桂洲水道大桥结构设计及计算分析

马玉全，郭文华，钟健聪

（1.广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东广州510507；2.广东交通职业技术学院，广东广州510650）



桂洲水道大桥结构设计及计算分析

马玉全1，郭文华1，钟健聪2

（1.广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东广州510507；2.广东交通职业技术学院，广东广州510650）

摘要：桂洲水道大桥主桥为独塔空间双索面不对称斜拉桥，跨径布置为（36.07+68.5+138.57）m，采用塔墩梁固结的结构体系。文中介绍了该桥的结构布置、主梁、主塔、拉索及下部结构的设计情况；给出了静力及动力计算的主要结果，对理论研究及工程实践具有一定的参考价值。

关键词：独塔斜拉桥；固结体系；结构设计；计算分析

1 工程概况

桂洲水道大桥位于中山市黄圃镇，跨越桂洲水道，桥位河段为国家Ⅳ级航道，桂洲水道水面宽度约150 m，水深约6.0～8.1 m，河流属于珠江水系，河水受海水顶托，潮差0.8～1.5 m，具“一日两涨两落潮”特点，为中等潮汐区。桂洲水道为国家Ⅳ级航道，在桥梁轴线的法线与水流流向接近垂直，大桥主跨一跨跨越通航水域，单孔双向通航，要求通航净宽不小于120 m，净高不小于12 m，上底宽不小于109 m，侧高不小于8 m；设计最高通航水位采用洪水重现期10年一遇洪水位，采用4.431 m（国家85高程系统）作为设计通航水位。

在桥型方案审查过程中，经多方案反复比选，多方征求意见，最后确定独塔空间索面预应力混凝土斜拉桥方案。桂洲水道大桥主桥为独塔空间索面斜拉桥，引桥为等截面预应力混凝土连续箱梁与预应力混凝土小箱梁，桥梁总长782.5 m，其中主桥长243.14 m，引桥长539.36 m。

2 结构设计

2.1 上部结构

2.1.1 结构布置

主桥为（36.07+68.5+138.57）m独塔空间双索面预应力混凝土斜拉桥，全长243.14 m，如图1所示。

桥幅布置为：1.3 m（布索区）+0.5 m（防撞栏）+0.75 m（路缘带）+10.5 m（行车道）+0.75 m（路缘带）+0.5 m（防撞栏）+3.0 m（人行道）+ 0.25 m（栏杆）+1.3 m（布索区）=18.85 m。

图1　桂洲水道大桥主桥总体布置　（单位：cm）

2.1.2 支承条件

（1）辅助墩的设置

本桥辅助墩设置在距离桥塔中心线68.5 m处。

（2）约束体系

本桥采用塔、墩、梁固结体系，边墩设置纵向滑动支座，辅助墩设置拉压球形钢支座，边墩、辅助墩设置横向抗震设施。

2.1.3 主梁

主梁纵向按全预应力构件设计，横隔梁按A类预应力构件设计，桥面板按普通钢筋混凝土构件设计。

主梁的基本断面形式是边主梁，断面全宽18.85 m，主肋高度2.3 m，顶宽1.6 m，底宽1.8 m，如图2所示，横隔板的基本间距是8 m；在边跨辅助墩附近至锚跨实心段，由于结构受力的要求及平衡悬浇的需要，节段长度变化为6 m，边肋宽度加宽至顶宽3.0 m，底宽3.2 m，横隔板的间距也相应调整为6 m；主梁顶板厚0.30 m，设单向2%横坡。普通横梁厚0.26 m，边墩顶横梁加厚至2.7 m，辅助墩顶横梁加厚至2 m。

图2　桂洲水道大桥主梁标准断面（单位：cm）

主梁悬臂施工预应力钢束，在各梁段主肋中布置8根19Φs15.2 mm通长预应力钢束，桥面板中布置24根3Φs15.2 mm通长预应力钢束，0#梁段范围内主肋中增加2根19Φs15.2 mm阶段预应力钢束。主梁悬臂施工预应力钢束除在0#梁段采用两端张拉以外，在其余梁段均为单端张拉。

主跨合拢预应力钢束，除主肋中和桥面板中布置通长预应力钢束（单端张拉）外，在主肋增加布置14根19Φs15.2 mm预应力钢束、10根15Φs15.2 mm预应力钢束，均采用两端张拉。

边跨合拢预应力钢束，除主肋中和桥面板中布置通长预应力钢束（单端张拉）外，在主肋增加布置14根15Φs15.2 mm预应力钢束（两端张拉）。

2.1.4 斜拉索

本桥斜拉索采用空间双索面扇形布置，主塔两侧各分布15对，全桥共30对60根。斜拉索采用双层HDPE防护低应力φ7 mm平行热镀锌钢丝，标准强度fpk=1 670 MPa，采用φ7 mm冷铸锚，斜拉索两端预埋管内设置减振器。

斜拉索的防腐采用三重体系：①斜拉索采用镀锌平行钢丝；②镀锌平行钢丝扭绞后的裸索外加缠包带；③整根斜索外套PE管加以防护。内层PE护套为黑色，外层PE护套为彩色；外层PE护套不仅起着防腐效果，同时，对全桥的景观也起着装饰作用，外层颜色暂定为橘红色。

2.1.5 主塔

主塔为菱形塔，承台顶高程为2.5 m，塔顶高程为84.728 m，塔高82.227 m，自桥面以上塔高65.0 m。整个主塔由下塔柱、横梁、上塔柱及塔尖等部分组成。下塔柱与横梁间连接转折处设置圆曲线，以适应结构内力的需要，同时使主塔线条过渡顺畅，造型显得更加挺拔美观。塔柱为单箱单室截面，纵桥向宽度：上下塔柱均为6 m；主塔柱横桥向宽度：上塔柱为2.8 m，下塔柱横梁以下至承台位置从2.8 m变化到4.5 m。上塔柱顺桥向壁厚0.7 m，横桥向壁厚1.3 m；下塔柱顺桥向壁厚0.7 m，横桥向壁厚0.7 m。索塔构造如图3。

图3　索塔一般构造（单位：cm）

主塔横梁为单箱单室截面，横梁中心线位置标高为19.728 m，横梁顶面设置纵横破，横梁中心线梁高3.5～3.845 m，顶底缘宽5.6 m，箱室顶、底板壁厚0.7 m，腹板厚0.8 m。结合横梁的受力特点，在横梁的顶底板及腹板内配置了44根 19Φs15.2 mm横桥向预应力钢束，在横梁底板配置48根3Φs15.2 mm顺桥向预应力钢束，在横梁腹板配置100根3Φs15.2 mm顺桥向预应力钢束。

斜拉索锚固在主塔锚固区塔柱内壁的锯齿块上，为了克服斜拉索的水平分力在锚固区塔柱截面内产生拉力，在每根拉索锚固区截面四周布置了井字型加劲二次张拉预应力钢束。

为便于施工、定位、塔内设有劲性骨架，同时参与受力。上塔柱斜拉索锚固区的劲性骨架，施工时结合拉索导管定位，可作适当调整。

2.2 下部结构

2.2.1 主塔基础

主塔基础采用8根Ф2.5m钻孔灌注桩，桩身采用C30混凝土，按嵌岩桩设计。桩间距为5.0 m，顺桥向2排，承台采用整体式钢筋混凝土承台，承台高度5.0 m，承台平面尺寸22.0 m×9.0 m。承台采用C30混凝土，承台底设置100 cm厚C15素混凝土垫层。

2.2.2 过渡墩及基础

过渡墩为双柱式布置，桥墩为矩形墩，横桥向宽2.0 m，顺桥向宽1.8 m，承台采用分离式钢筋混凝土矩形承台，承台平面尺寸7.0 m×7.0 m，厚2.5 m；单个承台采用4根直径1.5 m的钻孔灌注桩，桩基按嵌岩桩设计。

过渡墩身采用C40混凝土，承台采用C30混凝土，桩基采用C30混凝土。承台底设置10 cm 厚C15素混凝土垫层。

2.2.3 辅助墩及基础

辅助墩为双柱式布置，桥墩为矩形空心墩，空心墩墩身壁厚均为0.5 m，顺桥向宽度3 m，横桥向宽度2 m，承台采用分离式钢筋混凝土矩形承台，承台平面尺寸7.0 m×7.0 m，厚2.5 m；单个承台采用4根直径1.5 m的钻孔灌注桩，桩基按嵌岩桩设计。

辅助墩身采用C40混凝土，承台采用C30混凝土，桩基采用C30混凝土，承台底设置10 cm厚C15素混凝土垫层。每个墩柱设置一个拉压球形支座QZ4000，以平衡活载在辅助墩顶产生的拉力。

3 结构计算分析

3.1 总体静力计算

按空间杆系有限元原理，采用MIDAS CIVIL2010空间有限元程序进行计算，按施工工序分析了施工各阶段及运营阶段的应力和变形情况，计算中计入了恒载、活载、混凝土收缩徐变、预应力、温度变化、风载、汽车制动力、支座沉降、船撞力、施工荷载等荷载，同时考虑了斜拉索的非线性以及梁塔中轴力对变形的二次力效应。均匀温度按桥梁所在地域的常年气温变化的实际情况，最大升、降温分别采用±20℃；梯度温度对于主梁结构依据桥面铺装类型和厚度，采用《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）规定的梯度升、降温模式；主塔按日照方位的不同，分别考虑了塔身在纵、横两个方向的侧壁存在5℃的不均匀温差；由于斜拉索的材质与塔和梁不同，因此存在两者间的不均匀温差，按±10℃予以考虑。风荷载仅考虑静分压力作用，取用桥梁所在地域的基本风速值（1/100，33.7 m/s），按《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T D60-01-2004）的规定，沿横桥向分别施加塔身侧面和主梁侧面。基础变位作用分别考虑了过渡墩、辅助墩基础沉降0.5 cm和主墩基础沉降1.5 cm。

图4　有限元分析模型

图5　成桥索力

短期效应组合时，主跨主梁上下缘除梁端计算结果失真外均不出现拉应力，最小压应力为0.3 MPa。边跨下缘不出现拉应力；边跨上缘的拉应力主要发生在辅墩墩顶和边跨截面突变处，但拉应力数值较小，为0.4 MPa，如图6、图7所示。

长期效应组合时，主梁正截面除梁端计算结果失真外不出现拉应力，一般区段的最小压应力为1.6 MPa的应力储备，如图8、图9所示。

标准效应组合时，主塔无拉应力，最大压应力发生在下塔柱，最大压应力为-10.5 MPa，如图10所示。

活载作用下主梁最大挠度为-0.108 m=1/ 1283 L，主梁结构刚度满足设计要求，如图11。

3.2 动力分析

采用单主梁模型，用MIDAS CIVIL2010空间分析程序对结构动力特性进行分析。

主桥结构前10阶振型特点见表1。

主梁一阶竖弯频率为0.53 Hz（图12），主梁一阶扭转频率为2.27 Hz（图13），主梁一阶扭转频率与主梁一阶竖弯频率比为4.28 Hz，桥梁刚度较大，结构抗风稳定性好。

图6　荷载效应短期组合作用下主梁上缘应力

图7　荷载效应短期组合作用下主梁下缘应力

图8　荷载效应长期组合作用下主梁上缘应力

图9　荷载效应长期组合作用下主梁下缘应力

图10　荷载效应标准组合作用下主塔应力

图11　汽车荷载效应作用下主梁位移

表1　结构动力特性

图12　主梁一阶竖弯阵型

图13　主梁一阶扭转阵型

4 结语

桂洲水道大桥为独塔空间双索面塔墩梁固结体系，一跨跨越桂洲水道。经计算分析，结构设计满足功能及受力要求，在斜拉桥的结构布置、主塔型式等方面作了一些探索，为今后类似桥梁工程建设积累一下经验。

参考文献：

［1］JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］中交公路规划设计院.JTG D60—2004公路桥涵设计通用规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］重庆交通科研设计院.JTG/T D65-01—2007公路斜拉桥设计细则［S］.北京：人民交通出版社，2007.

［4］王伯惠.斜拉桥结构发展和中国经验［M］.北京：人民交通出版社，2003.

研究方向：桥梁设计及理论研究

中图分类号：U442.5

文献标识码：A

文章编号：1671-8496-（2016）-02-0032-05

收稿日期：2016-01-07

作者简介：马玉全（1982-），男，工程师，工学硕士

Design and Calculation Analysis of Guizhou Watercourse Bridge

MAYu-quan1，GUO Wen-hua1，ZHONG Jian-cong2
（1.Guangdong Province Communications Planning&Design Institute Co.Ltd.，Guangzhou 510507，China；2.Guangdong Communications Polytechnic，Guangzhou 510650，China）

Abstract:The main bridge of Guizhou Watercourse Bridge is a single tower with spatial double-sided cable planes，asymmetrically cable-stayed bridge with the span arrangement at（36.07+68.5+138.57）meter，whch is built by the tower piers consolidation structure.This paper introduces the design of the main girder，pylon，cable stays and sub-structure，illustrates the key results of static and dynamic calculation analysis，which provides some reference for theoretical research and project practice.

Key words:Single-tower cable-stayed bridge；rigid fixity system；structural design；calculation and analysis