孝感白水湖大桥设计

蒋蓉蓉

（上海市政交通设计研究院有限公司，上海市 200030）

1 概述

白水湖大桥位于湖北省孝感市，该桥全长为345m，由主桥及东西两侧引桥组成。该桥主桥采用无背索斜拉桥，跨径组合为100 m+35 m=135 m；引桥采用预应力混凝土小箱梁，桥梁总宽35 m。

如图1所示，远观白水湖桥倾斜的桥塔，犹如“双龙出水，一飞冲天”般气势恢宏；倾斜、笔直的桥塔给人以刚劲有力、巍峨壮观的感受；白水湖桥主塔塔顶的造型设计采用“龙”的意象，两塔间的横梁上嵌有一颗大型圆珠，整体打造出中国古代建筑雕刻中经常采用的“二龙戏珠”的景观造型，富有建筑美学感。

图1 白水湖大桥效果图

2 设计要点

2.1 主要技术标准

该工程的主要技术标准有：

（1）道路等级为城市主干路，设计速度50 km/h。

（2）汽车荷载为城-A级；人群荷载为3.6 kN/m2。

（3）抗震标准：地震基本烈度为6度；地震动峰值加速度a=0.05g。

（4）安全等级：一级。（5）环境类别：Ⅰ类。

（6）设计基准期：100 a。

（7）设计使用年限：100 a。

（8）设计基本风速：25.6 m/s。

（9）通航标准：无通航要求，但需考虑游船通行，主跨预留2.5 m净空高度。

2.2 桥梁总体布置

白水湖大桥主桥采用100 m+35 m=135 m的无背索斜拉桥，塔、墩、梁固结体系，双索面竖琴形布置。引桥采用交通部30 m预应力混凝土简支变连续小箱梁。

白水湖规划河口宽约265 m，由于现状河口较宽（约400 m），为避免大量填湖，实施蓝线宽约320 m，桥梁总长按照345 m布置，其中西侧引桥跨径组合为4×30 m=120 m，东侧引桥跨径组合为3×30 m=90 m（见图 2）。

桥梁横断面布置：0.3 m（栏杆）+3.2 m（人行道）+3.5 m（非机动车道）+3 m（机非分隔带）+15 m（机动车道）+3 m（机非分隔带）+3.5 m（非机动车道）+3.2 m（人行道）+0.3 m（栏杆）=35 m（由南向北）（见图 3）。

2.3 桥梁结构设计

2.3.1 主梁

图2 主桥立面布置图（单位：mm）

主梁采用全钢、全焊接、正交异性桥面板的纵横梁格体系。梁高为2.4m（最高处），梁宽为35m。为了充分发挥主梁全截面的材料受力性能，除按常规在主梁两侧拉索区布置双主梁外，在桥轴线上增设一道主梁，全桥为三根纵梁，梁距为9.25m。顺桥向每隔4 m设置一道中横梁（纵梁之间）与外挑悬臂横梁（纵梁之外），近桥塔处因塔梁固结的需要，将纵梁下翼缘联成整体，形成闭合箱梁，提高其整体抗弯、扭能力。

2.3.2 主塔

主塔采用钢箱结构作为主要受力结构，箱内填充混凝土作为平衡重，同时通过焊钉等与钢结构结合成一体，部分参与结构整体受力。主塔两根塔柱平行布置，间距18.5 m。塔柱顺桥向倾角为58°。两根塔柱之间设置圆管形刚横梁，横梁钢管直径为2m。塔柱顺桥向宽度为4.5 m（塔顶）~9.0m（塔底），横桥向宽度为2.25 m。桥面上塔高85.8 m（铅垂方向）。主塔塔壁钢板厚度为20~30 mm，横隔板厚度为12 mm。

2.3.3 斜拉索

斜拉索采用双索面竖琴形布置，全桥共10对拉索，水平夹角28°。斜拉索采用整束预制、现场安装的平行镀锌高强钢丝斜拉索结构。斜拉索索体防护采用热挤双层HDPE护套，主梁拉索锚固方式为板拉式，塔上设拉索张拉端。

2.3.4 主桥下部结构

主桥塔、梁与主墩固结，塔（钢结构）与墩（混凝土结构）结合段位于主梁下侧，采用将主塔下端钢结构埋入墩身混凝土结构的连接方式。埋入段钢结构内外两侧均设置剪力钉，以确保钢结构与混凝土结构结合牢靠。墩身内设置竖向预应力钢束，钢束采用单端张拉，张拉端设于主梁顶板上方，P锚端设于承台内。墩身截面为八边形，纵桥向宽度为11.5~14 m，横桥向宽度为3.04~5.24 m，墩身高度为6.68 m。

主墩采用矩形承台，两个承台间采用系梁连接。每个承台厚度为4 m，纵桥向宽度为19 m，横桥向宽度为11 m。为减小混凝土水化热引起的不利影响，承台内设置冷却管。

2.3.5 引桥结构

引桥采用交通部预应力混凝土简支变连续小箱梁。跨径为30 m，梁高为1 600 mm。

2.4 主桥施工方案

主桥无背索斜拉桥采用“先梁后塔”的施工方法，即采用支架法先完成主梁的施工架设，再逐节安装塔节段，并张拉相应的斜拉索，最后施工桥面及附属结构，完成主桥施工。

3 主桥结构受力分析

无背索斜拉桥结构新颖、受力复杂，其受力复杂性主要体现在：在无背索斜拉桥中，由斜拉索产生的水平力在塔根部需与斜塔的水平分力相平衡，同时需要依靠塔柱的倾斜来平衡桥面的恒载及活载，尤其是塔、墩、梁固结的节点区域，需承受巨大的轴力、剪力、弯矩及扭矩的共同作用。以下是白水湖大桥主桥的主要计算方法及计算结果。

3.1 计算模型

图3 主桥横断面布置图（单位：mm）

白水湖大桥主桥整体计算采用MIDAS/Civil 2012有限元分析软件。其中塔与梁采用空间梁单元；斜拉索采用桁架单元，并根据Ernst公式考虑拉索垂度影响下的弹模修正。有限元模型如图4所示。

图4 计算模型

3.2 成桥阶段静力计算

在无背索斜拉桥的设计中，首先要确定一个合理的成桥状态，即通过索力、主塔自重等参数的调节，使结构受力满足某种理想状态。该桥的成桥状态控制目标主要选择以下几个方面：

（1）控制主梁弯矩，尽量减小主梁弯矩，并且使主梁在恒载作用下的弯矩分布接近刚性支承连续梁。

（2）控制主塔弯矩，尽量减小塔内弯矩。（3）控制拉索索力，使拉索索力分布较为均匀。（4）控制边墩支座反力，确保其在最不利荷载作用下不出现负反力。

3.2.1 结构内力计算

根据既定的成桥状态控制目标，利用MIDAS/Civil的未知荷载系数功能求出成桥索力，再利用影响矩阵法对索力进行微调，最终得到一个较为合理的成桥受力状态。主要内力计算结果如图5～图7所示。

图5 恒载作用下弯矩分布图

图6 运营阶段最不利组合弯矩包络图

图7 成桥索力分布

根据内力计算结果，主梁在恒载作用下弯矩很小，并且接近刚性支承梁的弯矩分布；主塔在恒载作用下弯矩不大，塔底留有一定负弯矩，用以部分抵消运营阶段活载对塔产生的正弯矩；拉索索力分布较为均匀；边墩支点不出现负反力且有一定安全储备。由此可见，成桥受力状态控制较为合理。

3.2.2 结构应力计算

主桥在塔、梁钢结构运营阶段主要应力计算结果如图8所示。

图8 运营阶段塔、梁应力包络图

根据应力计算结果，主梁和主塔钢结构的最大应力为174 MPa，结构受力满足规范要求；拉索的最大拉应力为641 MPa，最小拉应力为479 MPa。最大拉应力满足不大于0.4 fpk=708 MPa，应力幅为162 MPa，拉索受力满足规范要求。

3.2.3 结构刚度计算

根据计算结果，恒载作用下，斜拉桥总体变形较小。在汽车和人群荷载的作用下，主梁的挠度为0.17 m，满足《公路斜拉桥设计细则》（JTG/T D65-01—2007）中不大于L/400=0.25 m的要求，结构刚度满足规范要求。

3.3 施工阶段静力计算

在确定合理成桥状态之后，需要制定合理的施工步骤，最终实现成桥合理的内力状态。该桥无背索斜拉桥采用“先梁后塔”的施工方法，主要施工过程如图9所示。

施工过程分析采用倒拆法分析各个施工阶段的结构受力状态，再根据倒拆得到的斜拉索初拉力进行正装分析，并对倒拆法得到的结果进行验证。

图9 施工过程示意图

根据施工过程倒拆的计算结果，各施工阶段钢结构最大应力为155 MPa，结构受力满足规范要求。

根据施工过程正装计算结果，正装计算得到的成桥索力与倒拆的初始阶段拉索索力比较接近，误差在1%以内，施工阶段分析结果可信。图10为倒拆与正装的成桥阶段索力比较。

图10 倒拆与正装的成桥阶段索力比较

3.4 结构稳定性计算

对主桥成桥后运营阶段的整体稳定性进行分析，主桥无背索斜拉桥第一阶屈曲模态为塔横向弯曲，临界荷载系数为5.6，稳定系数大于4，满足规范要求（见图11）。

3.5 结构抗震计算

图11 第一阶屈曲模态

该工程桥址处地震基本烈度为6度；地震动峰值加速度a=0.05g。对主桥结构空间计算模型按E1和E2设防水准进行反应谱分析，验算结构的抗震性能。

根据验算结果，在E1、E2地震作用下，塔、梁等钢结构主要构件均在弹性范围内工作，下部结构及桩基强度均能满足要求。

3.6 结构抗风计算

桥址处的设计风速取25.6 m/s，根据计算成桥状态的颤振检验风速 [vcr]=41.8 m/s，扭转基频为0.51 Hz，颤振临界风速vcr=114 m/s。成桥状态的颤振临界风速远大于颤振检验风速，抗风稳定性满足要求。

4 结语

无背索斜拉桥结构受力相较传统的斜拉桥更为复杂，且由于桥塔倾斜的缘故，施工难度较大；但因其优美而独特的景观效果，正越来越多地得到工程界的应用。本文以湖北孝感白水湖大桥为背景，简单阐述了该桥的结构设计思路及计算方法，为同类工程提供参考。