重庆笋溪河大桥钢桁梁悬索桥设计

李 林，陈奉民，郑升宝，李忠评

(中铁长江交通设计集团有限公司，重庆 401121)

笋溪河大桥位于重庆市江津区柏林镇水浒村，跨越四面山笋溪河，为典型的山区峡谷地貌，地形陡峭，起伏很大，桥面至河谷高差超过280 m,为重庆第一高桥，也是重庆江津至贵州习水高速公路项目关键控制性工程。大桥全长1 578 m，主桥为单跨660 m简支钢桁梁悬索桥[1]，桥面宽度按照双向4车道高速公路设计，设计速度80 km/h，设计荷载公路-Ⅰ级，设计基准风速[2]29.3 m/s。

1 总体设计方案

桥位区为不对称”V”型山谷，地形起伏较大，江津岸较陡峭，习水岸稍平缓，桥面设计高差距离地面高差较大，最大达到280 m，河谷宽度约550 m，欲跨越此河谷，只有悬索桥和斜拉桥才是最合适的桥型方案[3]。

斜拉桥方案主桥为连续梁结构，边跨和中跨比例需在一定的合理范围，江津岸主塔需设置在陡坡上，该边坡裂隙发育，地质风险较大，处治费用高；习水岸主塔虽地形地质条件较好，但习水岸边跨在平曲线范围内，对结构不利，施工难度大。

悬索桥方案主跨在直线上，跨越能力大[3]，一跨跨过不良地质段，钢桁梁能较好地适应山区艰难的运输条件[4]，缆索吊装对施工场地要求较低，适应性强。经综合必选，最终确定660 m单跨钢桁梁悬索桥方案作为实施方案。

大桥平面线形及纵断面设计由线路总体确定[5]，主桥及江津岸引桥位于直线段上，习水岸引桥部分位于半径为650 m的圆曲线及其缓和曲线上，主桥纵断面为1.35%的单向纵坡。桥梁全长 1 578.0 m，桥跨布置为7×40 m(T梁)+660 m(悬索桥)+(90+90)m(T构)+11×40 m(T梁)；主桥两岸主塔均位于地质较好的平缓之地，锚碇均采用重力式锚碇，为避免习水岸曲线段上引桥对锚碇和主缆影响，对12#引桥桥墩特殊设计，由4个墩柱优化为3个墩柱并调整墩柱间距避开冲突位置。全桥总体布置见图1。

单位: m

2 结构支承体系设计

支承体系设置是否合理，不仅影响结构安全，还影响结构耐久性和使用寿命。根据本桥受力特点，为消除单向纵坡的不利影响、减小梁端位移、提高结构抗震性能，在梁端桥塔处设置新型复合型粘滞性阻尼器，低速状态下有一定弹性刚度，高速状态时高阻尼耗能。钢桁梁两端在主塔中横梁上设置竖向支座拉压球型钢支座(抗压3 600 kN、抗拉1 000 kN)，在钢桁梁上、下弦杆与塔柱侧面设置横向抗风球型钢支座，兼横向抗风支承及抗震横向限位功能。

3 桥塔设计

桥塔采用钢筋混凝土塔柱结构，外形为门形框架[1，4-5]。江津岸桥塔，根据实际地形地质情况，为便于承台施工，两塔柱采用不等高型式，左侧塔柱高139.7 m，右侧塔柱高129.7 m，塔柱承台之间不设系梁。习水岸桥塔，塔柱为等高设计，塔柱高190.7 m，塔柱之间设3道横梁。塔柱采用箱梁截面，横桥向尺寸为5.6 m，顺桥向尺寸由塔顶的7.0 m，按照1/155的坡率线性增大到塔柱底。

基础为分离式承台桩基[6]，承台上均设置3 m厚塔座。江津岸桥塔承台尺寸为18 m×20.8 m×6.0 m，每个承台布置9根Φ2.8 m钻孔桩基础；习水岸桥塔承台尺寸为20 m×22.4 m×6.0 m，每个承台布置12根Φ2.5 m钻孔桩基础。江津岸桥塔见图2(a)，习水岸桥塔见图2(b)。

(a)江津岸桥塔

4 缆索系统设计

4.1 主缆设计

主缆计算跨度为(215+660+268)m，成桥状态下中跨主缆垂跨比采用1∶10。

主缆采用预制平行钢丝束股[7]，2根主缆的中心间距28.0 m，每根主缆由106束91根Φ5.1 mm高强钢丝索股组成。考虑20%空隙率，主缆束股挤紧后外径为560 mm。主缆钢丝采用极限抗拉强度为1 770 MPa的高强度镀锌钢丝。单束索股采用91根Φ5.1 mm高强钢丝，为规则的正六边形截面，锚头采用热铸锚。单根索股长约1 197.42 m，运输重量约17 t，主缆采用PPWS法施工。

4.2 吊索

吊索纵向水平间距8.0 m，横向水平间距28.0 m。每一吊点设置1根吊索，吊索为挤包护层扭绞型拉索，截面为91丝Φ5.3 mm低松弛镀锌平行钢丝束，钢丝极限抗拉强度为1 770 MPa。两端铸以热铸锚，材质选用40 Cr。上端锚头顶部做成耳板与索夹连接，下端锚头采用球型螺母和垫板锚固于加劲梁上的锚箱以适应运营时吊索与主梁间的相对转动，并可通过调节下端的螺母位置对吊索长度进行调整。吊索采用双层PE护套进行防护。吊索构造见图3。

单位：m

4.3 索夹及缆套

索夹采用销接式，选用上、下两半对合的型式。上、下索夹连接采用M27高强度螺杆，两端配M27的螺母、垫圈，接缝处嵌以橡胶防水条防水。主缆缆套为喇叭形管状钢套，缆套沿纵向分为上下两半，两半之间采用螺栓夹紧连接,缆套安装在封闭索夹和主鞍罩之间。

4.4 主索鞍及散索鞍

主索鞍鞍体采用全铸型结构，鞍体下设不锈钢板-聚四氟乙烯板滑动副，以适应施工中的相对移动。塔顶设有格栅底座，以安装主索鞍。格栅悬出塔顶以外，以便安置控制鞍体移动的千斤顶，鞍体就位后将格栅的悬出部分割除。为减轻吊装运输重量，将鞍体分成两半，半鞍体吊装重量不超过40 t，吊至塔顶后用高强度螺栓拼接。索鞍构造见图4。

(a)主索鞍立面

散索鞍为摆轴式，鞍体采用铸焊结合的结构方案，鞍槽用铸钢铸造，鞍体由钢板焊成。

5 钢桁梁及桥面板设计

5.1 加劲梁型式选择和桥面板比选

悬索桥钢桁梁主桁型式均集中在华伦桁梁[8]，唯一的变化是有无竖杆。若有竖杆对抗扭更有利，大节段吊装更方便，绝大多数悬索桥均采用此型式；若无竖杆则通透性更好，但节段吊装时需要增加临时竖杆等措施，适合对景观有特别要求的桥梁，施工较复杂。本桥为山区悬索桥，为施工方便，同时增加抗风抗扭能力，主桁采用带竖杆华伦梁。

钢桁梁桥面板有多种，目前大多数悬索桥按材料可分为2大类：1)组合梁桥面板；2)正交异性钢桥面板；正交异性钢桥面按照桥面板是否参与结构第一体系受力，又可分为2类：(1)板-桁分离结构；(2)板-桁结合结构。本桥在桥面系选择时进行了细致比选，组合桥面板与正交异性钢桥面板相比，桥面铺装相对简单，但自重比钢桥面大得多，主缆承受的恒载重量增加约40%，虽然桥面铺装及桥面板费用节省，但缆索系统、锚碇系统、主塔均有不同程度增加，本桥综合费用增加约4 100万，且需要大量桥面板预制场地，工期也更长。

板桁分离钢桁梁受力明确，技术成熟，为国内外绝大多数悬索桥首选；板桁结合型加劲梁，桥面板不仅参与直接承受车轮荷载，还直接参与整体受力，受力复杂，在斜拉桥和拱桥等刚度较大桥型结构中运用较多，大跨悬索桥刚度较低，板桁结合型钢桁梁受力更为复杂，其设计理论及方法缓慢，应用较少，其关键技术尚需进一部研究和验证。另外，板桁结合加劲梁，现场需要较大的场地，工地需要大量焊接，焊缝质量控制难度更大。

综合本桥所处的建设条件，桥面系选择为经济性更好、技术更成熟、场地要求低、质量容易控制的板桁分离钢桥面板。

5.2 钢桁梁及桥面板设计

钢桁架由主桁、横梁、上下平联、下弦检修道等组成。主桁为带竖腹杆的华伦式结构[8-12]，由上弦杆、下弦杆、竖腹杆和斜腹杆组成，上、下平联采用交叉型。横梁为桁架结构，计算跨度28 m，由上、下横梁及斜腹杆组成。为加强抗风稳定性，在主桁横梁上弦中心处设置抗风稳定板，板高1 000 mm，厚度16 mm。

主桁桁高5.5 m，桁宽28 m，节间长度4 m。一个标准节段长度16 m，由4个节间组成，每个节间4 m。每2个节间设置1个吊点，并设置1道横梁。由于主桁杆件受力不大，弦杆、斜杆和竖杆均采用制造简单、拼装方便的‘H’形截面。

桥面板采用钢正交异性板桥面，左右分为2幅，每幅宽13 350 mm。桥面板由顶板、U肋、纵梁等组成。顶板厚16 mm，“U”形纵向加劲肋，间距600 mm，高280 mm，板厚8 mm；每幅桥面板设3道纵梁，纵梁高900 mm，腹板厚14 mm，下翼缘500 mm×20 mm，腹板上端与顶板焊连；沿桥纵向每8 m范围内设4道横肋，横肋高900 mm，腹板厚12 mm，下翼缘340 mm×16 mm。加劲梁标准断面见图5。

单位：m

5.3 加劲梁及桥面板施工方案

加劲梁采用整节段，缆索吊装施工[4，9，12]。加劲梁划分为标准段、跨中段和端节段，一共41个节段，吊装重量约120 t～180 t。桥面板分左幅、右幅，一共82个节段，节段吊装重量约30 t～40 t、钢桁梁及桥面板为Q345D钢材，用钢量约11 000 t。

加劲梁由跨中向两端逐次吊装，吊装完成7个节段，将已完成的梁段上弦刚接，下弦不连接，以后每吊装一节段，均上弦刚接下弦不连接。钢桁梁吊装完成后，安装桥面板支座，然后由1/4跨向两侧对称吊装桥面板，吊装完成、线形调节满足要求后将钢桁梁下弦连接，完成刚接。

6 锚碇系统设计

两岸锚碇均采用嵌岩重力式锚碇，锚座基础利用中风化岩层作为基础持力层，江津岸侧锚碇长60.7 m，宽43 m，混凝土方量约57 900 m3，土石挖方约16.7万m3；习水岸锚碇长54.0 m，宽43 m，混凝土方量约50 830 m3，土石挖方约13万m3。

主缆锚固系统采用预应力钢绞线索与合金钢锚固连接器组合形式，主缆束股经散索鞍散开后，由合金钢锚固连接器连接到锚体内的预应力钢束上。分单锚杆连接器和双锚杆连接器，单锚杆对应于1根16束Φs15.20 mm预应力钢绞线，双锚杆对应于1根31束Φs15.20 mm预应力钢绞线。

7 主桥重难点结构设计

大桥设计过程中遇到一系列重难点问题，通过结构分析和专题研究，优化结构方案设计，主要有以下几方面。

1)抗风稳定性的结构设计

笋溪河大桥跨度大、自振频率低，对风的作用敏感，极易发生强烈的抖振、涡振，甚至出现导致全桥失稳的颤振。因此，施工和运营中的抗风安全是本桥结构设计的控制因素之一[2，13]。该桥两岸为悬崖峭壁，地势险峻，与沿海和平原地区的自然风相比，山区峡谷有阵风强烈、湍流强度大、风攻角大、风速沿桥轴线分布不均匀等特点，抗风稳定性极为复杂。在钢桁梁节段模型风洞试验中[2]，发现在成桥状态风攻角为+3°、-5°时的颤振临界风速分别为46.97 m/s和39.32 m/s，均低于该桥的颤振检验风速47.8 m/s，不符合规范要求，且颤振属于发散型振动，必须调整结构气动外形或增设气动措施，提高结构抗风性能使其满足要求。通过对结构气动外形的抗风性能进行多次试验和分析，最后将原来整幅式桥面板优化为分幅式桥面板，同时在钢桁梁上横梁中间设置风稳定板，并再次进行抗风性能试验，颤振临界风速50.3 m/s大于本桥的检验风速47.8 m/s，其余各项抗风性能也满足规范要求[2]。原设计桥梁横断面见图6，抗风优化后桥梁横断面见图7。

单位：cm

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2)主桥桥面单向纵坡设计

大多数悬索桥以主桥跨中为变坡点设置凸形竖曲线和双向纵坡，主缆在桥塔支承处IP点等高，这样设计的优点是以桥跨中心线为对称轴，上部结构左右半跨为对称结构，设计和施工相对较容易。但本项目路线总体设计时，本桥靠近省界终点，受重庆和贵州签署的路线接线协议限制，路线接线标高已经确定，故本桥纵坡设计时只能单向坡，坡率为1.35%。

单向坡带来的不利因素是：(1)由于桥梁跨度大，导致两岸桥塔处主桥设计标高相差9 m；(2)在恒载和可变荷载、偶然荷载综合作用下，梁端纵向位移与常规情况相比偏大。为克服不利影响，若仍然按照常规做法，两岸桥塔顶部IP点按高程相同进行设计，上塔柱高差将达到9 m，不仅刚度相差较大，而且因主塔高度增加导致造价增加。经深入结构分析，本桥在国内同类桥中首次采用IP点不等高设计[13-14]，不仅结构受力满足要求，主塔高度也减少9 m，节省造价数百万。同时为克服单向纵坡导致多种荷载组合作用下桥梁纵向位移过大，采用新型高阻尼、长行程、带弹性刚度复合阻尼装置，较好控制了梁端位移，增强了伸缩装置的耐久性，同时也提高了结构抗震性能。

3)钢桁梁连接方案设计

加劲梁在吊装过程中主缆变形大，非线性效应非常明显，需要特别注意钢桁梁杆件局部受力和梁段的位移变化，同时考虑吊装过程中的抗风安全。常规的钢桁梁连接方法主要有铰接法、逐次钢接法、分段钢接法[15]，合理的连接顺序不仅可以减少杆件的施工附加应力，还能加快施工进度，确保安全。通过分析上述3种常用连接方法可知，逐次刚接法上下弦杆附加应力太大，超过材料强度，不可行；设铰的分段钢接法，杆件受力不均，铰处受力较大，需临时加强，施工复杂；绞接法，各杆件受力较小，连接方便，但施工较慢。经过反复试算分析，优化了铰接法，提出适合本桥的连接方案，提高了施工效率和质量。

其具体连接方案是：前15个钢桁节段安装时，上弦铰接，下弦不连；之后钢桁节段安装，上弦刚接，下弦不连；钢桁梁及桥面板吊装完成，梁段线形达到成桥线形后，刚接下弦和桥面板。在施工工程中采用本连接方案，施工非常顺利，桥面线形控制精度也很高。

4)桥塔横向不等高塔柱设计

江津岸桥塔所处位置横坡陡峭，上下游塔柱处高差相差较大，2个塔柱高度相差10 m，桥塔两塔柱采用不等高设计，承台不设系梁。桥塔不等高塔柱能更好地适应地形地质条件，减少开挖，降低防护工程量，节省造价，保护环境，见图2(a)。

8 结束语

本文以笋溪河大桥为例，介绍了该桥的方案设计、主要结构设计及设计中遇到的重难点问题，主要认识如下：

1)山区峡谷地带，地形复杂，交通运输艰难，施工场地狭小，在600 m以上大跨度的桥型中，选择钢桁梁悬索桥方案具有良好的适应性。

2)山区大跨悬索桥抗风稳定性是控制设计因素之一，桥面板采用分幅式设计并设置抗风中央稳定板对大桥的抗风稳定性十分有利。

3)主塔采用IP点不等高设计及梁端设置高阻尼、长行程、带弹性刚度的粘滞性复合阻尼装置能较好地解决单向纵坡的不利影响，提高大桥的结构受力性能。

4)钢桁梁连接方案采用改进的铰接法，既减小了施工附加应力，又提高了施工效率。

5)主塔因地制宜，横向采用不等高设计，既减少了开挖、节省了造价，又保护了环境。

笋溪河大桥2014年底完成施工图设计，2015年开工，经过3年的建设，于2018年6月份建成通车，通车3年多来运营良好，该桥的建成经验可供同类工程参考。