独塔双索面混合体系自锚式悬索桥设计与研究

陈东巨

(中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070)

独塔双索面混合体系自锚式悬索桥设计与研究

陈东巨

(中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070)

以湖南某工程为背景，研究国内较少采用的独塔、双索面混合体系自锚式悬索桥的设计方法，提出主跨采用钢加劲梁边跨采用混凝土梁、减小边跨跨度、设置外伸跨等技术措施，降低加劲梁应力水平，使得结构更趋合理，同时节约了钢材用量，大幅度降低了工程投资。

公路桥；独塔；混合体系；自锚式悬索桥；设计

1 工程概况

国内某跨河悬索桥，由西引桥、主桥和东引桥组成，主桥孔跨设计为20 m(混凝土锚跨)+240 m(钢加劲梁)+(55+75) m(混凝土加劲梁)+30 m(混凝土外伸跨)自锚式悬索桥，桥面宽32 m，按双向6车道布置，总体布置见图1。

图1 桥梁总体布置图(单位：cm)

2 主要技术标准

道路等级：城市主干道；设计行车速度：60 km/h；设计荷载：机动车采用公路I级，人群荷载局部计算时4.0 kN/m2，整体计算时2.5 kN/m2。

3 结构设计

3.1 桥塔

图3 钢加劲梁吊点处断面(单位：mm)

桥塔采用C50钢筋混凝土门式结构，外包16 mm厚钢板。桥塔设上、下横梁，上横梁为钢筋混凝土结构，下横梁为全预应力混凝土结构，塔顶设置装饰性塔冠。桥塔含塔冠总高118 m，分3节布置，第一节塔柱高45 m，第二节塔柱高35 m，第三节塔柱高32 m，塔冠高6 m。下横梁高5 m，上横梁高4 m，如图2所示。

基础采用桩基础。单侧桥塔基础采用9根φ250 cm钻孔灌注桩，双侧共18根。桩身采用C30水下混凝土，桩长7.5 m，承台厚6 m。

3.2 加劲梁

3.2.1 钢加劲梁

主跨加劲梁为钢箱梁，全长228 m。钢箱梁的两端分别与伸过主塔和26号桥墩的混凝土箱梁通过钢-混结合段连接。钢-混结合段长均为2 m。

钢箱梁为单箱四室截面，中心梁高3.2 m，顶宽32 m，底宽19.8 m，两侧悬臂各长4 m，外腹板为斜腹板，斜率为1∶0.88，内腹板中心距为6 m，见图3。

钢箱梁顶板厚16 mm，底板与外腹板厚均为14 mm，内腹板厚16 mm，悬臂处顶板厚12 mm。顶板、底板和外腹板均采用U形纵肋，与横隔板共同组成正交异性钢桥面板；钢箱梁横隔板间距3.0 m，吊索处采用板式横隔板，厚14 mm，非吊索处采用框架式横隔板，厚10 mm[1-6]。

3.2.2 混凝土加劲梁

边跨、外伸跨、锚跨加劲梁及主跨钢加劲梁两端外各4 m均采用预应力混凝土箱梁。混凝土箱梁为单箱四室截面，边腹板采用斜腹板，截面形状与钢加劲梁一致。中心梁高为3.2 m，在主缆锚固横梁处分别局部增加至6 m和5.5 m。

混凝土箱梁顶宽32 m，底宽19.8 m，翼缘长3.5 m，外腹板为斜腹板，斜率为1∶0.88，与钢箱梁一致。内腹板中心距6.0 m，见图4。

混凝土箱梁顶、底板厚均为26 cm，外腹板厚24 cm，内腹板厚30 cm。翼缘板端部厚20 cm，根部厚66.5 cm。在各墩、各主缆锚固横梁、主塔及钢-混结合段附近，箱梁顶、底、腹板根据受力和构造需要适当加厚。

在每道吊索处各设置1道横梁，间距9.0 m，在箱室内厚40 cm，在下锚点加宽至1.2 m。吊索横梁每侧设2根吊索，吊索纵向中心距40 cm，锚固于翼缘根部的锚座上。边跨主缆锚固横梁厚9.0 m，主跨主缆锚固横梁厚2 m[7]。

图4 混凝土加劲梁非吊点处一般断面(单位：cm)

3.2.3 钢-混结合段

钢-混结合段位置：钢-混结合段均设在主跨内，距桥塔中心4 m起为西侧钢混结合段，长2 m，之后为钢箱过渡段，长6 m；距次中墩中心4 m起为东侧钢-混结合段，长2 m，之后为钢箱过渡段，长6 m。

钢箱梁的外轮廓钢板在钢-混结合段处套在混凝土箱梁之外，并伸入混凝土箱梁1.5 m；腹板伸入混凝土箱梁2.0 m，如图5所示。

钢箱梁的顶板、底板延伸段通过PBL剪力键及抗剪焊钉与混凝土梁体牢固结合，并利用穿过钢-混结合段的纵向预应力束加以锚固，形成弯矩的传递。钢箱梁通过端承压板紧贴在混凝土箱梁上，传递轴向力。梁中的剪力则通过端承压板上的焊钉得到传递。

钢箱梁及混凝土箱梁两种梁体在刚度上的突变，则通过在钢箱梁过渡段顶、底板的U形纵肋上加焊变高度的π形纵肋而得到缓解[8]。桥塔处钢-混结合段纵断面见图5所示。

图5 桥塔处钢-混结合段纵断面(单位：mm)

3.3 主缆、索鞍、吊索系统

主缆主跨跨度240 m，矢高19.2 m，矢跨比1∶12.5，边跨跨度130 m，理论散索长度主跨、边跨分别为19、10 m。每根主缆由37根127丝φ5.3 mm的镀锌高强钢丝组成。

主索鞍鞍体采用ZG270—500铸钢铸造成型。横肋、水平肋等为Q235-A钢板焊接成。

吊索均采用双吊索体系，吊索间距400 mm。纵桥向吊点间距在标准段取为9 m，桥塔距最近吊杆为12 m。边跨吊索受力较大，采用15股7-φ5 mm PC钢绞线，主跨吊索采用9股7-φ5 mm PC钢绞线。

索夹采用上下两半联接，壁厚35 mm，下端设有耳板与吊索联接[9]。

4 结构计算

4.1 悬索桥整体计算模型

对主桥建立模型进行计算分析，建立有限元模型。主缆、吊索的索单元采用分段悬链线单元，加劲梁与主塔采用空间梁单元。主梁通过刚臂与吊索下端相连，形成鱼骨模型。原点坐标位于西侧锚跨梁端顶面，X为纵向坐标，沿桥大跨为正；Y为竖向坐标，向上为正；Z为横向坐标，下游侧为正。

4.2 计算结果及分析

4.2.1 梁的检算

对梁的承载能力极限状态、正常使用状态、持久状况进行检算，计算结果详见表1、表2、表3，混凝土的正截面抗弯承载力包络图、混凝土梁正截面抗压承载力包络图详见图6、图7[10-12]。

表1 承载能力极限状态验算结果 kN·m

表2 正常使用状态计算结果 MPa

表3 持久状况计算结果 MPa

图6 混凝土梁正截面抗弯承载力

图7 混凝土梁正截面抗压承载力

4.2.2 主缆、吊索、主索鞍检算

主缆采用48股127丝φ5.3 mm镀锌高强度钢丝，抗拉强度=1 770 MPa，在最不利组合下下，最小安全系数为2.525，满足规范不小于2.5的要求。

吊索安全系数均大于3，满足规范对于销铰式吊索的安全系数要求。吊索考虑车辆活载作用下引起疲劳应力幅，疲劳应力幅均小于150 MPa。索夹抗滑安全系数3.05，大于3.0。

主鞍槽中主缆抗滑安全系数：空缆时K=4.93>2.0，成桥时K=2.33>2.0，运营时K=2.45>2.0，均满足规范要求

4.2.3 结构计算结论

由以上的计算数据分析，结构受力合理，均满足规范要求。

5 结语

(1)主跨采用钢加劲梁，边跨采用混凝土梁，在保证主、边跨受力平衡的基础上，减小了边跨跨度，节约了钢材用量，大幅度降低了工程投资。

(2)为保证主跨的刚度及主缆锚固的需要，设置外伸跨是合理的。

(3)梁跨为混凝土加劲梁与钢加劲梁混合梁体系，设计时采取构造措施，确保成桥状态时减小梁体弯矩，使梁体接近轴压状态，降低加劲梁应力水平。

由于主跨采用钢加劲梁、边跨采用混凝土梁的结构形式，钢与混凝土如何连接是设计中的难点，通过设置过渡段、纵向预应力锚固、PBL剪力键及抗剪焊钉等综合措施，保证了荷载的有效传递，确保了结构的安全。目前该桥已经完成了施工图设计，正着手准备开展后续各项工作。

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Design and Research of Mixed System Self-anchored Suspension Bridge of Single Tower and Double Cable Planes

CHEN Dong-ju

(China Railway Shanghai Design Institute Group Co.， Ltd.， Shanghai 200070)

Base on an actual project in Hunan， the design method of mixed system self-anchored suspension bridge with single tower and double cable planes is studied， and technical measures are proposed such as using steel stiffening beam in main span and concrete girder in side span， reducing the length of side span， setting up overhang span. As such， the stress level of stiffening beam is reduced， structure is more reasonable， steel consumption and project investment are significantly saved.

Highway bridge; Single tower; Mixed system; Self-anchored suspension bridge; Design

2014-12-30；

2015-01-21

陈东巨(1974—)，男，高级工程师，2001年毕业于兰州铁道学院桥梁与隧道工程专业，工学硕士，E-mail:cdjsty@qq.com。

1004-2954(2015)09-0072-04

U448.25

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.09.017