鄂东长江大桥斜拉桥索塔结构设计分析

陈杏枝 常 英 黄继旺

1 工程概况

鄂东长江公路大桥是沪蓉高速公路主干线湖北省东段和国家高速公路网规划中的大庆至广州高速公路湖北段的共用过江通道。桥位处于黄石长江公路大桥上游，与黄石长江公路大桥距离约1.3 km。

鄂东长江公路大桥主桥采用桥跨布置为(3×67.5+72.5+926+72.5+3×67.5)m的九跨连续半漂浮双塔混合梁斜拉桥，边跨设置3个辅助墩和一个过渡墩，主桥长1 476 m，其桥跨布置如图1所示。桥面全宽36 m，双向六车道，设2%双向横坡。大桥平面位于直线范围内，竖曲线半径27 000 m，两侧纵坡2.0%。

图1 桥型布置图

2 技术标准

桥梁主要荷载标准:

1)汽车荷载等级为公路—Ⅰ级;2)基本风速为30.1 m/s;3)设计温度:基准温度15℃，最高温度41℃，最低温度－11℃;4)船舶撞击荷载:顺水流方向19 500 kN;垂直水流方向9 750 kN(主航道内);5)地震动峰值加速度系数:100年超越概率水平3%时加速度系数0.126。

3 结构设计

索塔采用“凤翎”式结构，北索塔总高度为242.5 m、南索塔总高度为236.5 m，塔柱除中、下塔柱连接段及下塔柱根部段设计为实心段外，其余断面均为空心箱形断面;根据塔柱的受力，在上、中塔柱连接段、人洞及塔底等受力较大的区段设置加厚段。

上塔柱为对称单箱单室断面，塔壁厚度沿顺桥向为1.0 m，沿横桥向为1.2 m，中间设钢锚箱。上、中塔柱连接段为单箱双室断面。中塔柱为不对称单箱单室断面，塔壁厚为1.2 m。中、下塔柱连接段外侧轮廓采用圆弧过渡，其半径为19.46 m。为增加景观效果且有利于抗风，塔柱截面的4个角均设置1.5 m×0.5 m的倒角。

横梁断面为箱形结构，其内设两道竖向横隔板。为使塔柱与横梁钢筋错开排列布置，横梁断面沿塔柱断面向内收30 cm。横梁采用预应力混凝土结构，共布置92束22φs15.24钢绞线。

4 结构计算

4.1 设计荷载组合

索塔为空间框架结构，计算荷载分为顺桥向和横桥向两部分。索塔结构计算主要分为三个阶段，裸塔阶段、最大单悬臂施工阶段和使用阶段。在各阶段均进行纵桥向、横桥向及纵横耦合计算;其中，裸塔阶段根据索塔结构的形成过程，分为下塔柱、下横梁、中塔柱、上塔柱等主要施工阶段进行计算。在计算荷载选择时，除了满足相关规范外，还对可能出现的不利受力情况进行分析，主要按以下10种不利荷载组合分别计算。荷载组合见表1。

表1 索塔计算荷载组合一览表

4.2 索塔计算

索塔采用空间三维框架结构建模计算，根据索塔的实际施工阶段、成桥阶段及运营阶段，按各种荷载工况的最不利作用进行组合，对索塔在顺桥向及横桥向的受力进行计算分析;同时对塔柱角点方向按顺桥向与可能同时出现的荷载组合，进行角点最大、最小应力验算。为了分析下塔腿的局部应力，将下塔腿作了实体分析。

图2 结构计算离散图

4.2.1 裸塔受力分析

索塔按施工阶段，每4 m为一节，采用爬模施工，将索塔分为68节，91个施工阶段，107个节点，105个单元，施工过程中，中塔柱施加五道主动水平力横撑，采用MIDAS程序逐过程进行分析计算。坐标系符合右手螺旋法则，方向采用顺桥向为x轴，竖桥向为z轴，横桥向为y轴。结构位移、外力及支座反力亦符合右手螺旋法则，与坐标系方向一致为正。将单元的I端至J端视为基线，规定单元内力正向，轴力N:压为负，拉为正;剪力Q:与I端局部坐标方向一致为正，反之为负;弯矩M:以使杆件上缘受压为正，反之为负;应力压为负，拉为正。结构计算离散图见图2。

通过建模对该桥桥塔根部内力横向与纵向进行分析，同时分析该区域应力状况，得出该部分内力，以南塔为例，分析结果见表2。

表2 南桥塔根部应力

表2中负值为压应力，最大压应力为8.0 MPa，正值为拉应力，最大出现在组合三，大小为0.9 MPa。对于拉应力，将在施工过程采取一些临时措施予以消除。而该结果表明，该桥塔情况良好，在施工中能较好的保持其稳定性。

4.2.2 最大单悬臂状态桥塔受力分析

根据本桥的施工过程及特点，先浇筑边跨混凝土主梁，再进行钢箱梁的吊装和挂索，因此施工过程不存在最大双悬臂，只存在一个最大单悬臂，因此对最大单悬臂状态进行计算。

全桥按照实际的施工过程，分为1 004个节点，1 238个单元，塔底固结，采用MIDAS程序逐过程进行分析计算。在中跨合龙前的一阶段，即最大单悬臂状态，风荷载取基本风速30.1 m/s进行计算，考虑作用在桥塔及主梁上的横向风力和纵桥向风力，作用于主梁上的竖向风力边跨取系数0.5，中跨取系数1.0。结构计算离散图见图3。

图3 结构计算离散图

分析表明，塔根角点应力全为压应力，未出现拉应力，最大压应力为北塔内侧角点14.6 MPa，满足规范要求。故该阶段施工是安全可靠的。

4.2.3 成桥状态桥塔受力分析

由模型计算可知，塔柱未出现拉应力，北塔根部最大压应力为13.8 MPa，最小压应力为0.2 MPa，北塔下塔柱顶端最大压应力为12.8 MPa，最小压应力为1.3 MPa，南塔根部最大压应力为13.8 MPa，最小压应力为0.1 MPa，南塔下塔柱顶端最大压应力为12.9 MPa，最小压应力为1.5 MPa，所有压应力均小于规范要求。可见桥梁受力性能良好，在施工中能保持结构的安全性能。

4.3 下塔腿实体分析

计算采用ANSYS程序，为了尽可能消除边界条件对下塔柱部分的应力影响，模型范围取南塔下横梁以上5 m长度的中塔柱和全部下塔柱(含下横梁)，桩基按计算取桩基等效长度。塔柱混凝土采用Solid65单元，桩基采用Beam188单元。预应力采用集中力模拟，模型共计150 000个单元，节点共计420 000个。节段全模型见图4。

图4 下塔腿实体模型

根据该模型对下塔柱进行相关分析与计算，计算结果表明，除去应力集中影响，下塔柱节段最不利组合下混凝土主压应力小于21.2 MPa，主拉应力小于2.77 MPa，满足规范要求。由此可见，全桥下塔柱的结构安全性能具有相应的保障，能够安全施工及投入应用。

5 结语

1)鄂东长江公路大桥规模大，施工具有一定难度，优良的设计是该桥结构安全稳定，施工顺利的前提保障。通过多方论证，该桥采用九跨连续半漂浮双塔混合梁斜拉桥的形式，其中索塔采用“凤翎”式结构，通过对该形式索塔进行受力分析，该索塔在施工及施工完成后，受力性能良好，具有较高的结构安全性能，可以保障桥梁的正常使用及运营。

2)该桥的设计是当今斜拉桥领域较为先进的设计方式，通过计算表明，该设计方案安全可行，能够确保桥梁建设顺利进行，以及在使用中发挥其巨大的作用。

［1］ 张 铭，詹建辉.襄樊汉江三桥主桥设计与技术特点［J］.世界桥梁，2011(1):9-12.

［2］ 施志勇，李欣然，陈德伟.鄂东长江大桥主塔下塔柱连接段温控分析［J］.结构工程师，2009，25(2):62-66.

［3］ 孙 勇.城市独塔斜拉桥的施工监控研究及计算分析［D］.北京:北京交通大学，2007.

［4］ 刘长海.大跨度斜拉桥索塔锚固区有限元仿真分析［J］.山西建筑，2010，36(29):308-309.