某城市矮塔斜拉桥的设计计算

俞欣 张朝贵 张江峰

中交公路规划设计院有限公司

某城市矮塔斜拉桥的设计计算

俞欣 张朝贵 张江峰

中交公路规划设计院有限公司

矮塔斜拉桥因其良好的美学景观价值和经济性，从而更适合用于跨越城市河流。本文提供了一座城市矮塔斜拉桥的设计方案及其校核计算的主要流程，为广大施工设计人员，在城市中建造景观桥梁提供一个参考范例

矮塔斜拉桥；景观桥梁；设计方案

low tower calbe stayed bridge；andscape bridge；design scheme

1 矮塔斜拉桥特点

1995年我国著名桥梁专家严国敏先生首次把它定义为“部分斜拉桥”。其含义是：在结构性能上，斜拉索仅仅分担部分荷载，还有相当部分的荷载由梁的受弯、受剪来承受。“部分斜拉”即源于斜拉索的斜拉程度。后来国内一些文章根据这种桥 型塔高较矮的特点，又把这种桥型定义为矮塔斜拉桥。

其具有以下几个特点：

(1)美学景观特征：矮塔斜拉桥主梁高度是连续梁的1/2左右，具有纤细、柔美的美学效果，克服了连续梁桥主梁高度过大带来的压迫感和桥梁上、下部结构不协调的弊端。桥塔和斜拉桥的设置使其具有斜拉桥宏伟、壮观的感觉。

(2)跨径布置灵活：矮塔斜拉桥可设计成单塔双跨、双塔三跨和多塔多跨等不同的结构形式。单跨径在100m～300m范围内为宜，克服了多塔斜拉 桥做带来的刚度不足和各跨相互影响的弊端，发挥了多跨连续梁桥的优点，无论在单孔跨径和总桥长设计方面均有较大的选择空间。

(3)施工简便：矮塔斜拉桥的施工方法与连续梁桥基本相同，可采用悬浇法施工。施工中不必进行斜拉索二次索力调整。由于矮塔斜拉桥桥塔较矮，桥塔施工也没有斜拉桥桥塔施工复杂。

(4)经济性好：通过国内外以建成的矮塔斜拉桥吵架分析，该桥型每延米造价与连续梁桥基本持平，低于一般斜拉桥造价，具有可观的经济效益。

正是由于矮塔斜拉桥的上述特点，在城市中有河流经过的地方，其灵活的跨径布置和良好的经济性指标使其在设计阶段就大受青睐，在施工阶段同样因其施工简便而大受欢迎，在其使用阶段，更是以其良好的美学景观价值成为城市中一道道亮丽的风景线。本文介绍了某城市矮塔斜拉桥的整个设计流程供广大设计人员参考。

2 工程背景简介

该桥所在位置处，往西为湖泊风景区，属城市景观河道；向北连接大城市，为航运专线，沿城市外围绕行，河岸已作部分整治。

按城市桥梁规划[1]要求，进城段河道航道标准为五级，通航净高大于5m，净宽大于45m，满足双向通航要求。按此规定，本桥采用的主要设计标准如下：桥梁连接道路为城市主干道，道路控制红线宽度40m，控制车速50km/h，双向四车道，设非机动车道和人行道。已建道路横断面布置为4m(人行道、绿化)+4.5m(非机动车道)+4m(机非分隔带、绿化带)+15m(机动车道) +4m(机非分隔带、绿化带)+ 4.5m(非机动车道)+4m(人行道、绿化)，总宽40m。受用地控制，沿线高路堤及桥梁引道路侧均采用浆砌块石挡土墙连接。本工程设计道路总长560m，其中桥梁总长350m，接线道路总长210m。

3 桥梁及连接道路设计

3.1 桥梁方案设计要点

一般桥梁采用路桥等宽的布置形式，而对于长大桥梁，为提高结构使用效率，降低造价和桥梁维护费用，横断面布置形式主要满足交通和结构要求。

本文大桥横断面布置方案为，人行道宽3m；结合桥梁结构需要，设置2.5m机非分隔带、绿化带，主桥塔梁结合处，设置3.5m机非分隔带。桥梁标准宽度控制在35m，通过在引道上设置人行道和机非分隔带宽度渐变段，与规划道路断面一致。

桥位处原河道宽185m，城区段发展为景观河道后，河口段南半侧已进行回填，形成了外河内湖的格局。基于现状河道具有自然、生态的环境，河汊宽阔、浩茫的气势，本文大桥设计方案以原河道岸线作为主桥控制范围，同时，尽可能增加引桥桥跨，以使河道及岸线景观具有延续性和视觉上的通透性。

规划的进出城区主航道设置在河道北侧，由于地处河汊、航道弯道处，桥梁净空除满足双向通航净宽要求之外，还必须使通航河道内的桥下净空都满足净高要求以及桥下空间的通视要求，以确保船只和结构的运营安全。考虑到远期城市水环境的开发和利用，南侧河道保留五级航道的通航标准，以利于今后河汊处的航线的选择和调整。

为满足接线道路纵坡控制要求和桥下空间通透性要求，结合工程环境特点、工程造价控制要求，可选择系杆拱桥和斜拉桥两种桥梁类型。

本工程具有以下特点：1）桥面宽；2）桥下净高小；3）桥梁跨径大。在桥型选择上要避免产生压抑感，同时，如采用奇异结构，会带来高投入、高维护费用及实用性差的弊病。

3.2 桥型方案布置

桥梁跨径布置为3孔20m(北引桥)+2孔95m(主桥)+5孔20m（南引桥），桥梁总长350m，其中主桥长190m ,引桥长160m。主桥方案为独塔双索面预应力混凝土斜拉桥，塔梁墩固结体系。主桥结构特点：1）主梁借用桥面机非分隔带结构高度，来提高主梁整体刚度，满足桥梁建筑高度控制要求；2）设置体外锚固块，不破坏主梁结构整体性；3）桥塔造型简洁新颖。

桥面以上桥塔高度为45m，塔身采用实体斜柱式结构，锚索区为箱形截面，箱体内部为钢结构锚箱，钢锚箱与混凝土外壁连接成整体，既作拉索受力锚箱，又作结构内模，比之于全钢结构具有良好的结构耐久性。

桥面结构采用π形双主梁，标准段主梁间距16.8m，梁宽1.8m，塔梁连接处梁宽3.5m；横向设置端横梁、中横梁及塔柱横梁，横梁标准间距6m，内横梁宽度40cm，端横梁设置牛腿，兼作引桥盖梁。

全桥布置13对拉索，梁上索距为6m；塔上间距1.5m～2m。拉索采用平行钢丝外加保护套的成品索，冷铸式锚头。梁上锚点设置在主梁外侧。

按照设计方案拟定的结构尺寸，建立有限元分析模型，采用桥梁专用分析程序进行了初步计算分析，主要结果如下；1）塔身最不利组合荷载条件下，最大压应力小于12兆帕；2）构件稳定系数达到65左右，大于常规控制值；3）活载最大位移5.5cm，满足小于1/500规范要求；4）结构扭转基频2.4，计算颤振临界风速大于150m/s，大于当地颤振检验风速50m/s；5）按照抗震规范计算的地震效应，不控制结构设计。

3.3 连接道路设计要点

本工程道路工程的控制要点：1）道路纵断面设计，在满足航道通航净空要求下，也能满足非机动车骑行需要；2）优化本文大桥纵断面设计，有效降低环城路交叉口填土高度；3）采用水泥混凝土搅拌桩，对道路填浜段和桥头高填土段进行地基加固处理。同时，进行必要的排水工程建造设计，按照暴雨强度计算公式中，设计重现期：p=1年，地表径流系数为0.65，地面集水时间10分钟。雨水汇水范围为道路本身排水，雨水就近排入河道。

4 设计计算校核

本文还提供了独塔斜拉桥的主要设计计算内容，主要包括结构的静力分析与稳定分析。校核计算结果满足相应的规范和要求，证明结构是可行的。本文桥梁结构有限元模型如图1所示。

图1 本文桥梁结构有限元模型

4.1 静力响应校核

①支反力汇总

主墩最大支反力为41189千牛，采用钻孔灌注桩群桩基础，单桩平均承载力在4500～5000千牛，布置9根桩，承载力满足要求。

②最不利荷载组合下拉索力：

在最不利荷载组合下，最大索力为3869kN，索的应力满足规范要求。

③最不利荷载组合下塔身应力：

塔身最大压应力为7.1Mpa，满足规范要[2]

④结构挠度验算：活载作用下跨中挠度之和：4.95cm

4.2 稳定性校核

第一阶失稳模态为面内不对称竖弯失稳，临界荷载系数为66.36；第二阶失稳模态为主跨面外失稳，临界荷载系数为67.56；均满足规范临界荷载不小于4的要求[3]。

[1]城市桥梁设计准则(CJJ11-93) [S].中华人民共和国建设部发布,1993.10

[2]公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 (JTG D62-2004) [S].中华人民共和国交通部发布,2004.06

[3]公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004) [S].中华人民共和国交通部发布,2004.10

Introduction of a Low Tower Cable Stayed Bridge in City

For its favorable aesthetic landscape value and economy advantage, low tower cable stayed bridge is more adaptive for stride across the river in city. In this paper, aims at providing a reference model for the other designers, the main procedures in the design and checking process of a low tower cable stayed bridge in city are introduced.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.13.022