The Overall Design of the Menggu Nujiang River Grand Bridge
袁少洋 YUAN Shao-yang；汪磊 WANG Lei；马健 MA Jian；夏支贤 XIA Zhi-xian
（云南省交通规划设计研究院有限公司，昆明 650041）
（Broadvision Engineering Consultants，Kunming 650041，China）
摘要：结合受控因素，勐古怒江特大桥主桥采用240m双塔空间扇形双索面分离式钢箱梁斜拉桥结构。索塔为钻石型箱型截面混凝土结构；主梁采用分离式钢箱梁结构。斜拉索采用镀锌平行钢丝成品索，设置减震器以抑制斜拉索振动；采用索塔端直接锚固于塔内混凝土齿块、梁端钢锚拉板与边腹板焊接的锚固形式。引桥采用40m标准跨径钢板组合梁，能有效加快施工速度和控制地震响应，促进钢结构在西南山区桥梁工程中的应用。
Abstract: Combining with the controlled factor, the main bridge of Menggu Nujiang River Grand Bridge adopts the structure of double tower and space fan of double cables with separated steel box stay cable bridge with 240m-main span. The cable tower is diamond shaped concrete structurer with box shaped cross section. The beam adopts separative steel box beam structure. The stay cable of bridge uses galvanized parallel steel wire finished cable, installing shock absorber to decrease vibration. The tower end of the stay cable is straightly anchored in the concrete teeth of the tower.The beam end of stay cables applies steel anchor plate welded with outer web. The approach bridge adopts steel plate composite beam of 40m standard span, which will speed up construction process and control seismic response, as soon as prompt application of steel structure in bridge construction of southwest mountains areas.
关键词：勐古怒江特大桥；斜拉桥；分离式钢箱梁；混凝土锚固齿块；钢板组合梁
Key words: Menggu Nujiang River Grand Bridge；stay cable bridge；separative steel box beam；concrete anchored teeth；steel plate composite beam
中图分类号：U442.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）29-0200-04
1 项目概况
勐古怒江特大桥是国家高速公路网G5613保山至泸水高速公路跨越怒江的关键性控制工程。大桥整体呈南北走向，在保山市和怒江州分界处跨越怒江，南岸为保山市隆阳区芒宽乡，北岸为怒江州泸水县上江镇。包括本桥在内的保山至泸水高速公路建设成为怒江州脱贫开发建设的便捷运输通道，对完善国家和滇西片区路网结构，改变当地贫困落后面貌，积极响应国家加强“三区三州”等深度贫困地区基础设施建设的号召，打赢滇西边境集中连片特困地区脱贫攻坚战等具有重要意义。
勐古怒江特大桥路线总长1333m，由主桥和引桥组成，其中主桥长440m。结合受控因素以及地形、地貌、地质、水文等因素，主桥采用主跨240m双塔对称分离式钢箱梁斜拉桥方案，斜拉索空间双索面扇形布置，跨径组合为（100+240+100）m，两岸边跨均位于岸区，边中跨比为0.417；经结构受力计算分析，边跨未设置辅助墩，主桥立面布置见图1。主桥采用半漂浮结构体系，在交界墩、索塔处设置具有竖向约束、顺桥向活动且横桥向承担设计荷载的改进型支座。为改善地震作用下桥梁结构的地震效应，顺桥向在索塔处，塔、梁之间设置2套纵向粘滞阻尼器；横桥向在索塔、交界墩处分别各设置2套钢阻尼器。为避免正常使用过程中边跨支座处出现上拔力，在边跨一定长度范围内设置均布荷载和集中荷载压重。
2 自然环境条件
①地形地貌。桥址区域地貌属构造侵蚀中山峡谷地貌，两岸斜坡较陡，地形起伏较大，河流阶地发育不完整，桥位跨怒江河段属河流堆积阶地地貌。
②水文气象。桥址区江河狭窄，谷坡陡峭，水流湍急，河水流量干湿季节变化明显；多年平均最高温度31.8℃，多年平均最低12.4℃，桥位处最大风速35m/s。
③地质情况。场地覆盖层以第四系冲洪积层细沙、角砾土、卵石土、漂石土和块石土为主，下伏基岩为石炭系上统丁家寨组白云质灰岩、中风化石英岩。
④地震效应。场地为中硬场地类型2区，地震基本烈度为Ⅷ度，经地震动参数专题研究，桥址区E1地震动设计动峰值加速度（50年超越概率10%）为0.2665g，E2地震动设计动峰值加速度（50年超越概率2%）为0.4006g。
3 主要技术标准
①道路等级：高速公路。
②行车道数：双向四车道。
③设计速度：80km/h。
④汽车荷载：公路Ⅰ级。
⑤桥面宽度：25.5m（未含斜拉索锚固区）。
⑥洪水频率：1/300。
⑦设计风速：26.2m/s（1/100）。
4 桥梁结构比选
受制于怒江河道水流湍急，水量充沛，河道行洪要求高，大桥不能在河道中放置桥墩以免影响泄洪和保证桥梁结构安全，故应设置较大跨径一跨跨越怒江主河道。
桥位地处云南省保山市和怒江州的分界处，处于地震动峰值加速度为0.2g的区域，地震效应大，桥梁结构抗震要求高，需对桥梁结构进行详细论证并应用综合抗震措施以满足高地震烈度区对结构受力的要求。
考虑桥址区自然条件，提出主桥采用预应力混凝土矮塔斜拉桥、单箱多室钢箱梁斜拉桥和分离式钢箱梁斜拉桥等方案，经综合技术经济分析后认为，与分离式钢箱梁斜拉桥相比，预应力混凝土矮塔斜拉桥为混凝土结构，地震效应较大，需对桥墩进行特殊设计以满足抗震需要；单箱多室钢箱梁斜拉桥主梁用钢量较大，斜拉索用量较多，经济性稍差。
综上所述，本桥主桥推荐方案为分离式钢箱梁半漂浮体系斜拉桥方案。
5 主桥结构设计
5.1 索塔
综合考虑索塔受力、斜拉索锚固形式和桥梁景观需要，索塔采用钻石型混凝土结构箱型截面，整体式矩形承台+群桩基础。保山岸和泸水岸索塔高度均为106m，包括下塔柱、上塔柱、下横梁和上横梁。其中上塔柱高64m（下横梁顶面以上），下塔柱高42m（下横梁顶面以下）。
上塔柱为等截面箱型截面，截面尺寸为5.5m（顺桥向）×3.5m（横桥向），顺桥向壁厚1.0m，横桥向壁厚0.8m，横桥向斜率为1/4.847；下塔柱为变截面箱型截面，截面尺寸由5.5m（顺桥向）×3.745m（横桥向）线性变化为7.0m（顺桥向）×6.0m（横桥向），顺桥向和横桥向壁厚均为1.0m，横桥向内侧面斜率为1/4.348，外侧面斜率为1/6.045，顺桥向斜率为1/53.333；上下横梁均采用箱型截面。塔底左右塔柱中心间距18m，索塔及基础构造见图2。为便于施工和后期管养，塔柱和横梁顶均设置进出索塔人孔，索塔内设置检修爬梯和转换休息平台。考虑索塔结构形式、加快施工进度和控制施工质量，索塔采用爬模施工。
保山岸和泸水岸索塔均采用整体式矩形承台+冲孔灌注桩基础。承台平面尺寸为29m（横桥向）×20.2m（顺桥向），高度为6m；每个承台下设20根?准2.2m冲孔灌注桩。由于本桥地处高地震烈度区（基础抗震性能要求较高）、怒江河道长期冲刷的影响等方面，根据受力要求、地质条件、河道冲刷等，在承台底面以下桩基设置8m长且壁厚为20mm的钢护筒；又桥址区第四系冲洪积层平均厚度为53m左右，根据计算及钢护筒等情况综合确定桩基形式为嵌岩桩。索塔承台及桩基采用围堰施工。
5.2 主梁
主梁设计充分结合桥址区风场情况、场地地震效应、经济性等，提出单箱多室钢箱梁和分离式钢箱梁两种形式。经技术经济比较后认为，与单箱多室钢箱梁相比，分离式钢箱梁能满足结构受力需要并具备良好的气动性能，降低钢箱梁钢材用量；主梁结构自重减轻，减少地震作用，降低索塔及斜拉索工程规模，具有良好的技术经济性，故推荐采用分离式钢箱梁方案，分离式钢箱梁标准断面见图3。主桥分离式钢箱梁全宽30.1m，至索塔区缩窄为26.5m，钢箱梁顶板内表面至底板内表面高2.8m。
考虑主梁受力复杂，施工安装难度大，施工控制要求高，根据结构受力、运输设备、起吊能力、桥址区自然环境等因素，钢箱梁共划分6种类型，共计57个梁段，其中主梁标准梁段长度为6m和9m，最大起吊重量约为109t。在现场施工条件的基础上，提出边跨梁段采用龙门吊机拼装，中跨采用桥面吊机拼装的方案和边跨与中跨钢箱梁均采用缆索吊装方案，经技术经济比较后认为，缆索吊装方案施工较为成熟，经济性较好，故推荐采用缆索吊装方案。
根据受力需要，不同区段钢箱梁梁段钢板厚度不同：因钢箱梁构造及施工需要且为提高桥面刚度和抗疲劳性能，减少桥面铺装病害，钢箱梁顶板厚度统一取用16mm；顶板采用U型加劲肋，板厚8mm，加劲肋中心间距600mm，加劲肋之间采用高强螺栓连接。底板（水平底板和倾斜底板）不同梁段采用不同板厚：14mm、18mm，底板加劲肋采用U型加劲肋，板厚6mm、8mm，加劲肋中心间距680mm，加劲肋之间采用焊接连接。
为保证结构受力，边腹板厚度统一取用24mm，设置两道板式加劲肋，中腹板不同梁段采用不同板厚：20mm、12mm，设置5道板式加劲肋。为保证分离式钢箱梁整体受力，钢箱梁间设置箱外和箱内横隔板，横隔板标准间距3m，横隔板划分为上板和下板，箱外隔板上板板厚12mm，下板板厚10mm；箱内隔板在斜拉索锚固区上板和下板板厚均采用12mm、近边腹板区钢板厚16mm，非斜拉索处上板板厚12mm、下板板厚10mm。
5.3 斜拉索
主桥横桥向斜拉索间距为26.5m，中跨斜拉索标准间距为9m；边跨斜拉索标准间距为9m，端部斜拉索加密至标准间距6m。因索塔造型及主梁锚固点的不同，本桥斜拉索为空间扇形布置斜拉索，每个索面由12对高强平行钢丝斜拉索组成，全桥共计96根斜拉索。
全桥斜拉索采用镀锌高强平行钢丝成品索，抗拉强度≥1670MPa，疲劳应力幅为250MPa。斜拉索采用双防腐系统（镀锌和高密度聚乙烯内外防护层），以保证斜拉索在其设计寿命周期内免遭腐蚀。
为使拉索的风、雨激振和涡激振动得到抑制，本桥拉索采用表面双螺旋布置的气动措施、永磁调节式磁流变外置式阻尼器和高阻尼橡胶内置式阻尼器并用的综合减振措施。
5.4 塔、梁锚固
比对国内同类型桥梁的斜拉索塔、梁端锚固形式，考虑本桥斜拉索索力、索塔构造、主梁结构形式等方面，经技术经济比选后采用如下方案：索塔区斜拉索直接锚固于混凝土塔壁齿块，若索塔锚固区使用预应力钢绞线提供预应力，则受限于索塔尺寸，钢绞线损失较大且对索塔造成不利影响，故采用精轧螺纹钢筋提供预应力以抵抗索塔两侧斜拉索的水平分力。梁端锚固区则采用钢锚拉板与边腹板直接焊接锚固，将斜拉索索力均匀传递至边腹板，方案锚固构造简单，传力明确。
本桥斜拉索采用塔端张拉方案。
6 引桥结构设计
本桥两岸引桥均采用钢板组合梁，其中保山岸引桥为4×40+3×（3×40）m钢板组合梁桥，泸水岸引桥为3×（3×40）m钢板组合梁桥。部分桥跨位于曲线段，桥梁平曲线由钢梁沿曲线参数加工形成。引桥采用左右幅分离式设计，左右幅间距0.5m，单幅桥宽12.5m，横桥向单幅桥跨设置3根钢纵梁，端支点设端横梁，中支点设中横梁，跨间每隔5m设置1根中横梁，每跨共7道中横梁，引桥单幅桥跨中横断面见图4。
钢纵梁及横向联系梁均采用工字型断面，全桥纵梁高2.2m，上、下翼缘宽0.6~0.8m，板厚为20mm~50mm，腹板厚16~24mm；横向联系梁高0.8m，边支点和中支点处横隔梁高1.9m，腹板厚16mm、20mm，翼板厚24mm。
混凝土桥面板横向连续跨径为4.25m，标准段厚25cm，钢梁翼缘板处加厚至34cm。为提高抗裂性能，负弯矩区桥面板混凝土为钢纤维混凝土。
引桥钢梁采用顶推法施工，根据设计要求桥面板混凝土需分批次现场浇筑并养生。
7 结语
分离式钢箱梁斜拉桥具有较好的力学性能和具备良好的气动外形，钢箱梁结构自重小，减少索塔和斜拉索材料用量，经济性好；改善高地震烈度区地震作用下结构受力性能；引桥采用钢板组合梁桥，能加快施工速度，促进组合结构在西南山区桥梁工程中的应用。
勐古怒江特大桥主桥为云南省首座分离式钢箱梁空间扇形双索面双塔三跨斜拉桥，本桥的修建可为国内同类型高地震烈度区斜拉桥的建设提供借鉴，大桥于2017年8月开工建设，预计2020年建成通车。
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