承上启下的优美连接——黄茅海跨海通道工程高栏港大桥设计关键技术

黄茅海跨海通道工程高栏港大桥为主跨700m大跨径斜拉桥，位于珠江口海域，建设条件极为复杂，需克服强台风、高烈度地震、强海水腐蚀、高船撞力等不利的建设条件。高栏港大桥跨越的东东航道，通航五万吨级，为崖门出海3个航道中通航吨位最高的航道。

黄茅海跨海通道起点在珠海市平沙前西社区与鹤港高速顺接，终点于台山斗山镇，与西部沿海高速相交，对接新台高速，路线全长31.11km。跨越崖门出海航道东东航道处设置高栏港大桥。根据通航条件专题研究成果及航道批复，东东航道主跨要求不小于700m。这一跨径结合自然条件，斜拉桥是最合适的桥型。

①公路等级为高速公路；设计速度 100 km/h；②行车道数为双向六车道；③设计使用寿命 100 年；④主桥全宽50.5 m（含风嘴）；⑤设计荷载为公路-Ⅰ级；⑥设计通航净空为东东航道（538×64）m；⑦最高通航水位+3.320 m，最低通航水位-0.788 m；⑧桥址设计基本风速US10=46 m/s；⑨地震设防标准为通航孔桥 E1 基准——100 年超越概率 10%，E2 基准——100 年超越概率 4%；⑩船舶撞击力如表1所示。

①桥梁抗风要求高：位于台风多发地区，设计基准风速达46m/s，先例较少，结构承受风荷载明显大于同跨径的桥梁；②桥梁抗震要求高：桥梁跨径大，桥墩高，区域地震动峰值加速度为0.10g，且地震设防标准高；③船撞力大；④海洋环境：强海水腐蚀。

根据建设条件及相关专题结论，结合航道区域布置及项目跨海段跨径总体设计，高栏港大桥跨径布置为110+248+700+248+110m=1416m，边中跨比为0.51。采用独柱式桥塔+分体式钢箱梁方案，总体布置如图1。

图1 高栏港大桥立面布置 

斜拉桥约束体系指的是塔、墩、梁、索等主要构件的连接方式及传力途径，设计过程中应结合建设条件及技术标准，综合考虑结构的静力、动力特性，选择适宜的约束体系，以实现结构安全、耐久、经济等重要目标。高栏港大桥约束体系的控制目标为——

（1）保证结构在静力及极限动力荷载作用下的安全度；

（2）改善结构在极限风、地震等偶然荷载作用下的内力和位移反应，减小伸缩缝、支座等装置的位移量和动力磨损。

斜拉桥的纵向约束体系一般有：漂浮体系、固结体系、弹性约束体系和阻尼限位体系。对于漂浮体系，梁端纵向位移计算结果如表2所示。可见，如采用漂浮体系，主梁产生较大的纵向漂移，主要由百年风引起，导致伸缩缝规模较大；索塔塔顶也产生了较大的纵向水平位移，会使桥塔内产生过大的弯矩，受力极为不利。

对于塔梁固结体系，虽可有效改善百年风引起的过大水平位移，但对于温度、地震等荷载工况而言，桥塔及主梁受力也非合理状态。

从约束装置在结构使用阶段发生作用的机理出发，进一步提出弹性约束体系和阻尼限位体系方案进行比选。对于弹性约束的刚度值，设计过程中按1e4kN/m～10e4kN/m分13档计算，综合结构受力、弹性索自身承载力富余度等因素考虑，确定最优弹性索刚度。对于阻尼限位方案，每个桥塔处设4个阻尼器，经比选，单个阻尼器的速度指数α=0.3，阻尼常数C =2500kN/(m/s)0.3，刚性限位的间隙取65cm，弹簧刚度取400MN/m。 

不同结构体系计算结果如表3、表4所示，索塔纵向受力较为不利的工况为百年风组合和地震组合。表3中所列结果均为标准组合，考虑承载能力极限状态的相关系数后，百年风组合效应均大于E2地震效应，为结构纵向受力的控制工况。

从比较结果来看，安装永久弹性约束装置或阻尼加刚性限位装置可使梁端水平位移、塔顶水平位移及塔底弯矩都较小，相对较优。经综合比较，推荐采用动力阻尼器加刚性限位的结构体系。

高栏港大桥横向受力体系而言，主塔与主梁间需要设置横向抗风支座以控制二者的相对运动。辅助墩及过渡墩受力为E2地震控制。因此，研究主要集中在辅助墩、过渡墩横向采取何种约束方式。进行横向结构体系比选，主要分析以下四种横向结构体系对结构的影响——

体系一：过渡墩、辅助墩、塔梁连接处均设横向约束；

体系二：过渡墩、塔梁连接处设横向约束；

体系三：仅在塔梁连接处设横向约束；

体系四：过渡墩、辅助墩处设摩擦摆支座，塔梁连接处均设横向约束。

（1）梁端位移

四种体系在横向E2地震荷载作用下的梁端位移如表6所示。由表可知，体系一和体系二位移基本一致；体系四采用摩擦摆支座，梁端横向位移略有增加；由于体系三仅塔梁连接处横向约束，地震作用下梁端横向位移最大，达到0.632m，百年风工况下更是达到1.62m，因此，体系三不是本桥的合理受力体系。

（2）辅助墩、过渡墩墩身及基础受力

E2地震作用下，墩身关键截面内力如表7所示。体系四采用摩擦摆支座后，辅助墩和过渡墩墩身横向内力明显减小。

E2地震作用下，桩基关键截面内力如表8所示。由于E2作用与恒载组合后，桩基为拉弯构件，体系四采用摩擦摆支座后，降低动轴力，减小桩基所受拉力，可降低桩基配筋率，是更为合理的受力体系。

对于百年风工况而言，无论从内力还是位移角度出发，辅助墩处和过渡墩处支座处于横向约束状态受力更为有利，但E2地震作用下，该体系却不是最优选择。采用方案四，通过设置剪力销，可保证百年风工况辅助墩处和过渡墩处支座处于横向约束状态，当地震发生时，且地震力超过给定值时，辅助墩及过渡墩支座限位约束被解除，支座发生水平滑动。

体系四采用摩擦摆支座，摩擦摆支座具有摩擦耗能作用，能减小结构的地震响应，并把横向位移限制在可接受范围内。经比选，横向约束体系采用方案四：过渡墩、辅助墩处设摩擦摆支座，塔梁连接处均设横向约束。

高栏港大桥采用独柱式桥塔+分体式钢箱梁方案，辅助墩及过渡墩处均设置竖向支撑。塔梁连接处如设置竖向支撑，需设置牛腿，施工难度大，景观差；支撑点处主梁应力集中，同时出现负弯矩峰值；且对结构刚度并无明显提升。

在满足横梁设置、阻尼器安装空间的前提下，合理设计边、中跨1#索的间距，并通过索力调整，可使塔梁连接处无索区范围内主梁应力满足规范要求。高栏港大桥边、中跨1#索距25m，考虑第二体系叠加后钢主梁受力可满足规范相关要求。

经分析，高栏港大桥竖向约束体系采用索塔处不设置竖向支座；每个辅助墩和过渡墩处设置2个竖向支座。

高栏港大桥采用的约束体系如图2所示。

图2 高栏港大桥约束体系布置

（1）竖向约束体系：索塔处不设置竖向支座；每个辅助墩和过渡墩处设置2个竖向支座。

（2）横向约束体系：在每个主墩处设有2个横向支座，起抗风、防震、限位作用。辅助墩及过渡墩的横向支座在E2地震外的工况，一个固定，一个放开。E2地震工况下，地震力超过给定值时，横向固定支座剪力销剪断，支座限位约束被解除，辅助墩及过渡墩处所有支座可双向滑动。

(3）纵向约束体系：索塔和主梁之间采用动力阻尼加刚性限位的结构体系；边墩及辅助墩处设置纵向活动支座。

桥塔采用简洁的纤腰形独柱式塔柱。塔底为圆形截面，直径18m，在塔底到高程+69.703m（桥面附近）过渡到圆端形截面，尺寸为13m×10m（顺桥向×横桥向），壁厚2m。高程+69.703m到+169.203m范围内过渡到直径8.5m的圆形，壁厚由2m过渡到1.5m。高程+169.203m到塔顶范围内过渡到塔顶的直径11m的圆形，壁厚为1.5m。在塔座以上162.09m处截面最小，形成“纤腰”的视觉效果。同时，上塔柱最小截面以上为索塔锚固区，不断增大的截面为索塔锚固构造的安装、维护提供更大的操作空间，有利于施工质量的控制和后期的维护管养。索塔构造如图3所示。

图3 高栏港大桥桥塔一般构造

根据桥塔塔位的地形、地质、水文和环境等自然因素以及岩层情况，设计采用群桩基础，单桩直径为φ3.0m。每个塔柱下31根，桩顶设直径（内径）3.3m壁厚24mm永久钢护筒，长度38.5m，桩基为嵌岩桩，嵌入完整中风化花岗岩不小于2D。承台高6m，平面为椭圆形，长轴45m，短轴35m；承台与塔柱间设3m高塔座。

墩身采用新型的TY复合墩，墩厚4m，盖梁按部分预应力混凝土A类构件设计，盖梁横向宽37.4m，顺向宽4m，高2m，内设预应力。墩顶往下11.5m范围内，采用Y形分肢，截面高度从3.5m渐变至4.35m。墩身以1∶25的斜率，从8m往下渐宽（见图4）。

图4 辅助墩一般构造

根据墩位处地质结合受力控制工况的差异，东、西侧过渡墩、辅助墩基础进行差异化设计。基础受力控制工况为横桥向船撞。根据前期比选，确定过渡墩、辅助墩采用群桩基础，单桩直径为φ3.0m。结合结构受力需求及工程经济性，船撞力较小、地质较差的东过渡墩和东辅助墩基础采用10根钻孔灌注桩；船撞力较大、地质较好的西过渡墩和西辅助墩基础采用13根钻孔灌注桩。承台高5m，平面为椭圆形，由于桩基根数及桩间距的差异，东侧承台长轴32m、短轴21m；西侧承台长轴38m、短轴20m。

分体式钢箱梁由两个钢箱梁及横向连接箱组成（见图5）。钢箱梁梁高4.0m。拉索桥面处横向间距46.9m。单侧顶板宽17.05m，风嘴宽2.38m，平底板宽6.9m，外侧斜底板宽5.62m，内侧斜底板宽4.8m。

图5 钢箱梁标准断面图

标准梁段长15m，实腹式横隔板间距3.0m；顶板U肋上口宽300mm，下口宽180mm，高300mm，U肋中心距600mm；底板U肋上口宽250mm，下口宽400mm，高260mm，U肋中心距800mm。顶板厚18mm，U肋板厚8mm，底板厚14mm，底板U肋板厚6mm。外侧腹板外缘设置斜拉索锚箱，是箱梁内受力最大的区域。外侧腹板厚32mm，设置2道通长纵向加劲肋；内侧腹板厚14mm。非拉索处横隔板厚10mm，拉索处横隔板厚14mm，靠近拉索区域需局部加厚至18mm；横隔板设置一个高1.8m的人洞及5处管线孔道，人洞处设置箱内检查车轨道。每个拉索位置设置横向连接箱，横向连接箱宽3.0m，高4.01m。

高栏港大桥为主跨700m双塔斜拉桥，采用“独柱式桥塔+分体式钢箱梁”，本项目建设条件极为复杂，需克服强台风、高烈度地震、强海水腐蚀、高船撞力等不利的建设条件，上述方案可供类似工程项目参考。本项目建成后，将与港珠澳大桥、深中通道、南沙大桥、虎门大桥等，共同组成大湾区跨海跨江通道群，加快形成世界级交通枢纽，让粤港澳大湾区发展更加均衡。