金海特大桥跨磨刀门水道主桥总体设计

摘要：2009 年 8 月，国务院正式批复了《横琴总体发展规划》，将横琴岛纳入珠海经济特区范围，2009 年 12 月，横琴新区正式成立，该新区是继天津滨海新区和上海浦东新区之后，第三个国家级新区。新区发展定位为: “以合作、创新和服务为主题，充分发挥横琴地处粤港澳

2009 年 8 月，国务院正式批复了《横琴总体发展规划》，将横琴岛纳入珠海经济特区范围，2009 年 12 月，横琴新区正式成立，该新区是继天津滨海新区和上海浦东新区之后，第三个国家级新区。新区发展定位为: “以合作、创新和服务为主题，充分发挥横琴地处粤港澳结合部的优势，推进与港澳紧密合作、融合发展，逐步把横琴建设成为带动珠三角、服务港澳、率先发展的粤港澳紧密合作示范区。”金海特大桥是国内首条公铁同层跨海大桥，也是世界上最宽的多塔公铁两用斜拉桥。项目建成通车后，横琴新区到珠海金湾机场仅需 15 min，为横琴新区经济向粤港澳大湾区西部辐射开辟了新通道。

珠机城际铁路二期工程跨越西江磨刀门水道出海口金海湾，水域宽度 6 km。珠海市金海高速公路与珠机城际铁路并行跨越磨刀门水道至鹤洲南围垦区，再跨白藤河水道至紫竹湾。为了充分利用桥位通道资源、节省工程造价，珠机城际铁路在跨磨刀门水道时与共通道的金海高速公路合建。根据通航论证评审意见，金海特大桥磨刀门水道需修建主跨为 3 × 340 m 主桥。主桥采用( 58． 5 + 116 + 3 × 340 + 116 + 58． 5) m 公铁同层合建四塔斜拉桥方案，全长 1 371． 8 m。主桥采用刚构连续体系，即两中塔塔梁墩固结，边塔塔梁固结，墩梁分离，在主梁底部设两排支座。金海特大桥跨磨刀门水道主桥总体布置图如图 1 所示。

主桥的施工组织充分利用桥址处水深条件，以及现有水上大吨位起吊装备。钢梁、钢塔采用大节段制造，现场拼装，减少海上作业时间，缩短工期。主塔施工采用大型浮吊整体吊装方案。钢箱梁在钢结构加工厂分段制作后，用专用运梁船运输至桥下，桥塔及桥墩处的梁端采用浮吊在墩旁托架上安装，其他节段采用桥面吊机悬臂拼装。斜拉索采用“先塔后梁”的挂索方法，与钢梁节段同步安装。斜拉索采用单端张拉，张拉端设置在上塔柱内。

图 1 主桥总体布置图

金海特大桥磨刀门水道段主桥所处场区为海积地貌，海滩前缘，地面标高多在海平面以下，仅桥台一端和中间横洲岛为剥蚀丘陵区。

磨刀门水道要求通航净宽 310． 2 m( 垂直水流流向净宽 302 m) ，净高为 32 m，最低和最高通航水位为－ 0． 54 m ～ 2． 94 m。

珠海市濒临南海，地处台风多发地区，台风袭击时，所经之处往往出现狂风暴雨、巨浪和暴潮。桥址处磨刀门水道百年一遇设计洪水位 H1% = 3． 15 m，设计流量Q1% = 15 054 m3 /s，设计流速 V1% = 2． 04 m/s。

1) 铁路技术标准。铁路等级: 城际铁路，有碴轨道。正线数目: 双线，线间距 4． 6 m。设计速度: 160 km/h。设计活载: ZC 活载。

2) 公路技术标准。公路等级: 高速公路。车道数: 双向六车道，桥面宽 2 × 16 m。设计速度: 100 km/h。设计荷载: 公路－ Ⅰ级。

工程河段磨刀门出海航道考虑将规划通航 5 000 t 级海轮，规划为Ⅰ级航道。通航净度 310． 2 m，净高 32 m，最高通航水位为 2． 94 m，最低通航水位为－ 0． 54 m。

桥位处为台风频发地带，强热带风暴( 台风) 及其形成的暴潮影响较大，据此设计基准风速取 48． 5 m/s。

按照现行《中国地震动参数区划图》确定，本区抗震设防烈度为 7 度，设计基本地震加速度值为 0． 10g。

方案一: 公铁分层桥面布置方案。我国现有的公铁合建桥梁分层布置时大多采用钢桁结构，公铁分层桥面布置，布置形式如图 2 所示。公铁桥面分层布置具有以下特点: 1) 用钢量较高; 2) 公路桥梁较高; 3) 从合建和分建过渡较为复杂。

图 2 公铁分层桥面示意图

方案二: 公铁同层桥面布置方案。公铁同层布置，铁路置于中间，两幅公路分别置于左右两侧，在公铁分建过渡时，两幅公路分别从左、右引出，灵活方便，便于平面布置。布置形式如图 3 所示。

图 3 公铁同层桥面示意图

公铁同层布置具有以下特点: 1) 公铁共层，分建过渡时灵活方便; 2) 公路桥梁高度大幅降低，节省投资; 3) 横向较宽，利于提高体系横向刚度。

公铁同层合建与分层合建综合比较见表 1。

表 1 公铁同层合建与分层合建综合比较

1) 分层方案公路引桥需抬高 12 m，公路投资增加。公铁同层布置时，公路在满足横琴互通既有桥梁能接入的条件下，设置右偏曲线，逐渐靠近铁路并上跨，直至与铁路线位一致，公路左右幅采用整体式断面。因公铁分层布置时，公路在铁路上方，标高须比铁路高出 12 m，相比平层建设方案，该段桥梁墩柱高度增加12 m，相应增加公路桥梁投资。

2) 分层方案起点段纵坡达到 3． 8% ，且坡长达到900 m，需局部限速 80 km/h。因横琴互通已建成通车，为满足上跨铁路的要求，从横琴互通开始公路纵坡需采用 3． 8% ，且坡长达到 900 m。根据《公路工程技术标准》4． 0． 21 条规定，设计时速 100 km/h、纵坡 4% 时，最大坡长不得大于 800 m。因此，如采取分层建设方案，该段桥梁需限速 80 km/h。

3) 分层建设时桥墩相对凌乱，工程较复杂。公路桥梁在 K8 + 900 处外缘与铁路桥梁外缘基本重叠，在 K9 +500 处公路与铁路中线完全重合，距离 600 m，需设约20 个门式墩( 异形墩) ，桥墩略显凌乱，且工程复杂。另外，在桥梁由双层合建到公铁分离时，考虑到鹤洲南需设车站的条件，必须左右幅分别向左右分离，由合建到完全分离约 300 m。在该范围也需要设置多个门式墩( 异形墩) ，工程略显复杂，且设置难度大( 见图 4) 。

图 4 公铁分离示意图

4) 分层建设方案主桥造价相比同层建设方案多约2． 5 亿元。

5) 平层布置时主桥横向较宽，便于流线型布置，抗风性能更好。考虑以上因素，推荐采用公铁同层合建方案。

目前，公铁合建桥多按公铁分层布置，公铁平层较少。金海特大桥跨磨刀门水道主桥受到公路接线及铁设站的制约，大桥采用公路与铁路同层合建方案。铁路布置在桥面中央，桥面组成为 16． 0 m 公路 + 3． 0 m 分隔带 + 11． 6 m 铁路 + 3． 0 m 分隔带 + 16． 0 m 公路，桥面总宽 49． 6 m。

为满足公铁同层的布置要求，结合桥塔布置在桥面中间的需要，同时为了使景观效果更好，结构布局更紧凑，主梁创新地采用了双侧大挑臂式钢箱梁。

挑臂式钢箱梁顶宽 49． 6 m，底宽 17． 6 m，两侧挑臂长 16． 0 m，梁高 4． 676 m。横截面为中间钢箱梁加两侧大挑臂布置。顶板设置双向 2% 的横坡，底板水平。主梁横断面如图 5 所示。

图 5 主梁标准横断面图

主桥共 4 个桥塔，4 个桥塔桥面以上为全钢结构，桥面以上塔高 101． 8 m，采用倒 Y 形四柱式构造。主体结构采用 Q370qD 钢。

桥塔断面为矩形，塔顶部横桥向宽度 6． 4 m，由两个宽度 2． 5 m 箱室通过连接板连成整体，在距离塔顶35． 7 m 处分成两肢，横桥向宽变为 2． 9 m，梁顶处肢距14． 7 m，分肢处采用圆弧过渡，曲线半径 100 m。塔顶部顺桥向宽 7 m，在距塔顶 61． 5 m 处分成两肢，每肢纵向宽度 3． 6 m，分肢处采用圆弧过渡，曲线半径 300m，梁顶处肢距 10． 4 m。

斜拉索采用 φ 7 mm 热镀锌高强平行钢丝索，索桥塔每侧各设 13 对斜拉索，全桥共有 104 对，208 根斜拉索，按两平行索面扇形布置，斜拉索纵桥向标准间距 12． 0 m，横桥向间距 14． 9 m。上端锚于塔柱内，塔上竖向索距2． 0 m ～ 3． 0 m，横向索距 3． 9 m ～ 5． 0 m。斜拉索在塔上采用钢锚箱锚固，梁上锚固在钢梁的两个边箱内( 见图 6) 。

图 6 桥塔构造图

边塔及中塔基础采用 20 根 φ 3． 0 m 钻孔桩，顺桥向桩间距 6． 5 m，横桥向桩间距 6． 5 m，承台平面尺寸为24． 5 m × 31． 0 m，厚 5． 0 m。桥塔承台顶面设置 3． 0 m 厚塔座来加强承台刚度，以满足基础受力要求。

桥墩采用板式墩，墩高 37． 0 m ～ 41． 5 m，采用整体式基础，边墩基础采用17 根 φ2． 0 m 钻孔桩，辅助墩基础采用12 根 φ2． 0 m 钻孔桩。桥塔和桥墩钻孔桩桩尖均嵌入弱风化岩层内。

总体计算分析采用有限元程序 Midas/Civil。计算模型考虑桥塔基础刚度的影响; 各桥墩处按实际支座位置及支座刚度分别设竖向和横向约束，桥塔与主梁间设置主从约束。主梁截面中，混凝土桥面板按计入自重考虑。全桥共 370 个梁单元，96 个索单元。空间有限元模型如图 7 所示。

图 7 桥梁空间有限元模型

对于大跨度铁路斜拉桥，现有的铁路桥梁规范的刚度标准已不适用，而刚度标准的取值是一项重要的技术问题，需根据具体结构，通过动力分析并参考国内外工程实践经验确定。世界各国已建大跨度铁路斜拉桥竖向挠跨度比基本大于 1 /500，通过长期运营考验，情况良好。本桥前期研究阶段，通过专题车桥耦合振动分析，其刚度控制标准采用列车静活载作用下，主跨竖向挠度不宜大于 L /550。由表 2 可知，主梁结构变形满足要求。

表 2 结构变形及刚度表

主梁及桥塔应力如表 3 所示。

表 3 主梁及桥塔应力汇总

由表 3 可知主梁和桥塔应力均满足 TB 10091—2017铁路桥梁钢结构设计规范基本容许应力的要求。

在最不利荷载作用下，斜拉索最小强度安全系数为2． 52，活载疲劳应力幅为163 MPa，均满足规范要求，计算结果见表 4。

采用大型有限元软件 ANSYS 建立精细的空间模型，选取 4 个标准节段共 48 m 长的梁段建立有限元模型，钢梁各板件采用板壳单元 Shell181 单元模拟，斜拉索采用Link8 单元模拟，全梁段共 4 对斜拉索。模型中方向约定如下: X 轴－横桥向，Y 轴－竖向，Z 轴－顺桥向。梁段模型图如图 8 所示。

图 8 梁段模型图

全梁段一端施加位移边界条件，另一端施加力的边界条件。分别在梁端截面形心处建立节点，该节点与梁端节点耦合形成刚性连接，位移及力的边界条件施加到该节点上，位移边界条件按固结考虑，施加在节点上的力从 Midas civil 的整体计算模型里提取。斜拉索一端与钢梁上的钢锚箱连接，另一端约束三个方向的线位移。

计算分析按恒载和主力两种荷载工况考虑，与全桥整体计算模型对比分析结果。恒载和主力作用下梁端内力及斜拉索索力如图9 所示。

图 9 梁端内力及索力图

由于篇幅有限，仅列出主力工况下主梁顶、底板顺桥向应力结果。

从图 10 可以看出，根据圣维南原理，除去加载和约束附近的应力值，桥面板整体应力水平在－ 30 MPa 左右，整体计算模型中主梁顶板应力在－ 40 MPa 左右，底板顺桥向应力在－ 10 MPa ～ 60 MPa 之间，整体计算模型中主梁底板应力在 10 MPa ～ 60 MPa 之间。主梁应力水平合理，整体模型和局部模型两者吻合较好。

图 10 主力组合下主梁顶、底板顺桥向应力

拉索锚固区钢锚箱构造复杂，存在局部应力集中区域，如图 11 所示。钢锚箱由两块支承板( N2，N2') 、支承板中间的加劲板( N3，N3') 、锚垫板( N1 ) 以及封端板( N4) 构成，在空间结构上形成一个稳定的箱型结构。采用大型有限元软件 ANSYS 对索塔钢锚箱进行局部受力分析。索力换算成均布力施加到锚垫板上，范围根据锚具尺寸确定。

图 11 钢锚箱示意图

通过 ANSYS 对应力结果的后处理，得出索塔钢锚箱的主要受力板件最大 Von Mises 应力值和发生位置，如表5 所示。

表 5 主要板件最大 Von Mises 应力

由表 5 可知，各板件最大应力为 322． 7 MPa，出现在锚垫板外表面圆孔的周边，小于钢材的屈服强度345 MPa。可见索塔钢锚箱构造合理，受力满足要求。

4 结语

金海特大桥跨磨刀门水道主桥采用( 58． 5 + 116 +3 × 340 + 116 + 58． 5) m 公铁同层合建四塔斜拉桥方案，全长 1 371． 8 m。主桥采用刚构连续体系。为满足公铁同层合建要求，主梁创新地采用了大挑臂式钢箱梁。桥塔采用倒 Y 形四柱式矩形钢塔。斜拉索采用平行索面扇形布置，全桥共设 104 对。桥墩采用板式墩，基础均采用钻孔灌注桩，桩尖均嵌入弱风化岩层内。

主桥整体计算分析表明，全桥整体变形，结构承载力、稳定性均满足规范要求。主梁节段应力分析表明，钢箱梁应力水平合理，整体模型和局部模型两者吻合较好。钢锚箱局部计算表明，钢箱梁应力水平合理，整体模型和局部模型两者吻合较好。钢锚箱局部计算表明，索塔钢锚箱构造合理，受力满足要求。