乐清湾跨海大桥斜拉桥总体设计

夏云龙,黄 斌

(浙江省交通规划设计研究院,杭州 310006)

乐清湾跨海大桥斜拉桥总体设计

夏云龙,黄 斌

(浙江省交通规划设计研究院,杭州 310006)

乐清湾跨海大桥斜拉桥是一座双塔双索面叠合梁斜拉桥。介绍了大桥的工程特点、桥型方案、技术标准、总体布置，并采用Midas Civil对结构进行分析计算，为我国跨海大桥的建设，提供了有益的工程经验。

叠合梁；斜拉桥；设计；结构计算

1 工程概况

乐清湾跨海大桥斜拉桥是乐清湾跨海大桥2号桥的主通航孔桥，全长685m，位于浙江乐清湾北部，连接玉环、乐清两县市，是浙江乐清湾大桥及接线工程的控制性工程，也是浙江省“两纵两横三绕三通道十八连”高速公路网中“一连”的重要组成部分。大桥的建设，为加快东部沿海港口和沿海产业带公路快速通道的完成，以及加快实施浙江省融入长三角及海西经济圈、大力发展海洋经济以及环杭州湾和温台沿海产业带的发展战略起到重要的作用。

图1 乐清湾跨海大桥

2 建设条件

2.1 气 象

桥址区位于浙东南沿海，属亚热带季风气候区，具有季风显著、四季分明、温暖湿润、雨量丰富、台风频发的气候特点。

2.2 水文

桥址处潮差大，潮流属非正规钱海半日潮流类型，且具有较显著的往复流运动形式。桥址区域为我国每年热带气旋多发地带，对当地的海浪影响较大，而乐清湾内几乎不受外海浪影响，百年一遇设计风速百年一遇高潮位组合下有效波高为2.5m。

工程区域的垂向平均盐度在25.6847%～25.7525%之间，最高盐度为26.4512%，最低盐度为24.8609%。

2.3 工程地质

桥址区位于浙东南沿海，跨越乐清海域及岛屿区，海域主要地貌类型为潮滩、水下浅滩，靠近茅埏岛附近局部形成水下深潭。

桥址区属海湾区，第四纪地层厚度较大，中上部以海相淤泥质土、淤泥及软-流塑状黏性土夹层或透镜体。整个桥址区下伏岩层为前第四纪侏罗系凝灰岩，基岩顶面标高约-130m。

3 技术标准

(1) 公路等级：双向六车道高速公路

(2) 设计速度：100km/h

(3)设计荷载：公路-Ⅰ级

(4)通航情况：设计最高通航水位5.45m；设计最低通航水位-3.70m；通航净空尺度280×35.5m(宽×高)

(5)设计基准期：100年

(6)地震：地震基本烈度为VI度

(7)风参数：桥址处距地面10m高处百年一遇基本风速40.1m/s

(8)设计潮水位：设计高潮位3.74m；设计低潮位-2.94m

4 桥型方案

4.1 主要控制因素

(1)工程区域为台风多发区，平均每年3个，桥址区10m高度设计基准期风速40.1m/s，施工和运营阶段的抗风安全至关重要。

(2)桥位处为典型的海洋性环境，结构耐久性要求高。

(3)中风化埋深130m。中下部地质条件较好，为中密圆砾层及卵石层，可做为桩基持力层，上部覆盖层较厚，为淤泥质黏土及软塑黏土。

(4)桥位处潮差较大，平均潮差5.0m，最大潮差可达8.0m。

(5)平均潮水位时水深在9～13m之间，涨潮流速及波高均不大，船舶运输和作业条件好。

(6)景观要求较高，大桥建成后将成为乐清湾的地域名片，是区域新的人文景观。

4.2 总体思路

桥型方案的选择紧紧围绕“安全、适用、美观、经济、环保”的建设方针展开，具体如下：

(1)注重耐久性设计，并切实立足于“可到达、可检查、可维护、可更换”的四可理念，保证大桥的使用寿命。

(2)重视结构抗风性能，行车风环境及相应对策研究，确保大桥施工及运营期安全。

(3)结合本桥位建设条件，选择适宜于大型化、工厂化、装配化的桥型方案，尽量缩短海上作业时间，降低施工难度和施工风险。

(4)施工质量容易保障，后期发生病害少。

(5)注重与自然状态、人文环境的和谐、统一，重视景观设计，力求造型美观，与周围环境协调。

4.3 桥型方案选择

综合考虑本桥的控制因素，设计时提出斜拉桥、拱桥和悬索桥的三个方案。通过对三个方案从结构受力特点、施工难度、后期养护、经济性及景观效果的方面进行全面比较，主跨365m跨径是斜拉桥的经济跨径，设计、建设技术成熟，造价经济，各方面适应性均相对较优。斜拉桥索塔景观造型将成为跨海大桥地标性建筑，提升项目景观效果。因此选择斜拉桥方案作为乐清湾跨海大桥2号桥主桥的桥型方案。

5 桥梁结构设计

5.1 总体布置

乐清湾跨海大桥桥型方案采用双塔整幅叠合梁斜拉桥，跨径布置为(70+90+365+90+70)m=685m，边中跨比0.438，边跨设辅助墩。桥面位于半径R=18000m、切线长T=414m、外矢距E=4.761m的圆弧竖曲线上。顶板设2%单向横坡，利用主梁内外侧腹板高度差来实现，主梁底板保持水平。斜拉索采用空间索面布置，梁端标准索间距为10.5m，边跨靠近尾索区索间距为9m、7 m。

图2 桥型布置图

5.2 约束体系

约束体系采用半漂浮体系，在索塔及过渡墩墩顶设置竖向支座及横向抗风支座，辅助墩墩顶设置竖向支座。在索塔主梁连接处设置纵向限位挡块和普通阻尼器，纵向限位挡块主要是在全桥承受纵向风荷载、汽车活载(包含制动力)作用时限制主梁和索塔的相对位移，从而减小索塔根部及基础的弯矩并减小梁端伸缩装置的型号；普通阻尼器则是在全桥承受地震作用的时候，通过改变结构的动力特性并消散地震能量，以此实现减震消能的目的。

5.3 主 梁

主梁采用分离式双边箱(PK式)流线形扁平钢箱叠合梁，钢梁外侧设置风嘴。主梁含风嘴全宽38.5m，中心梁高为3.2m，中心线处钢梁梁高2.8m。混凝土桥面板通过剪力钉与钢梁共同受力形成叠合梁，桥面板纵向按全预应力构件设计，横向按普通钢筋混凝土结构设计。斜拉索梁端锚固采用钢锚箱方式。

图3 主梁标准横断面

5.4 斜拉索

斜拉索采用抗拉标准强度为1770MPa平行钢丝斜拉索，根据索力的不同，采用不同的规格，拉索最长200.824m，单根最大重量为16077kg(M16号索，型号为LES7-265)。全桥共128根斜拉索。所有斜拉索两端在套筒内均设置内置阻尼器，长度120m以上斜拉索除设置内置阻尼器外，还在梁端安装外置阻尼器减振装置，斜拉索表面设置防风雨振双螺旋线。

斜拉索在主梁上采用钢锚箱锚固，在索塔上采用钢锚梁构造锚固，张拉端设置在塔端。

5.5 主塔设计

主塔基础采用桩基接承台的结构形式。每个索塔承台下设置32根直径2.5m的钻孔灌注桩基础，梅花形布置，按摩擦桩设计。桩基础采用桩端后注浆，考虑注浆对单桩轴向受压承载力的提高作用。桩基础采用C35水下混凝土。RZ3号墩桩长111m，持力层为⑥-3圆砾层，RZ4号墩桩长111m，持力层为⑥-3圆砾层。

索塔承台采用整体式八边形承台，外轮廓尺寸为47m×26m(横×顺)，厚度为6m，承台顶面设计标高为+5.45m。索塔承台顶面设置高度为2.5m的塔座，塔座顶面设计标高为+7.95m。承台采用C40混凝土，塔座采用C45混凝土。

图4 索塔基础平面图

索塔塔身采用钻石型塔身，由下塔柱、上塔柱、塔冠合并段(索塔上横梁)和下横梁组成。索塔采用C50混凝土。索塔塔柱总高145.35m，其中下塔柱(塔底至下横梁高度中心)高31.15m，上塔柱(下横梁中心至塔顶合并段下缘)高108.2m，塔冠合并段高6.0m。总体横桥向尺寸：塔顶处10m，下横梁中心处48.7m，塔底处31.5m。总体顺桥向尺寸分为两端，上段60m为等宽段，宽度7m，下段85.35m为线性加宽段，宽度从7m增加至塔底的10m。

索塔下横梁设在主梁下方，顶部标高42.100m；横梁采用箱形断面，高6.0m，顶面宽7.800m，底面宽8.011m，腹板壁厚1.0m，顶、底板壁厚1.0m。索塔上横梁顶部标高153.300m；横梁采用实心断面，高6.0m，宽7.0m。

图5 索塔立面图

6 主体结构计算

6.1 结构模拟

全桥总体静力分析采用Midas Civil空间杆系程序，以理论竖曲线为基准进行结构离散，考虑斜拉索垂度、P-Δ效应及大位移效应等非线性因素，下图为全桥分析模型。

图6 计算模型

边界条件如下：

(1)主梁过渡墩、辅助墩均为纵向活动、竖向横向约束，主梁与索塔竖向横向均设置支座，纵向设置限位阻尼器。

(2)塔底按照固结模拟。

6.2 荷载组合

(1)上部结构验算主要考虑以下三种荷载组合：

组合1：永久作用+汽车荷载

组合2：永久作用+汽车荷载+温度作用+运营风荷载(纵向)

组合3：永久作用+汽车荷载+温度作用+运营风荷载(横向)

(2)下部结构验算主要考虑以下9种荷载组合，其中组合6、9仅用于基础承载能力验算。

组合1：永久作用+汽车荷载

组合2：永久作用+汽车荷载+温度作用+运营风荷载(纵向)

组合3：永久作用+汽车荷载+温度作用+运营风荷载(横向)

组合4：永久作用+百年风荷载(纵向)+温度作用

组合5：永久作用+百年风荷载(横向)+温度作用

组合6：永久作用+百年风荷载(纵向)+波流力(纵向)

组合7：永久作用+百年风荷载(横向)+波流力(横向)

组合8：永久作用+汽车荷载+温度作用+运营风荷载(纵向)+船撞力(纵向)

组合9：永久作用+汽车荷载+温度作用+运营风荷载(横向)+船撞力(横向)

6.3 主要计算结果

6.3.1 主 梁

(1)混凝土桥面板正截面抗裂验算

在短期荷载作用下，混凝土桥面板上缘最小压应力为-0.7MPa，下缘最小压应力为-0.29MPa，满足规范全预应力构件在短期组合作用下σst-0.85σpc≤0的要求。

图7 混凝土桥面板短期正应力(单位：kPa)

(2)混凝土桥面板正截面应力验算

在荷载标准组合作用下，混凝土桥面板上缘最大压应力为-17.2MPa，下缘最大压应力为-9.7MPa，满足规范预应力构件在标准组合作用下σkc+σpc≤0.5fck=17.75MPa的要求。

图8 混凝土桥面板标准正应力(单位：kPa)

(3)钢梁正截面应力验算

在荷载标准组合作用下，钢梁上缘最大压应力为-164.5MPa，最小压应力为-25.6MPa，下缘最大压应力为-147.1MPa，最大拉应力为77.4MPa，均小于Q345钢材容许应力210MPa，满足规范的要求。

图9 钢梁标准正应力(单位：kPa)

(4)主梁刚度验算

主梁在汽车荷载作用下的主跨向下最大挠度为259.7mm，向上最大挠度为41.8mm，挠跨比为(259.7+41.8)/365000=1/1181，满足规范挠跨比不超过1/400的要求。

图10 主梁活载竖向位移(单位：mm)

6.3.2 斜拉索

斜拉索在成桥状态、运营状态标准荷载作用下的最大最小索力及汽车荷载作用下的应力幅如下表所示。斜拉索安全系数均大于2.5，活载应力幅均小于200MPa，满足规范要求。

图11 拉索轴力(单位：kN)

6.3.3 索塔及基础

(1)索 塔

塔柱计算截面如图12所示，共计5个截面。

图12 塔柱计算截面

计算各个截面控制工况的抗弯承载能力，塔柱的抗弯承载能力满足规范要求，其中3-3断面为最不利断面，轴力188707kN，弯矩379609kN·m,安全系数2.15。

塔柱的裂缝宽度验算满足规范要求，最大裂缝宽度为0.14mm。

(2)桩基础

桩基的抗弯承载能力如下表。计算表明，桩基的抗弯承载能力满足规范要求。

表1 桩基抗弯承载能力

单桩轴向受压承载能力验算，索塔桩基顶基本组合最大轴力为20475kN，附加组合最大轴力为31333kN。复核单桩轴向受压承载力，并考虑后压浆提高效应，侧阻力增强系数βs=1.8，端阻力增强系数βp=2.3，基本组合桩顶承载力为28586kN，附加组合桩顶承载力为37388kN，安全系数1.19。桩基竖向承载能力满足相关规范要求。

7 结 语

乐清湾跨海大桥已于2014年7月开工，预计2017年底完成建设。大桥为浙江玉环县打通了向西的大门，为浙江沿海板块提供了一条便捷的快速交通，也为促进沿海板块的经济发展提供了重要支持。同时乐清湾跨海大桥作为一座内海跨海斜拉桥，其设计及工程实践为今后我国的跨海桥梁建设提供了有益的经验。

[1]浙江省交通规划设计研究院.浙江乐清湾大桥及接线工程两阶段施工图设计[Z].杭州：浙江省交通规划设计研究院，2014.

[2]蔡向阳，肖威，赵志平.新疆果子沟钢桁梁斜拉桥总体设计及关键技术[J].公路，2012,(5):148-154.

[3]高宗余.东海大桥主航道桥斜拉桥总体设计[J].预应力技术，2011,(2):3-5,19.

General Design of Cable-Stayed Spans of Yueqing Bay Sea-Crossing Bridge

XIA Yun-long,HUANG Bin

(Zhejiang Provincial Institute of Communications Planning, Design & Research, Hangzhou 310006，China)

The Yueqing bay sea-crossing bridge is a cable-stayed bridge with double diamond-type pylons,double cable planes, composite beam and the main span (70+90+365+90+70) m. And it is a half floating structure with six lane of 38.5 m in width.This paper introduces mainly the project characteristics, bridge type, technical standards, global dispose and structural calculation by Midas Civil. It is writing to provide a beneficial project experience in the construction of the sea-crossing bridge.

composite beam；cable-stayed bridge；design；structural calculation

2016-11-04

夏云龙(1983-)，男，浙江文成人，工程师，硕士，E-mail：178305938@qq.com。

U448.27

A

10.3969/j.issn.1671-234X.2016.04.004

1671-234X(2016)04-0019-06