摘要：格巧高速是川滇渝快速新通道的重要组成部分，可大幅提高云南入川通道的通行能力，有效缓解现有G5京昆高速和G85渝昆高速通行压力，对加强昆渝经济合作、促进沿线革命老区发展建设和国家西部大开发战略的实施具有重要意义。

1 工程概况

格巧高速是川滇渝快速新通道的重要组成部分，可大幅提高云南入川通道的通行能力，有效缓解现有G5京昆高速和G85渝昆高速通行压力，对加强昆渝经济合作、促进沿线革命老区发展建设和国家西部大开发战略的实施具有重要意义。

双河特大桥位于云南省巧家县金塘镇境内，跨越双河，距离双河汇入金沙江入江口约1km，是格巧高速的控制性工程。桥址区主要分布二叠系峨眉山组玄武岩地层，河谷及两侧岸坡地带基岩出露。

桥位地处峡谷地带，两岸地形起伏较大，双河河沟横向切割较深，中部呈V形冲沟。桥址区位于水电站库区，水电站建成蓄水后，最大淹没水深约145m。

2 主要技术标准

(1)设计基准期：100年。

(2)道路标准：高速公路；设计行车速度80km/h；双向4车道；公路—Ⅰ级。

(3)设计风速：桥址区100年重现期地面以上10m高度基本风速28.0m/s。

(4)设计洪水频率：1/300。

(5)蓄水水位：大桥建成后蓄水，蓄水水位+825.0m；蓄水水位高塔最大淹没水深73.6m，低塔最大淹没水深30.0m。

(6)抗震设防标准：抗震设防烈度Ⅸ度；E1地震作用下（50年超越概率10%）水平地震动峰值加速度0.268g，E2地震作用下（50年超越概率2%）水平地震动峰值加速度为0.512g。

3 总体设计3.1 总体布置

双河特大桥属典型山区桥梁，具有地形复杂、施工场地狭小、场区地震烈度高、峡谷地带风环境复杂等技术特点，且大桥位于水电站库区，成桥蓄水后桥址区最大淹没水深145m。

受水电站库区塌岸影响，桥塔布置范围受限，总体设计提出了对地形适应能力较强的高低塔斜拉桥方案。

高低塔斜拉桥有别于常规斜拉桥，桥塔总体刚度差异较大，受力复杂、变形不易协调；综合考虑桥址区地形、地质条件以及景观效果和施工便利性，通过结构刚度、边中跨比、斜拉索布置等多参数比选，该桥最终采用高塔侧16对、低塔侧11对斜拉索的高低塔斜拉桥方案。

大桥总体布置为（56+152+356+140）m（见图1），高塔侧边跨设置1个辅助墩，桥梁全长704m。

图1 双河特大桥立面布置

3.2 约束体系

高低塔非对称斜拉桥结构力学性能复杂，确定合理约束体系、降低结构内力和位移响应、提高结构静动力性能是该桥设计的关键。

针对该桥抗震设防水准高、成桥后蓄水深度大和非对称布置特点，纵向约束体系选取3种方案进行比选：

方案1，高、低塔位置塔梁间均设置纵向活动支座和粘滞阻尼器；

方案2，高塔侧塔梁间设置纵向固定支座，低塔侧设置纵向活动支座和粘滞阻尼器；

方案3，高塔侧塔梁间设置纵向活动支座和粘滞阻尼器，低塔侧设置纵向固定支座。

横向约束体系选取2种方案进行比选：方案1，桥塔处设置横向活动支座和抗风支座，辅助墩和桥台处设置横向活动支座；方案2，桥塔处设置横向活动支座和抗风支座，辅助墩和桥台处设置横向活动支座和软钢阻尼器。

综合考虑结构静动力性能，该桥最终采用纵向方案1和横向方案2的约束体系。

通过有限元变参数分析方法，对纵向粘滞阻尼的阻尼系数和速度指数以及横向软钢阻尼器的初始刚度进行参数敏感性分析，综合分析后确定纵向粘滞阻尼器的阻尼系数为3000kN·(m/s)^-α，速度指数α为0.3；横向软钢阻尼器的初始刚度为375000kN/m，屈服后刚度比为0.05。约束体系布置如图2所示。

图2 约束体系布置

4 结构设计4.1 主梁

该桥为主跨356m的高低塔斜拉桥，可选择的主梁形式有混凝土梁、钢箱梁、钢桁梁或钢-混组合梁等。

钢-混组合梁与混凝土梁相比，自重轻且施工速度快；与钢箱梁相比，体系刚度较大，混凝土桥面板可有效解决钢箱梁疲劳及桥面铺装易损坏的难题；与钢桁梁相比，用钢量低、经济性好。综合考虑桥址区的运输条件、施工能力、地震烈度、经济指标等因素，主梁最终采用双边工字形钢-混组合梁。

主梁全宽28.7m（不含风嘴），边主梁横向中心间距26.7m（见图3）。

图3 主梁标准横断面

4.1.1 钢主梁

钢主梁由边主梁、钢横梁和钢小纵梁组成，均采用工字形截面。边主梁上、下翼缘水平布置，腹板外侧设置2道纵向加劲肋；边主梁梁高2.8m，由于梁端桥面板加厚，此处梁高为2.58~2.8m。钢横梁分为标准横梁和压重横梁，横梁底板按水平布置；标准横梁梁高2.24~2.5m，纵向间距为4m；压重横梁梁高2.8~3.057m，纵向间距加密至2.0m或2.5m。桥面横向沿四分点共布置3道钢小纵梁，小纵梁梁高0.3m。

边主梁两侧和钢横梁四分点处分别设置2道风嘴和下中央稳定板气动措施。风嘴宽2.0m，高3.08m；下中央稳定板高2.358m。

4.1.2 混凝土桥面板

混凝土桥面板分为预制部分和现浇部分，预制部分采用C55混凝土，现浇部分采用C55微膨胀混凝土。预制板标准厚度为28cm，考虑压重和桥面板预应力钢束的锚固需要，梁端桥面板加厚至50cm。预制桥面板按平面尺寸分为605cm×340cm和630cm×340cm两种类型，最大吊装重量为16.5t。

4.2 桥塔

桥塔为H形钢筋混凝土结构，由H形塔柱和整体式塔墩组成；高塔总高229m，H形塔柱高156m，整体式塔墩高73m；低塔总高170m，H形塔柱高138.5m，整体式塔墩高31.5m；桥塔结构如图4所示。

图4 桥塔结构

该桥建成后水电站库区蓄水，高塔最大淹没水深73.6m，低塔最大淹没水深30.0m；水下整体式塔墩采用C50抗渗混凝土，防渗等级为W8。

高、低塔桥面以上高度分别为110m和95m，与主跨之比分别为0.31和0.27。H形塔柱采用矩形空心截面，上、中塔柱横桥向等宽4.5m，下塔柱横桥向宽4.5~10.0m；上塔柱顺桥向等宽7.5m，中、下塔柱顺桥向宽7.5~9.5m。

整体式塔墩采用单箱三室空心截面，横桥向等宽35.0m，高塔顺桥向宽11.5~15.5m，低塔顺桥向等宽11.5m。桥塔采用桩基础，按端承桩设计，高、低塔分别设置28根和24根直径3.5m的钻孔灌注桩。

4.3 斜拉索及锚固构造

斜拉索采用标准抗拉强度1860MPa的钢绞线斜拉索，按平行双索面呈扇形非对称布置；高塔侧布置16对斜拉索，低塔侧布置11对斜拉索，全桥共54对。

斜拉索平行索面横向中心间距为26.7m，梁端顺桥向标准索距为12m，低塔侧边跨尾索加密至8m。根据斜拉索受力要求，共分6种类型，对应斜拉索钢绞线股数分别为31、37、43、55、61、73股。斜拉索最大长度为220.6m，单根最大重量约18.2t。

斜拉索塔端采用钢锚梁锚固，钢锚梁布置于塔柱斜拉索锚固区，塔壁布置环向预应力。梁端采用锚拉板锚固，锚拉板布置于边主梁腹板正上方。根据锚固构造特点，斜拉索张拉端位于塔端，梁端为锚固端。

4.4 压重设计

斜拉桥在运营荷载作用下辅助墩、过渡墩或桥台处支座往往存在负反力，解决斜拉桥边跨支座负反力的方案通常有3种：①主梁与辅助墩、过渡墩或桥台之间设置拉压支座或其它抗拉装置；②主梁局部布置体外压重；③加大或加厚主梁截面尺寸，利用结构自重压重。

结合该项目的运输条件、吊装能力和主梁受力状态，该桥采用方案2和方案3组合式压重方案：①辅助墩墩顶两侧各4m范围在压重钢横梁之间设置荷载集度为850kN/m的体外压重；②桥台处距离梁端3m范围桥面板厚度由28cm加厚至52cm；③高塔侧边跨距离梁端2.05m和5m范围在压重钢横梁之间分别设置1000kN/m和500kN/m体外压重；④低塔侧边跨距离梁端2.05、5、8m范围在压重钢横梁之间分别设置1000、800、500kN/m体外压重。

5 施工方案

下部桩基础采用钻孔灌注工艺施工，辅助墩采用翻模施工，桥塔采用液压爬模施工，桥塔上、下横梁采用附塔支架施工。

上部结构采用“单节段循环+桥面板湿接缝滞后钢主梁2个节间浇筑”的施工方案。钢-混组合梁通常可在拼装场地内将钢主梁与预制桥面板连接成为一体后整体吊装，也可在施工作业面进行钢主梁和预制桥面板散件拼装施工，综合考虑现场施工能力和运输条件，采用散件对称悬臂拼装施工（见图5）；为改善钢-混组合梁桥面板的抗裂性能，桥面板湿接缝滞后钢主梁2个节间浇筑。单节段循环典型施工工序示意如图6所示：二张n号斜拉索→吊装(n+1)号钢主梁→一张(n+1)号斜拉索→吊装(n+1)号桥面板→桥面吊机前移→浇筑n号桥面板湿接缝（湿接缝较钢主梁落后2个节间）→二张(n+1)号斜拉索（湿接缝混凝土达到设计强度后）。

图5 主梁悬臂施工

图6 施工工序示意

6 结构计算6.1 静力计算6.1.1 总体计算

采用MIDAS Civil有限元分析软件建立大桥空间有限元模型，其中桥塔和主梁采用梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟并考虑斜拉索的垂度修正；承台底桩基础采用桩-土效应模拟边界约束，竖向支座采用仅受压弹性连接模拟，纵向粘滞阻尼器和横向软钢阻尼器采用一般连接模拟。

考虑恒荷载（包括预应力、收缩徐变）、基础变位、汽车荷载、风荷载、温度作用等按最不利工况组合，计算结果表明：

①汽车荷载作用下，中跨主梁最大竖向挠度为151mm。

②静力基本组合作用下，钢-混组合梁中钢主梁最大压应力为211.4MPa，最大拉应力为111.9MPa（见图7）；疲劳荷载作用下，钢主梁疲劳应力幅为54MPa。

图7 钢主梁应力包络图

③混凝土桥面板按频遇组合不出现拉应力控制设计，静力频遇组合作用下，混凝土桥面板抗裂应力储备为0.9MPa；标准组合作用下桥面板最大压应力为12.7MPa（见图8）。

图8 混凝土桥面板应力包络图

④静力基本组合作用下，斜拉索最大应力为828.0MPa；疲劳荷载作用下，斜拉索疲劳应力幅为41.3MPa。

⑤主桥运营阶段最小一阶屈曲稳定系数为12.5。静力总体计算各项指标均满足规范要求。

6.1.2 局部计算

局部分析采用MIDAS FEA有限元程序建立钢锚梁和锚拉板计算模型，钢锚梁和锚拉板采用板壳单元模拟。

选取斜拉索索力最大工况计算结构响应。计算结果表明：①除应力集中范围外，钢锚梁最大Mises应力为211MPa，钢锚梁整体处于弹性阶段。②除应力集中范围外，锚拉板最大Mises应力为187.8MPa（见图9），锚拉板整体处于弹性阶段。静力局部计算各项指标均满足规范要求。

图9 局部构造Mises应力计算结果

6.2 动力计算

桥址区构造运动强烈，50年超越概率10%地表水平地震动峰值加速度为0.268g；且该桥建成后水电站库区开始蓄水，桥址区最大淹没水深约145m，高塔最大淹没水深为73.6m，低塔为30.0m。地震荷载作用下，深水桥梁结构的变形会影响周围水的运动，水体产生的动水压力又会影响桥梁结构的变形，是典型的流固耦合问题。

流固耦合效应计算理论复杂，如何分析高烈度深水大跨斜拉桥的流固耦合效应，是该桥设计的技术难题。国内外学者对深水桥梁的流固耦合问题进行了相关研究，结果表明深水桥梁的动水压力会对桥梁结构产生不利影响，且该影响在桥梁的抗震设计中不可忽略。

目前水与桥梁结构的流固耦合效应分析方法，大多采用将动水压力通过附加质量的方式施加在桥墩或桥塔上进行地震分析；当桥墩或桥塔为空心截面时，动水压力的附加质量应同时考虑结构的内域水和外域水。

该桥水下整体式塔墩为空心截面，在地震荷载作用下的流固耦合效应按照我国现行抗震设计规范，采用考虑内域水和外域水附加质量的计算方法进行地震分析。E2地震荷载作用下桥塔控制截面内力如表1所示。

表1 E2地震荷载作用下桥塔控制截面内力

类型

顺桥向弯矩/×10⁴(kN·m)

横桥向弯矩/×10⁴(kN·m)

蓄水位

高塔 649.1

高塔 1645.3

无水

高塔 320.5

高塔 1256.0

等效屈服弯矩

高塔 828.0

高塔 2490.0

由表1可知：

①蓄水位高塔最大淹没水深73.6m，其下塔柱（水上）顺、横桥向地震弯矩较无水工况分别增大21.3%和14.0%；整体式塔墩（水下）分别增大102.5%和31.0%。

②蓄水位低塔最大淹没水深30.0m，其下塔柱（水上）顺、横桥向地震弯矩较无水工况分别增大9.9%和6.0%；整体式塔墩（水下）分别增大35.0%和7.4%。③下塔柱和整体式塔墩顺、横桥向的E2地震弯矩均小于等效屈服弯矩，动力计算满足规范要求。

6.3 抗风分析

该桥地处峡谷地带，位于双河汇入金沙江入江口约1km处，桥位处风环境复杂，双边工字形钢主梁与桥面板组成的整体断面对风作用敏感，为确保主梁颤振和涡振性能满足规范要求，开展主梁节段模型风洞试验。大桥前10阶动力特性如表2所示。

表2 大桥前10阶动力特性

阶次

频率/Hz

振型描述

1

主梁纵飘

2

主梁1阶正对称竖弯

3

主梁1阶反对称竖弯

大桥1阶竖弯频率为0.305Hz，1阶扭转频率为0.619Hz，以此作为节段模型的参考频率，选取节段模型的缩尺比为1:55。

边主梁两侧和钢横梁四分点处分别设置风嘴和下中央稳定板气动措施后，主梁节段模型风洞试验如图10所示。

图10 主梁节段模型风洞试验

风洞试验结果表明：

①主梁在0°、±3°和±5°风攻角下，对应实桥风速达到43.2m/s时，均未出现颤振现象，颤振临界风速大于检验风速。

②主梁在+3°和+5°风攻角下，出现竖向涡振和扭转涡振；竖向涡振最大振幅为115mm，低于规范限值137.76mm；扭转涡振最大转角为0.12°，低于规范限值0.2583°；大桥颤振和涡振性能满足规范要求。

7 结语

格巧高速双河特大桥为山区峡谷高烈度地区的深水大跨高低塔组合梁斜拉桥，总体设计通过结构刚度、边中跨比、斜拉索布置等多参数比选，最终采用高塔侧16对、低塔侧11对斜拉索的高低塔斜拉桥设计方案。

约束体系设计通过纵、横向约束对比分析确定了在桥塔处设置纵向粘滞阻尼器，在辅助墩和桥台处设置横向软钢阻尼器的双向阻尼约束体系。抗震设计采用考虑内域水和外域水附加质量的计算方法，研究了深水大跨斜拉桥在地震作用下的流固耦合效应，确保该桥抗震性能满足规范要求。

抗风设计采用理论计算和节段模型风洞试验，在边主梁两侧和钢横梁四分点处分别设置2道风嘴和下中央稳定板气动措施，确保主梁的颤振和涡振性能满足规范要求。为改善组合梁桥面板抗裂性能，上部结构采用了“单节段循环+桥面板湿接缝滞后钢主梁2个节间浇筑”的施工方案。

本文转自《世界桥梁》——格巧高速双河特大桥总体设计，作者：付炳宁，宋松林；仅用于学习分享，如涉及侵权，请联系删除！

来源：爱车扒圈