椒江二桥主桥索塔设计

2017-12-19郑本辉

城市道桥与防洪 2017年11期

关键词：椒江索塔主桥

郑本辉

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市200092）

椒江二桥主桥索塔设计

郑本辉

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市200092）

浙江省台州市椒江二桥主跨480 m，采用双塔五跨半封闭钢箱组合梁斜拉桥结构形式，是浙江省台州市的一座重要的公路桥梁。重点介绍了该桥索塔方案选择、考虑台州地区强台风的索塔受力分析、索塔锚固结构设计以及施工方案设计等情况，着力解决索塔抗风、防船撞、斜拉索锚固等难题，确保结构安全、合理。希望本桥的设计经验能对广大同行有所帮助。

台州；椒江二桥；斜拉桥；索塔；钢锚梁；设计；台风；施工

0 引言

椒江二桥是浙江省台州市内75省道跨越椒江的一座重要的公路桥梁。桥梁全长1665 m，主桥长900 m，主跨480 m。根据桥位处的自然、地质条件以及通航要求，最终设计采用双塔五跨半封闭钢箱组合梁斜拉桥结构体系。主桥结构布置如图1所示。由于桥梁所处位置为台风高发地区，设计风速高达45 m/s，主桥索塔最终选择采用有利于提高抗风性能的钻石形索塔。本文将对索塔方案选择、考虑强台风荷载的索塔受力分析、索塔锚固结构设计以及施工方案加以详细介绍。

1 索塔设计的主要控制性因素和塔型选择

桥塔设计主要考虑以下控制因素：

（1）需要适应特大跨斜拉桥的结构特点。椒江二桥主桥跨径达到480 m，属于特大跨径斜拉桥。索塔作为主桥的主要承重构件，除了承受恒载和正常使用活载、温度等作用之外，风荷载、地震力、波浪力、船撞力都是重要的设计控制因素。索塔设计需要综合考虑这些因素，确保结构安全、可靠。同时要考虑斜拉索的集中锚固、张拉，做到构造合理、施工便利。

（2）需要适应椒江入海口位置的复杂地质条件。椒江入海口位置地质情况复杂，有超过40 m厚的淤泥层，其他土层承载力也相对较差，理想的桩基持力层中风化岩层埋深标高在-130 m左右。因此在桥塔方案选择时需要尽可能选择基础规模相对较小的塔型，如钻石形塔、花瓶形塔等，不宜采用基础规模较大的A形塔、倒Y形塔。

（3）需要适应椒江入海口位置的复杂气象条件。台州位于我国的台风多发区。设计风速为45 m/s，几乎为国内桥梁设计之最。因此在桥塔方案选择时需要尽可能选择抗风性能好的空间索面塔型，如钻石形塔、花瓶形塔等，不宜采用平行索面的H形塔。另外要对索塔进行专项研究，拟定合理的索塔断面，减少桥塔的涡振效应。

（4）需要适应椒江入海口位置的复杂航运条件。椒江入海口航运繁忙，经过通航论证，设计通航万吨杂货轮。索塔设计需要确保具有一定的防船撞能力。

在综合考虑上文相关因素后，在初步设计阶段考虑了三种索塔塔型方案，见表1。其中花苞塔为国内首创。

经过初步设计专家评审，一致认为钻石形塔造价最省、施工简便、工艺成熟，传力路径明确，确定为最终的实施方案。

2 索塔设计

如图2所示，索塔采用钻石形钢筋混凝土结构，总高152.76 m。从上至下分为塔头、上塔柱、下横梁、下塔柱、塔座五个部分。其中塔头高25 m，上塔柱高91.56 m，下塔柱高36.2 m；下塔柱横桥向外侧面的斜率为1/4.213，内侧面的斜率为1/2.843；上塔柱横桥向斜率为1/6.474。上塔柱截面顺桥向宽度由7.5 m渐变到8.5 m，横桥向宽度为4.5 m。下塔柱截面顺桥向宽度由8.5m渐变到11.5 m，横桥向宽度由4.5 m渐变到8 m。索塔在桥面以上高度为107.992 m，高跨比为0.225，塔底左右塔柱中心间距20.00 m。

图1 椒江二桥主桥总体布置图（单位：mm）

表1 三种塔型综合比选

图2 索塔总体布置图（单位：mm）

上塔柱为斜拉索锚固区，采用钢锚梁与环向预应力结合的结构方案。在上、下塔柱转折处设置下横梁抵抗横桥向水平力。塔柱采用空心箱形断面，为改善索塔景观效果同时减少风荷载作用，塔柱外侧均设两级的倒角。上塔柱锚固区塔壁厚度为横桥向0.8 m，顺桥向1.2 m，中间设钢锚梁；上塔柱非锚固区壁厚为横桥向1.2 m，顺桥向1.4 m；下塔柱塔壁厚度均为1.2 m。

索塔基础采用钻孔灌注桩加承台的结构形式，单个索塔基础采用30根桩径由2.8 m变到2.5 m的超长嵌岩桩，最大桩长139 m，为国内桥梁之最。之所以采用超长嵌岩桩是基于该地区复杂的地质条件，经过计算比选，采用嵌岩桩相对摩擦桩可以大大减小桥梁基础规模，降低承台自重产生的附加荷载，造价相对摩擦桩节省约2亿元。

为了满足抗震及万吨轮防船撞的需要，索塔桩基参照苏通大桥的设计思路，将钻孔桩施工钢护筒作为永久构件参与受力。另外索塔承台外的施工钢套箱兼做防船撞钢套箱，有效减小船撞对索塔和船舶本身的伤害。

3 索塔受力计算分析

椒江二桥索塔施工阶段及成桥使用阶段主要受力计算的主要荷载工况组合如下：

（1）正常使用阶段荷载组合。

a.恒载。

b.恒载+活载。

c.恒载+活载+温度+基础变位+常规风（与汽车荷载组合）。

d.恒载+基础变位+极限风。

e.恒载+基础变位+地震荷载。

f.恒载+基础变位+船撞荷载。

（2）施工阶段荷载组合。

a.裸塔+施工阶段风荷载。

b.最大双悬臂+施工临时荷载+施工阶段风荷载。

c.最大单悬臂+施工临时荷载+施工阶段风荷载。

d.主桥合拢+施工临时荷载+施工阶段风荷载。

除以上工况外，还考虑了远期使用阶段断索、换索的不利工况以及施工期间落梁的不利工况。主要选取钻石形索塔四个不利截面进行验算，分别为下塔柱底部截面、上塔柱底部截面、上塔柱中部截面、上塔柱顶部截面。

索塔设计采用了Midas软件进行空间三维分析，并采用ANSYS实体模型进行校核。经计算，由于台州地区风荷载（设计风速45 m/s）远大于其他地区，使用阶段主要控制工况为恒载+极限风（含考虑抖振）工况。施工期间主要控制工况为最大双悬臂+施工临时荷载+施工阶段风荷载（含抖振）。最终设计受力最大的上塔柱顶部断面采用了双排32的束筋，其他控制断面基本采用单排32的束筋。并且要求在施工期间保留最上面一道临时支撑，直到主梁合拢后方可拆除。

4 索塔锚固结构设计

4.1 锚固方案比选

主塔的拉索锚固段是将一个斜拉索的局部集中力安全、均匀地传递到塔柱的重要受力构造。采取何种方式锚固与拉索的布置、拉索的根数和形状、塔型和构造等方面密切相关。本项目在设计过程中，对锚固结构进行了专题研究。根据椒江二桥桥塔的形式及拉索的构造特点，有三种锚固方式可以选择：钢锚箱、钢锚梁和环向预应力（见表2）。

在三种锚固形式中，钢锚箱方案明显不适合本桥的塔柱尺度。环向预应力有着造价低、后期维护简单的优点。但结合国内以往的经验，环向预应力的性能如何往往取决于施工质量，人为因素比较大。而且高空作业，质量检测也比较困难。因此将可靠性更高的钢锚梁结合环向预应力粗钢筋的方式作为最终的推荐方案。

4.2 锚固结构设计

钢锚梁作为斜拉索锚固结构，设置在塔头和上塔柱中，承受斜拉索的平衡水平力。钢锚梁共19节，分四类，各锚固一对斜拉索。钢锚梁由受拉锚梁和锚固构造组成。根据总体计算各阶段索力，A8～A26（J8～J26）共19对斜拉索均可采用钢锚梁结合预应力粗钢筋方式锚固，A1～A7（J1～J7）仅采用预应力粗钢筋方式锚固，预应力钢筋采用JL32 mm精轧螺纹粗钢筋。

相关布置图、平面图、立面图如图3～图5所示。

5 索塔施工方案及实施情况

图3 钢锚梁总体布置图

图4 钢锚梁平面图

图5 钢锚梁立面图

索塔施工主要采用劲性骨架结合爬模施工的施工方案。由于下塔柱外倾，上塔柱内倾，施工期间分别设置一道平衡拉杆和三道临时横撑以改善索塔施工期间的受力状态。具体施工步骤及现场照片见表3。

表3 索塔施工过程及照片记录

钢锚梁锚固施工步骤为：

（1）在索塔和钢筋混凝土牛腿施工时，牛腿顶面预埋钢板，钢板与牛腿间通过剪力钉连接。

（2）索塔和牛腿的混凝土达到强度后，张拉塔内预应力粗钢筋。

（3）分别吊装钢锚梁左右两部分到指定位置，在塔上完成栓接。

（4）安装斜拉索，张拉斜拉索到指定吨位（张拉吨位由施工监控单位提供，报由设计、监理同意后实施）后再对钢锚梁底板和牛腿顶部预埋钢板之间进行最终固定。

6 结语

椒江二桥作为浙江省的重点工程、台州市的标志性建筑，所处地理位置建桥条件极其复杂，对设计人员提出了很高的要求。设计中吸取了国内外大跨径斜拉桥梁设计的宝贵经验和教训，着力解决索塔抗风、防船撞、斜拉索锚固等难题。利用有限元软件对成桥和施工阶段的各部分构件进行了验算，确保结构安全、合理。该桥于2014年1月建成通车，建成三年多来使用情况良好（见图6）。本桥索塔的设计经验也将为国内类似桥梁的设计起到借鉴作用。