门大桥按双向四车道高速公路等级设计，标准段桥面全宽27.5 m，设计速度为80 km/h，设计荷载等级公路-Ⅰ级，设计基准风速40.5 m/s，地震基本烈度Ⅶ度。通航等级为500吨级，通航净空宽度180 m，净高21 m。

桥位区气候条件复杂，灾害天气频繁，台风登陆频繁，风力大、风况复杂；地形条件复杂，水下地形呈“V”型，最大水深达56 m；桥位与航道轴线存在一定夹角，且位于航道弯道处。通过综合比选，设计确定了跨越能力大、抗风性能好、造型美观的双塔单索面钢混组合梁斜拉桥方案，跨径组合57 m+108 m+340 m+108 m+57 m，总体布置见图1。

图1 富翅门大桥主桥总体布置（单位：m）

2 钢混组合梁结构设计

2.1 主梁结构设计

组合梁斜拉桥主要断面形式[3]有肋板式钢混组合梁、分离式双箱钢混组合梁、半封闭钢箱组合梁以及单箱三室钢混组合箱梁。由于肋板式钢混组合梁、分离式双箱钢混组合梁、半封闭钢箱组合梁均仅适用于双索面斜拉桥，而本桥由于岑港侧边跨变宽的限制采用了单索面的形式，故主梁采用了单箱三室钢混组合箱梁结构。该断面受力特点为结构整体性好、抗扭性能佳，具有良好的抗风性能。组合箱梁结构为封闭截面，相对于开口截面，具有良好的抗腐蚀、耐久性性能，能有效减少后期的养护费用，所以较多的应用于跨海桥梁中。

钢混组合梁采用单箱三室箱形截面，见图2。标准节段主梁顶板宽27.5 m，底板宽16.24 m，中心线处梁高3.5 m，顶面设置2%双向横坡。主梁由钢主梁和混凝土桥面板两部分组成。

图2 主梁标准横断面（单位：m）

钢主梁中心线处梁高2.95 m，底板宽16.24 m，顶板全宽20.3 m，由斜腹板、纵隔板、底板组成开放式单箱三室结构。斜腹板厚度为20 mm，纵隔板厚度为24 mm，底板厚为16 mm。斜腹板与底板上均设置开口宽300 mm、高280 mm，板厚6 mm的U型肋，标准间距为700 mm。纵腹板上纵向设置L型肋，板厚10 mm，间距为400 mm。在斜腹板与纵隔板顶上分别设置宽度为800 mm和3 600 mm的主梁面板，板厚24 mm。

混凝土桥面板两侧悬臂长度各为4 m，悬臂板端部厚度为20 cm，边腹板顶80 cm宽和中箱直腹板360 cm宽的厚度为55 cm，边箱跨中顶板厚度为28 cm，长度455 cm，两边板厚变化段长度150 cm。

2.2 主梁节段预制拼装设计

为减少海上施工作业、提高施工质量，主梁采用节段预制、悬臂拼装施工[4]，在预制梁场完成钢结构的制作加工、混凝土顶板的浇注，并预留混凝土板的现场浇注宽度。

钢主梁由专业公司加工制作，混凝土桥面板在钢主梁上现浇生产，船运到现场。为减少钢混组合梁混凝土收缩、徐变造成混凝土开裂，影响结构耐久性，结合梁整体节段施工完成后应至少存梁6个月后方可进行安装，同时在主梁桥面板C60海工混凝土内添加纤维素纤维。

主梁节段湿接缝采用UHPC超高性能混凝土，相比传统混凝土湿接缝，每节段施工周期可由13 d缩短为8 d，大幅提升悬臂拼装工效。

2.3 变宽段结构计算分析

富翅门大桥接岑港互通，受互通设置限制，富翅门大桥岑港侧边跨位于互通变宽段，主梁相应变宽至35.5 m。变宽段构造新颖、受力复杂，有必要通过有限元软件进行受力状态分析。采用ANSYS空间有限元模型进行计算分析，等宽段采用梁单元模拟，变宽段采用壳、实体单元进行精细化空间模拟，见图3。

图3 主梁变宽段模型

有限元分析结果表明，底板、底板U肋、腹板以及混凝土顶板全断面受压，底板最大压应力为66 MPa，腹板最大压应力为84 MPa，横隔板最大拉应力为85 MPa，混凝土顶板最大压应力7.4 MPa,结构受力良好。

3 抗风稳定性分析

主桥具有主跨跨径大、结构阻尼低、主梁为单索面布置等的特点，桥位所在的舟山地区为亚热带海洋季风季候，夏秋多台风，全年多大风，气象条件十分复杂。因此，桥梁结构的风致响应及抗风稳定性，是影响本桥施工安全和运营安全的重要问题。

3.1 结构动力特性分析

采用Midas/civil分析软件建立有限元模型，主梁、桥塔采用空间梁单元模拟，其中主梁采用组合梁截面，斜拉索采用空间杆单元模拟。计算主要对桥梁施工中最大悬臂阶段、运营阶段进行抗风稳定性分析。结构动力特性是抗风稳定性分析的基础，故首先要进行桥梁结构动力特性分析[5]。根据桥梁结构模型计算分析，动力特性计算结果见表1、表2。

表1 成桥阶段结构自振模态表

表2 最大悬臂状态结构自振模态表

3.2 抗风稳定性分析

根据桥梁抗风设计规范，动力特性计算所得扭转频率和设计基准风速等计算颤振稳定性指数[6]If=计算颤振稳定性指数成桥状态为3.4，最大悬臂状态为3.1。

当颤振稳定性指数If＜2时，可按抗风设计规范7.5.4条规定计算桥梁颤振临界风速，当颤振稳定性指数处于2≤If＜4时，可按规范7.5.4条规定计算桥梁颤振临界风速，也可通过节段模型风洞试验或虚拟风洞试验进行检验，当颤振稳定性指数4≤If＜10时，应进行主梁气动选型，并通过节段模型试验或全桥气动模型试验进行检验。

本桥颤振稳定性指数处于2≤If＜4范围，可按照抗风规范第7.5.4条、7.5.8条规定计算颤振临界风速及颤振稳定性检验Uf＞γfγtγαUd。成桥状态为Uf=125 m/s＞71 m/s，最大悬臂状态Uf=129 m/s＞71 m/s。计算表明成桥阶段和最大悬臂阶段颤振临界风速大于桥址处的颤振检验风速，桥梁抗风稳定性能满足规范要求。

4 海洋环境的结构耐久性设计

4.1 钢结构的耐久性设计

（1）防腐措施可以针对组合梁钢箱不同部位，选择不同的方法[7]。对于钢箱外表面，采用金属喷涂重防腐，设计使用年限须达到30～40 a。钢箱梁底设置养护行车，便于运营期间检查和维护以及施工期间梁底作业。

（2）钢箱内壁构造复杂，表面积大，箱体密闭，空气不流通。设计考虑采用除湿防腐，使箱内空气相对湿度保持在50%以下，钢结构表面长期处于干燥空气环境中，防止钢板表面锈蚀。

4.2 混凝土结构的耐久性设计

（1）结构混凝土均采用海工耐久性混凝土，对海工混凝土的材料选择、配置要求作详细规定，检测指标参见表3。

表3 海工耐久混凝土抗氯离子渗透性要求（12 W龄期）

（2）浪溅区和水下混凝土掺加阻锈剂、海水耐蚀剂。严格控制钢筋保护层厚度，保留施工用钢护筒作为永久结构等措施，来增加钻孔灌注桩的防腐性能。

（3）上部梁板及桥墩墩身、盖梁、承台等表面进行防腐蚀涂装。

4.3 钢-混凝土结合部位的耐久性设计

为了提高钢-混凝土结合部位的密封性能，全桥所有结合面周边均填充硫化型橡胶密封剂。同时，覆盖混凝土的钢梁上翼缘上表面两侧部分涂装环氧玻璃鳞片漆，环氧玻璃鳞片漆具有优异的耐水和耐化学品渗透，高附着力和机械强度，能有效抵抗界面的错动，且具有良好的防腐性能。

4.4 维护和检修设施

在桥梁运营期间应对结构进行定期的维护和检修。检修和维护通道就是对该工作能够得以进行的基本保证，检修和维护通道在桥梁结构设计时统一考虑，主梁内设置检修通道，主梁外侧设置桥检车，主塔内设置爬梯、电梯等。

5 结 语

富翅门大桥是甬舟高速进入舟山本岛的主要门户，桥址区建设条件恶劣，对结构质量和耐久性要求高。受互通设置限制，主桥岑港侧边跨桥面宽度由27.5 m渐变为35.5 m，提出适用于单索面的单箱三室钢混组合箱梁截面，该断面结构具有良好的抗风性能和耐久性能。大桥践行工厂化设计理念，为减少海上施工作业、提高施工质量，主梁采用节段工厂预制、现场悬臂拼装施工，并在国内首次将超高性能混凝土应用到跨海钢混组合梁斜拉桥湿接缝，每节段施工周期由传统混凝土的13 d缩短为8 d，大幅提升悬臂拼装工效。建立有限元计算模型，对桥梁施工中最大悬臂阶段、运营阶段进行抗风稳定性分析，表明大桥具有良好的抗风性能。针对大桥所处的海洋环境，采取多项设计措施，全方位提升海洋环境下的桥梁结构耐久性。