概述
益陽資江四橋是益陽市城市外環(huán)路上跨越資江的一座特大橋梁，南岸接線是規(guī)劃中的虎山路；北岸接線經(jīng)城市外環(huán)路分別與319國道、益沅公路、資陽路相接后再與白馬山路連接。南北接線總長12.2 km 。大橋位于益陽市城區(qū)資江上游4960 m的青龍洲，總長965.24 m。南、北岸引橋均設計為9×20 m預應力混凝土簡支空心板；主橋兩側副孔均設計為2×50 m預應力混凝土等截面現(xiàn)澆連續(xù)箱梁；主橋設計為50 m+150 m+200 m獨塔雙索面預應力混凝土斜拉橋。
1.技術標準
?、?工程等級：近期為Ⅰ級公路，遠期為城市外環(huán)主干道；
?、?設計荷載：公路—— Ⅰ級；
?、?橋面寬度：主橋總寬28.00 m；引橋總寬25.00 m；
?、?設計時速：80 km/h；
?、?通航標準：Ⅳ一2級，通航凈空：50 m×8 m(寬×高)；
?、?地震參數(shù)：本區(qū)域地震動峰值加速度為小于0.05 g，反應譜特征周期0.35 S；
⑦ 設計水位：SW1/10o=41.08 m；設計通航水位HW5%=38.41 m。
2.建設條件
橋位處在彎曲河道正中間，在橋位的下游有一江心沙洲(青龍洲)，兩岸地勢開闊平坦，高差小，多為農(nóng)田，高程約為32-35 m，均筑有防洪大堤。河道均系單式斷面，由于河道內(nèi)采砂船作業(yè)頻繁，河床高低不平，河床高程介于14-25 m之間。橋位區(qū)屬沖洪積階地地貌，河床寬約551 m。
橋位兩岸施工場地開闊，便于施工。不足之處是此處河床較窄，大橋對資江行洪有一定的影響，并且此處是資江的拐彎處，對資江河道通航有一定的影響。
橋位區(qū)域年平均氣溫16.8℃ ，一月平均氣溫5℃ ，極端最低氣溫-9.2℃，七月平均氣溫29℃ ，極端最高氣溫40.8℃。橋位區(qū)內(nèi)覆蓋層主要為亞粘土、細砂、圓礫及卵石層，厚度較大；基巖主要為板巖。微風化基巖的天然濕度極限抗壓強度R a>5 MPa，能夠作為良好的大直徑嵌巖樁基礎持力層。
3.方案設計
3．1 橋型方案構思
本項目是一項跨越資江天塹的宏偉工程，應該在滿足使用要求的前提下，結構造型力求安全、適用、經(jīng)濟、美觀，體現(xiàn)時代風貌，在橋型方案選擇時，除了要滿足橋面行車的安全要求外，還必須保證滿足航運、水利、防洪等各方面的要求。
針對該橋的地形、地貌情況，采用梁橋、拱橋、懸索橋和斜拉橋都是可行的。但是若采用梁橋，200 m的跨徑略大，且該橋型與兩岸景觀不協(xié)調(diào)；若采用拱橋，則結構形式與臨近橋梁類似，達不到一橋一景的目的；跨徑200 m懸索橋造價較高，不夠經(jīng)濟。獨塔雙索面斜拉橋建筑高度小，橋型美觀，線條簡潔，技術成熟，造價適中
[1,2]。因此，經(jīng)過反復比較和研究，推薦采用獨塔斜拉橋方案，橋塔結構采用A型索塔(見圖1)。
獨塔雙索面斜拉橋方案主橋以50+150+200m跨越主航道，河床壓縮少，有利于汛期泄洪；兩個主孔均能通航，能減少船舶撞擊的機會。
3.2 橋跨布置設計
本橋設計初始，主橋橋孔布置為2×50m+50m+150m+200m+2×50m七跨連續(xù)獨塔斜拉橋方案進行研究，經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)14號墩頂?shù)闹髁贺搹澗胤浅４?，而?5號-16號墩以及9號-l0號墩之問的箱梁正彎矩非常大。經(jīng)過配束、調(diào)索以后，這兩處的主拉應力、抗裂性、承載能力均達不到規(guī)范要求。
為了解決此處的箱梁問題，將50m區(qū)梁高改為3.2m。這樣修改以后，經(jīng)過計算，15號-16號墩以及9號-10號墩之間的箱梁正彎矩很大的問題得到解決，箱梁的抗裂性和承載能力均可以滿足要求，但是在14號墩上緣的抗裂性仍然很難滿足要求。即使上緣最大應力已經(jīng)超過規(guī)范要求，最小應力仍然有3.2 MPa的拉應力，說明截面的剛度仍然偏小(注：本汁算還沒有考慮索、梁溫差和塔的左右側溫差，也沒有考慮收縮徐變尚未完成時的通車情況，如果再考慮以上情況，主梁最大應力和最小應力會更加不利)。
若兩個輔跨采用變截面的方案，梁高需達到4m，但這樣設計造價很高，施工和設計的難度都增加不少。
綜上所述，筆者認為斜拉橋與連續(xù)梁直接連接這種結構體系本身會在過渡墩形成薄弱環(huán)節(jié)，設計此類橋梁時，應予以重視。
4.結構設計
4．1 主梁(見圖2)
益陽資江四橋主梁采用預應力砼箱梁，單箱四室截面，連續(xù)長度400m。箱梁中心線處梁高270 cm，箱梁全寬2820cm，頂、底板厚度均為24 cm。主梁共分成51個節(jié)段，0號、1號梁段設計采用支架現(xiàn)澆，其余梁段均設計采用掛籃對稱懸澆施工。為了消除邊墩支座負反力并增加結構剛度，在索塔處及梁端均采用加大截面面積的方法施加壓重。
主梁縱向預應力束均設計采用9ψs15.2和7ψs15.2鋼絞線；主梁頂板厚度40cm處，不設置橫向預應力束，頂板厚度24cm處，設置橫向預應力束為3ψs15.2鋼絞線。
為了增加主梁橫向剛度，改善橋面板受力性能并均勻傳遞斜拉索拉力，在主梁中設置了多道橫梁。標準中橫粱厚度30cm，橫梁預應力束采用19ψs15.02鋼絞線。
4.2 斜拉索
斜拉索采用PES(C)7熱擠聚乙烯拉索，PESM7冷鑄鐓頭錨固體系，塔端為張拉端，梁端為固定端。拉索為扇形布置的空間雙斜索面，全橋共49對，塔端的標準索距為1.5m，梁端的標準索距為8 m，背索索距為6 m。拉索與橋軸線的傾角為27.52°-79.13°。根據(jù)各拉索的設計索力并兼顧考慮全橋的
整體剛度，分別采用PES(C)7-151到PES(C)7-421等八種規(guī)格的斜拉索，總用鋼量930 t。斜拉索安全系數(shù)按2.5控制
[3]。。斜拉索成品必須進行超張拉檢驗，彈性模量檢測，靜載性能試驗和疲勞試驗，檢測試驗方法按《中華人民共和國交通行業(yè)標準》GB/T 18365—2001(斜拉索熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索技術條件)執(zhí)行。
4.3 索塔(見圖3)
索塔自承臺頂面起總高123.180m，下塔腿及中塔腿均為單箱單室截面，塔根部尺寸為8 m×10 m，中塔腿與下塔腿交接處索塔總寬39.20 m，中塔腿尺寸為4.05 m×7.4 m。拉索錨固段為單箱單室和單箱雙室截面，高度為41 m，平面尺寸為4.05 m×7.4 m和6 m-8.95 m X 7.4 m。拉索錨墻厚度為1.5m，兩邊肋板厚1.0m，拉索錨固段配600置了縱、橫向預應力束，分別采用φs15.2鋼絞線“U”型布置。
索塔橫梁高5 m，壁厚1.0 m，配置φs15.2鋼絞線。橫梁頂面上設置了塔、梁臨時固結構造，主梁合攏時予以拆除。索塔及13號、16號過渡墩上均設置了縱向、橫向限位塊，施工時應精確放樣，確?？v向漂浮體系的形成。索塔根據(jù)計算，各段分別采用了不同的配筋率配置φ32束筋。
4．4 下部結構
主橋13號索塔基礎設計采用13D 320 cm鉆孔灌注嵌巖樁基(基巖為微風化泥質板巖[Ra=7.0MPa]，樁端嵌入微風化泥質板巖10 m)，分三排呈梅花形布置，承臺尺寸33.32 m×16.2 m×6.0m，并設50 cm厚承臺封底。l2號輔助墩設計為雙柱式墩，基礎為2D280鉆孔灌注嵌巖樁基(基巖為弱風化泥質板巖和微風化泥質板巖[R a=4.4 MPa]和[Ra=7.0 MPa]，樁端嵌入微風化泥質板巖1 m)；墩柱為2D 250 cm圓柱墩。墩頂設LYQZ系列雙向活動拉壓支座和單向活動拉壓支座各一個，設計承受6 000 kN 壓力、2 000 kN拉力。
5.結構計算
益陽資江四橋近期設計為I級公路，四車道；遠期規(guī)劃為城市外環(huán)主干道，取消中問的2 m分隔帶，半幅行車道由7．5 m變成9 in，相應的由四車道變成六車道。上、下部結構分析按兩種行車道寬計算，均滿足設計要求。
5.1 上部構造
200m斜拉橋運用《Qjx》橋梁綜合計算程序進行縱向計算，運用橋梁博士綜合計算程序進行縱向計算校核?？v向計算荷載等級為公路一I級，人群荷載采用2.5 kN/m²，結構計算基準溫度20℃ ，結構整體溫升20℃ ，整體溫降15℃，橋面系箱梁溫升梯度14℃ ，溫降梯度7℃ 。斜拉索與砼溫差10℃ ，索塔正反面溫差5℃ 。結構離散圖及組合一持久狀態(tài)正截面壓應力圖見圖4，計算結果表明上部結構在最不利荷載組合下，均滿足規(guī)范要求。
5.2 索塔
索塔靜力計算與主梁縱向整體計算同時進行，索塔錨固區(qū)以下最大壓應力為11.7 MPa，最小壓應力為5.2 MPa；索塔錨固應力呈線性分布，均為壓應力。
采用ANSYS通用有限元程序對索塔進行空間分析，得出其基頻模態(tài)為面內(nèi)彎曲，基頻8.19 Hz；面外最小基頻43.6 Hz。橋塔全高范圍內(nèi)在豎向及橫向基本為壓應力，豎向壓應力在3.4-16.4 MPa之間。由于集中力作用，在錨固段連接墻處橫橋向外側局部有小于1 MPa的豎向拉應力。其中橫梁與索塔相交處內(nèi)側豎向最大壓應力為16.4 MPa，塔身最大主壓應力16.6 MPa，連接墻處塔身外側有最大主拉應力為1.1 MPa。
采用ANSYS通用有限元程序對索塔錨固段和索塔橫梁進行空問分析，將計算結果與手算預應力值相疊加得到錨固段實際應力值，計算表明錨固段斷面均為壓應力?？紤]到在張拉u型預應力筋時預應力損失的復雜性，設計在錨固段斷面上保持2 MPa左右的壓應力。使用橋梁博士對橫梁進行受力分析，并用ANSYS校核部分應力結果，在橫梁上張拉19φj15.2的預應力鋼筋，使橫梁在全長范圍內(nèi)均為受壓。
6.施工要點
索塔采用A型索塔，澆筑過程中，塔柱的穩(wěn)定性特別重要，尤其是中塔腿部分施工，施工需采取措施加強橫向聯(lián)系，以保證索塔橫向的面內(nèi)穩(wěn)定及施工精度。
由于該橋為空間斜索面，各拉索錨塊的幾何形狀復雜，在進行拉索錨固段的施工時，應采用坐標法嚴格控制施工放樣精度，使錨塊平面位置誤差控制在±5 mm范圍內(nèi)，誤差過大將給斜拉索張拉帶來很大的困難，并使錨頭局部應力增高而導致開裂。
主梁采用前支點掛籃懸澆施工，掛籃(包括模板及其它施工荷載)設計重量160 t，其中前錨點離梁段前沿75 cm，后錨點離梁段前沿875 cm(6 m梁段為675 cm)。與18 梁段(有輔助墩橫梁)對稱的18 梁段相應的位置必須進行壓重，以保證主梁對稱平衡的施工，壓重的重量為45 t。
7.結語
益陽資江四橋為主跨200 m獨塔斜拉橋方案，經(jīng)過大量的計算分析，克服了跨徑大、索塔結構復雜等設計難題，合理地選取了橋梁構造形式。
同時，大橋的建設能夠提高城市道路的成網(wǎng)性和交通流量與流向的合理性，擴大益陽市資江以北地區(qū)骨架，可為城市新增建設用地6 km 以上，也為益陽市增加了一道靚麗的風景線。
參考文獻:
【1】劉土林，斜拉橋[M]，北京：人民交通出版社 2002。
【2】嚴國敏，現(xiàn)代斜拉橋[M]，成都：西南交通大學出版社 1996。
【3】林元培，斜拉橋[M]，北京：人民交通出版社 1994。
