无背索斜拉桥结构设计与施工

吴太广

（广东省建筑设计研究院，广东　广州　510010）

无背索斜拉桥结构设计与施工

吴太广

（广东省建筑设计研究院，广东广州510010）

无背索斜拉桥是一种新型斜拉桥，其造型独特，且极具视觉冲击，适合于对景观要求较高的城市桥梁。为了全面了解其结构构造、受力特点及动力特性，以某无背索斜拉桥方案设计为例，详细介绍了主塔、主梁、拉索等主要构件结构设计，并通过建立三维有限元模型，分析了其动力特性与稳定性。结果表明，一阶失稳模态为主塔侧弯，其稳定系数偏高，主塔截面仍有优化空间。另外，分析了无背索斜拉桥的斜塔倾角及主梁截面形式选取等关键技术问题，并介绍了无背索斜拉桥施工方法

无背索斜拉桥；斜塔体系；斜塔倾角；桥型研究；景观桥

1　概述

自1992年第一座无背索斜拉桥在西班牙建成以来，无背索斜拉桥因其新颖独特的造型及强烈的视觉冲击效果，迅速成为城市景观桥梁的优势桥型［1，2］。

在某跨江桥方案设计中，因通航及泄洪等要求，河道中不能立墩，需一跨跨越约70 m宽的河面，且桥所在位置为进入市区的门户，对景观要求高。通过方案筛选，适合此处的桥型有普通梁式桥、下承式拱桥和无背索斜拉桥。通过综合比选，推荐采用无背索斜拉桥。此桥型可成为城市标志性建筑和城市名片，方案效果如图1所示。

图1　方案效果图

2　总体布置

主桥为20 m（辅助孔）+75 m（主跨）+20 m（边跨）独塔无背索斜拉桥，引桥上部结构为3×30 m预应力混凝土连续箱梁。

主桥采用塔、梁、墩固结体系，拉索成竖琴式布置，单索面布索；根部无索区段长17 m，边跨无索区段长7 m；主梁上拉索间距为6 m，共9排，塔上拉索间距4 m，拉索水平倾角为25°；主塔水平倾角为58°，桥面以上部分塔高49.5 m。为方便行人上下桥，在塔根部设置一个高3 m、宽3 m的过人孔。主桥立面及横断面布置如图2、图3所示。

图2　主桥立面布置图（单位：cm）

图3　主桥横断面布置图（单位：cm）

3　结构设计

3.1主梁

（1）钢脊骨梁

主梁采用钢-混凝土组合脊骨梁的大悬臂主梁形式。脊骨梁主箱室采用3 800 mm（高）× 6 000 mm（宽）的带倒角的矩形闭口单箱单室钢箱梁，钢箱壁厚t=28 mm。纵向加劲肋采用角钢，厚度t=18 mm，间距500 mm。脊骨钢箱梁内横隔板沿纵向每3 m设置一道，壁厚t=16 mm。钢挑梁挑臂长12 m，沿主桥纵向每3 m设置一道，钢挑梁采用变截面钢箱梁，截面宽500 mm，根部梁高2 000 mm，悬臂端梁高500 mm，钢箱壁厚t=28 mm。

（2）桥面板

桥面板采用20 cm厚C50混凝土板，桥面板预制，现浇接头。在钢挑臂上设置剪力钉实现同桥面板的连接。现浇湿接缝宽35 cm，采用C60微膨胀钢纤维混凝土，该方案采用预制桥面板可有效解决桥面板的收缩、徐变问题。

3.2主塔

索塔采用单柱式预应力混凝土箱型截面，截面的外轮廓尺寸为6 m×6 m矩形截面，壁厚50 cm。塔身倾斜通过拉索能自平衡主梁及桥面的恒载和部分活载，同时考虑在主塔截面根据受力情况布置竖向预应力，来增加索塔的各不利工况下的抗弯能力。

主梁脊骨钢箱梁伸入主塔根部，通过与埋置于塔根部的钢板、预应力拉杆等连接构造实现固结。在塔根部设置预应力混凝土横梁，根部梁高2.5 m，端部梁高0.8 m，边跨20 m跨预应力混凝土箱梁同塔根部预应力横梁固结，从而减少主桥伸缩缝构造，同时边跨配重也起到平衡主跨主梁内力的作用。

该方案人行道设置在桥面中间脊骨钢箱梁顶，并在塔根部开3 m×3 m的过人孔。

3.3斜拉索

斜拉索立面上采用竖琴式布置，仅在斜塔靠主跨一侧布置，斜拉索在斜塔上的索距4.0 m，在主梁上的水平锚距为6.0 m。

斜拉索采用PESFD新型低应力防腐拉索，HDPE外套，两端采用冷铸墩头锚具。全桥共设置9对斜拉索。拉索水平倾角25°。采用139丝7 mm规格的预制成品索，抗拉标准强度1 670 MPa。

斜拉索锚在斜塔中性轴上，这样可最大程度减小塔身不平衡弯矩，使得拉索垂直塔身分量与塔身自重垂直分量平衡。沿塔身竖直分量可传递至拱脚以平衡拱肋传递到拱脚的水平力。

3.4下部结构

主墩基础采用9根直径2.0 m钻孔灌注桩配4.0 m厚整体式承台，承台平面尺寸12.0 m×12.0 m。

4　主桥结构计算

为了保证设计方案的技术可行性，结构总体布置和初拟尺寸的合理性。采用有限元程序进行初步分析，分析中采用空间模型（见图4）。拉索采用仅受拉桁架单元、主梁及斜塔采用空间梁单元模拟。

图4　结构有限元模型

利用上节中建立的空间有限元模型进行自振特性分析，结构的前4阶自振频率及振型描述见表1。由于桥塔侧向近似悬臂状态，因此第一阶振型表现为主塔侧弯。另外，脊骨梁形成的桥面系纵向和横向刚度都较小，因此桥面系也表现出较大柔性。

表1　两种模型的动力特性（前10阶）

在自重+汽车荷载工况下，对模型进行空间稳定性分析，第一阶分析结果见图5。结果表明：结构的第一阶失稳模态表现为主塔侧向失稳与自振特性分析结果对应，第一阶稳定系数为22.19，安全系数较大，可以满足稳定性要求，同时也表明主塔侧向刚度偏大，主塔截面还有优化空间，后续设计阶段可继续优化，降低造价。

5　关键技术问题

无背索斜拉桥结构体系复杂，桥塔与主梁通过单侧拉索形成平衡系统。桥塔的倾角及主梁截面形式等都是关键设计参数，合理地选取这些参数，可以改善桥塔与主梁受力，提高结构安全性，降低造价。

图5　结构的失稳模态

（1）塔、梁的平衡关系以及斜塔的合理倾角确定［3，4］

无背索斜拉桥独特的造型使其在受力性能上与常规斜拉桥有很大的差别，典型特征是需要利用索塔的重量来平衡主梁上的荷载。设计中取主梁和二期恒自重加上活载的一半来与塔重平衡。

拉索和斜塔采用不同的倾角，将改变无背索斜拉桥的受力性能、施工难易程度和造价。桥塔倾角宜在对拉索和桥塔造价变化较小的范围内选择较大值，以利于控制塔身自重偏差对结构受力的不利影响，而且较大的倾角也有利于减小塔身施工的难度。综合计算表明，倾角拟定为56°～60°较合理。本方案采用58°塔水平倾角。

（2）主梁截面型式［5］

无背索斜拉桥不同于常规的直塔斜拉桥，拉索在梁内的水平分力在塔的根部可以相互平衡，尤其在塔墩梁固接点部位，要承受来自主梁巨大的轴力、剪力、弯矩及扭矩共同作用，受力情况较复杂。主梁采用脊骨梁形式的主要目的是为了使主梁轴力在塔的根部使索塔与脊骨直接相抵，即与塔的水平分力平衡。

另外，大悬臂翼缘板布置于主梁中性轴附近，主要考虑此处应力幅值最小，混凝土桥面板仅起到承受轴力的作用，于结构受力有利。

6　施工方法

该方案主桥施工方法如下：采用“先梁后塔”的施工工序［3］。

第一步：（1）在工厂预制好钢主梁；（2）施工桩基、承台和桥墩；（3）在河中央打设钢管桩临时墩；（4）现场施工塔梁固结块及与之相连的预应力混凝土横梁和边跨，并预埋钢主梁与塔墩的连接件。

第二步：（1）钢主梁吊装、拼装施工；（2）待钢主梁拼装施工到位后，焊接成整体。

第三步：（1）现浇1#拉索区域内索塔，并张拉索塔内预应力；（2）从桥塔根部开始吊装1#拉索区域内混凝土桥面板（预制板）；（3）张拉1#索至设计吨位。

第四步：（1）余下索塔和拉索依次依照1#索施工顺序施工直至全部索塔、拉索和桥面板施工完毕：（2）拆除临时墩；（3）依次补张拉部分前期索至设计吨位。

第五步：（1）辅助孔施工：（2）拆除全部支架；（3）人行道、防撞墩等附属工程施工；（4）对全桥钢构件和斜拉索采取必要的防护措施；（5）全桥桥面铺装施工，投入营运。

7　结语

无背索斜拉桥不同于常规斜拉桥，单侧拉索与倾斜的主塔形成一面鲜明的“旗帜”，造型优美，寓意深远，用于对景观有特殊要求的城市门户桥梁比较合适。无背索斜拉桥其受力系统也相比常规斜拉桥更复杂，特别是桥的稳定性尤为重要。本文通过建立空间有限元模型，分析了此桥的动力特性及稳定性。结果表明，该方案稳定性较高，可满足使用安全性要求，并提出可适当优化主塔截面降低造价。

无背索斜拉桥关键技术问题主要为主塔倾角及主梁形式确定，通过分析比较，主塔倾角取58°比较合理，主梁采用脊骨梁，使主梁因拉索产生的巨大轴力与主塔根部水平分析平衡。另外，该方案施工采用“先梁后塔”的施工工序，主梁一次施工成型后，开始分段施工桥塔并张拉对应区域钢束。

［1］邵旭东，陈爱军，李立峰.？？长沙市洪水大桥的创新设计［J］.中外公路，2005（4）:68-71.

［2］陈爱军，邵旭东.无背索竖琴式斜拉桥混凝土斜塔结构设计与研究［J］.公路，2006（8）:62-67.

［3］彭旺虎，邵旭东，李力峰，等.无背索斜拉桥的概念、设计与施工［J］.土木工程学报，2007（5）:26-33.

［4］郭金英，张育智.无背索斜拉桥关键参数分析［J］.公路交通科技：应用技术版，2013（3）:175-178.

［5］高红帅.既有无背索斜拉桥索力调整与内力分析 ［D］.哈尔滨：东北林业大学，2014.

U448.27

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1009-7716（2016）07-0160-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.046

2016-04-07

吴太广（1984-），男，湖南岳阳人，硕士，工程师，从事桥梁隧道设计工作。