独塔空间索面自锚式悬索桥结构设计

郭锦良

(广州瀚阳工程咨询有限公司，广东广州510620)

1 工程概况及技术标准

根据唐山湾国际旅游岛的总体规划中四纵三横、六点一片的交通体系，拟建设迎宾路跨海特大桥工程。该工程路线设计长度为1 605.824 m。其中，道路全长为75.524 m，桥梁全长为1 530.3 m。主桥桥长330.3 m，采用独塔空间索面自锚式悬索桥结构（见图1）桥跨布置为：7.15 m（北边跨牛腿）+108 m（混凝土加劲梁副跨）+168 m（混凝土加劲梁主跨）+40 m（主跨协作跨）+7.15 m（南边跨牛腿）。

桥梁技术标准：（1）一级公路兼城市主干道；（2）设计车速：60 km/h；（3）车道：双向 4 车道；（4）年平均相对湿度：67%；（5）荷载标准：公路—Ⅰ级、人群 2.5 kN/m2。

桥面布置：3.0 m(人行道兼非机动车道)+1.5 m(缆索保护区)+8.0 m(车行道)+0.5 m(中央防撞护栏)+8.0 m(车行道)+1.5 m(缆索保护区)+3.0 m(人行道兼非机动车道)＝25.5 m。

2 结构体系的选择

17号桥墩处选择墩梁固结。18号桥塔处：竖向采用支座支承，横桥向设置限位装置，纵桥向设置阻尼器。19号及20号桥墩处：竖向采用支座支承，横桥向设置限位装置，纵桥向设置阻尼器。

3 主要构件设计参数

3.1 桥塔设计（见图2）

桥塔外观采用“菩提叶”形状设计，以菩提叶的形状呼应当地菩提岛的佛教文化，梭形的桥塔又吸取了西方哥特式教堂的尖塔元素，表达了祥云岛上复原圆明园与西方文化渊源。

桥塔上、下塔柱为普通钢筋混凝土结构，塔高99.548 m，其中主体结构高82.43 m，塔顶鞍罩高17.118 m。桥面设计高程以上部分塔高为76.968 m，其中塔柱部分高为59.85 m。塔底设计高程为0.84 m（采用85黄海高程系统），塔顶设计高程为100.388 m。下塔柱横桥向外侧壁厚度由2.3 m变化至2.0 m，内侧壁厚度由1.5 m变化至1.2 m，顺桥向两侧壁厚度由2.1 m变化至1.6 m。上塔柱横桥向外侧壁厚度由2.0 m变化至1.5 m，内侧壁厚度由1.5 m变化至1.2 m，顺桥向两侧壁厚度由1.5 m变化至1.3 m。塔柱内室于距塔底31.699 m、43.699 m、55.699 m、67.699 m处各设置一道50 cm厚的水平隔板。塔柱标准截面外轮廓面积为30.25 m2，挖空率为23.3%。

3.2 桥墩设计

桥墩包含17号墩、19号墩和20号墩，其中17号墩为刚构墩，19号墩及20号墩为支座墩。桥墩墩身均采用单薄壁实心墩结构形式设计，17#墩身为A类预应力混凝土构件，19#及20#墩为全预应力混凝土构件，横截面呈圆端形布置，有助于减小水流阻力。薄壁墩墩身标准厚度为2.0 m，墩身总宽23.0 m，桥墩中部设置宽度为7.0 m的拱形门，增加了桥下的通透性和美观性。

3.3 加劲梁设计（见图3）

加劲梁采用C60混凝土结构，包含中间节段（标准段）、北侧主缆锚固块、南侧主缆锚固块、A合拢段及B合拢段。加劲梁中间节段（标准段）采用单箱三室鱼腹式断面形式，横截面中间处梁高为2.5 m，悬臂长度采用2.765 m。顶板宽度为25.5 m，厚度为25 cm；底板宽度为20.1 m，厚度为25 cm；中腹板厚度为40 cm，边斜腹板变厚。箱梁标准室宽为5.5 m。梁体桥塔处横梁宽度为3.0 m，吊点处横隔板厚度为40 cm，吊点处横隔纵向间距为6.0 m。

3.4 主缆设计

该桥主缆采用预制平行索股逐根架设的施工方法（PPWS），其抗拉强度不小于1 670 MPa。主缆由3跨组成，副跨—主跨—主跨锚跨。副跨理论跨径102.5 m，主跨理论跨径168.0 m。综合考虑主缆缆力、桥梁整体刚度、塔高等因素，经分析比较后，主跨的理论垂跨比为1:10.45。

图1 主桥桥型立面图

图2 塔柱截面及三维图

图3 加劲梁标准断面图

全桥主缆共2根，每根主缆中含61股平行钢丝索股，每股含127φ5.0 mm的镀锌高强钢丝，竖向排列成尖顶的正六边形。紧缆后，主缆为圆形，其直径为 486 mm(索夹内)和 492 mm（索夹外）。

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3.5 吊索及索夹设计

配合加劲梁梁段的划分及长度，主跨设顺桥向间距6 m的24个吊点，副跨设顺桥向间距6m的16个吊点。所有吊索均采用109φ5.0镀锌平行高强钢丝并带HDPE护套的成品索。全桥共160根（80组）吊索，吊索抗拉强度不小于1 670 MPa。

索夹由于吊索拉力及主缆倾角不同，索夹长度和螺杆数量均不相同。为便于制造和施工，将相近长度的索夹并为：索夹A～I共九类，其中索夹H为散索套（鞍）附近的无吊索索夹（兼有连接防护套功能），索夹I为主索鞍出口处楔形密闭式索夹（连接防护套）。索夹采用上、下对合型设计，通过M36螺杆进行连接，每根M36螺杆设计最终预紧力为450 kN。在吊索安装张拉完毕及主缆防护前，分两次再张拉，补足螺杆预紧力。

3.6 基础设计

桥塔承台长 22.75 m、宽16.5 m、高7.0 m，其中加台部分高为3.0 m，两个承台间加设横向联系梁，系梁高4.0 m，宽6.0 m。桥塔基础采用钻孔灌注桩，桩径为D2.5 m,计算桩长100 m，桩间距为6.25 m，单桩桩顶竖向力设计值按23 500 kN控制，每个承台下设置12根桩，共计24根桩。

桥墩承台长24.4 m、宽8.7 m、高4.0 m，桥墩基础采用钻孔灌注桩，桩径为D2.0 m，横桥向桩间距为5.3 m，纵桥向桩间距为5.5 m。单桩桩顶竖向力设计值按15 000 kN控制，每个承台下设置10根桩。

4 模型介绍

主桥整体分析采用两种计算方法：（1）大位移理论，该桥施工阶段模拟采用大位移理论考虑施工阶段的大位移（几何非线性）特性。（2）线性有限位移法，成桥阶段采用线性有限位移法将成桥状态下的主缆和吊索内力转换为几何刚度后做线性分析。该桥采用Midas civil桥梁分析软件进行结构分析计算（见图4）。实际建模过程中，将主梁、桥墩及桥塔按三维梁单元模拟；将主缆及吊索按三维索单元模拟。主梁共划分115个梁单元，桥塔共划分63个梁单元，桥墩均划分为7个梁单元，主缆共划分为88个索单元，吊索共划分为80个索单元。

图4 Midas civil程序中主桥三维图

采用Midas civil桥梁分析软件对独塔类型的悬索桥成桥线形进行求解时，往往会遇到很多困难。该桥通过采用“平良法”操作技巧，避免了很多问题。“平良法”的操作步骤：（1）利用建模助手建立第一个双塔模型用于寻找独塔主跨主缆线形，按目标参数调整双塔模型的主缆线形，使其边跨主缆线形接近独塔主跨主缆线形。（2）利用建模助手建立第二个双塔模型用于寻找独塔边跨主缆线形，以步骤1的主缆水平力为目标更新第二个双塔模型的主缆线形。（3）利用建模助手建立第三个双塔模型，通过删除另一半得到独塔的全桥模型，并将步骤（1）、（2）所得的双塔模型的边跨主缆线形、初始内力及吊索的初始内力更新至独塔的全桥模型中的“悬索桥分析”。（4）运行步骤（3）的模型，主缆及吊索的初始内力将发生变化。（5）利用步骤（4）各吊索初始内力的变化量，调整各吊索承担的恒载，重复步骤（1）～（4），直至步骤（4）的变化量达到设计要求。

5 主要荷载确定

（1）结构自重：预应力混凝土结构按26 kN/m3计算自重，普通钢筋混凝土结构按25 kN/m3计算自重；钢结构按78.5 kN/m3计算自重。

（2）二期恒载：按40 kN/m取用。

（4）预应力：预应力管道采用塑料波纹管成形，管道摩擦系数u=0.17，管道偏差系数K=0.001 5，锚具变形和钢束回缩量为6 mm（单端），管道压浆采用真空灌浆工艺。

（5）基础变位：主桥主塔不均匀沉降按25 mm考虑，边墩不均匀沉降按20 mm考虑；运营阶段基础沉降率估算见表1所列。

表1 运营阶段基础沉降量估算一览表

（6）汽车荷载：整体计算采用公路—I级车道荷载，按4车道计算，计算时考虑车道荷载的纵、横向折减系数，汽车冲击力按规范取值，横向计算及局部计算时采用车辆荷载计算，汽车冲击力按规范取值1.3。

（7）汽车制动力：单车道制动力按加载长度上的竖向静活载的10%计算，并不小于165 kN，多车道按规范乘以以下系数取值，同向2车道为2，同向3车道为2.34，同向4车道为2.68。

（8）人群荷载：单侧人群线荷载为8.63 kN/m。

（9）桥址处设计基本风速按《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T D60-01-2004)附录A取值，按100 a重现期的26.7 m/s风速取值，并按《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T D60-01-2004)相关规定计算加劲梁、桥塔及拉索纵桥向及横桥向的风荷载。

（10）整体升降温：桥址处多年平均气温10.2℃，结构设计基准温度为10℃；混凝土梁体系升温20℃、体系降温-20℃。

（11）温度梯度：混凝土结构竖向温差按《公路桥涵设计通用规范》计算。

（12）构件温差：主缆与混凝土加劲梁、混凝土桥塔间的温差取±15℃。

（13）地震作用：地震动峰值加速度为0.15 g。

（14）船只撞击作用：横桥向撞击力为6 424 kN，顺桥向撞击力为4 818 kN。

6 主要施工步骤

（1）施工桥塔桩基础及桥墩桩基础；（2）分层浇筑桥塔承台基础及桥墩承台基础；（3）施工桥塔下塔柱及下横梁；（4）施工桥塔上塔柱节段和桥墩墩身；（5）搭设加劲梁浇筑支架,并对支架进行预压；（6）施工加劲梁节段构件；（7）继续施工桥塔上塔柱节段；（8）施工加劲梁北、南侧锚固块；（9）继续施工桥塔上塔柱节段；（10）浇筑加劲梁北、南侧合拢段；（11）施工桥塔上横梁；（12）安装主索鞍及散索套的下半部；（13）安装猫道；（14）架设主缆索股，调整主缆线形及锚固跨拉力；（15）安装副跨散索套和主跨散索套的上半部，并拧紧螺栓；（16）紧缆及安装索夹；（17）安装吊索；（18）拆除主梁支架及桥塔下横梁支架；（19）施工桥面系。

7 主缆成桥线形及空缆坐标

主缆成桥线形见图5所示。空缆坐标见表2所列。

8 主缆中心索股及吊索无应力长度

8.1 主缆中心索股无应力长度（见图6，表3）

8.2 吊索无应力长度（见表4）

9 主要构件力学分析结果（见表5～9）

该桥的加劲梁、主缆、吊索及基础等构件由静力工况控制设计，各个计算指标均满足要求；桥塔塔柱及桥墩构件则由地震工况控制设计。其中，桥墩按能力保护构件进行设计。经分析，E1地震组合作用下，桥墩处于弹性受力阶段；E2地震组合作用下，桥墩潜在塑性铰区域进入塑性受力阶段，其转角、侧移及抗剪能力均满足规范要求。

表2 空缆坐标表（单位：mm）

图5 成桥线形图

图6 主缆索股构造示意图

表3 主缆索股无应力长度参数表（单位：mm）

表4 吊索无应力长度表

表5 混凝土加劲梁计算结果一览表

10 结语

唐山湾国际旅游岛跨海特大桥主桥是一座混凝土独塔空间索面自锚式悬索桥结构，该桥优雅美观、新颖独特。通过有限元程序MIDAS/CIVIL受力分析，该桥结构受力合理。

表6 主缆、吊索计算结果一览表(单位：MPa)

表7 桥塔E2地震组合作用下计算结果一览表

表8 支反力计算结果一览表（单位：kN）

表9 主桥颤振临界风速估算结果一览表

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