刚性吊杆自锚式空间悬索结构设计与分析

杜 鹏

（1.中船第九设计研究院工程有限公司，上海市 200063；2.上海海洋工程和船厂水工特种工程技术研究中心，上海市 200063）

1 概述

1.1 工程概况

剪影桥桥梁工程位于扬州市三湾公园内，现状古运河河道宽度约115 m，桥梁中心线与河道夹角为90°。桥梁工程设计起点桩号K0+116，终点桩号K0+284，全长168m，采用刚性吊杆自锚式空间悬索结构，跨径布置为（24+120+24）m=168 m。它借鉴了国家非物质文化遗产——扬州剪纸，别出心裁地采用性格豪放的现代材质和工艺，将剪纸艺术体现在桥梁之上。剪影桥总体立面图如图1所示。

图1 剪影桥总体立面图（单位：cm）

1.2 基本建设条件

1.2.1 自然地理

场地位于中纬度地带，属凉亚热带湿润气候，年平均降雨量1 033 mm，年平均蒸发量1 518 mm。潜水位年变幅最大为2.15 m，最小为0.84 m，高值一般出现在7—9月汛期，低值多出现在11—12月旱季。

1.2.2 地形地貌

场地位于长江下游冲积平原区，地貌类型属三角洲平原的古河口沙嘴。桥址处古运河西岸为沙石堆场，地面高程约5.5 m，东岸为农田，地面高程5.8～6.7 m。

1.2.3 地质构造

场地大地构造位置处于我国大陆东部扬子准地台苏南隆起区的江都隆起部位。场地北侧有蒋王-宜陵断裂、西侧有蒋王庙-酒甸断裂，东侧有凤凰河断裂穿过，其他断裂离场地较远。根据区域地质资料，这些断裂晚近期均未发现活动迹象，场地区域地质稳定较好。

1.3 主要技术标准

（1）人行桥。

（2）设计荷载为人群荷载，按《城市桥梁设计规范》（CJJ 11—2011）取用。

（3）古运河Ⅵ级航道，航道宽25 m，通航净空不小于4.5 m。

（4）抗震设防标准为7度,地震动峰值加速度0.15g。

（5）设计水位及设计洪水频率：最低通航水位3.830 m，最高通航水位5.830 m，设计洪水频率1/100。

（6）桥梁纵坡：桥面最大纵坡6%，最小竖曲线半径（凸）R=300 m。

（7）断面布置：2.0 m（左侧人行道）+4~16 m（中部人行道）+2.0 m（右侧人行道）=8~20 m。

2 主桥设计

2.1 结构体系设计

该桥采用刚性吊杆自锚式空间悬索结构，跨径布置为（24+120+24）m=168 m。主塔采用门式钢框架，加劲梁采用钢箱梁，加劲梁纵向为半漂浮体系，塔梁分离。边跨两侧分别设置重力式锚锭压重，主缆锚于锚锭上。悬索桥主缆为空间布置，由横向拉索控制主缆横向间距，其中跨中横向间距10.0 m，渐变至主塔处27.2 m，主缆垂度14.34 m，垂跨比1/8.368。

2.2 索塔及塔座

钢主塔采用门式框架形式，两侧塔柱中心距27.2 m，索塔全高26.85 m，为保证钢塔整体稳定性，距离塔底6 m高度范围内填充C50自密实微膨胀混凝土。塔顶处设置一道横梁，塔底采用靴式柱脚与混凝土承台相连。

塔柱采用钢箱断面，断面尺寸为1.5m×1.5m，沿纵向设置T形加劲肋，竖向每隔约5.0 m设置一道横隔板。主塔横梁为截面尺寸1.5 m×1.5 m的正方形截面，横梁顶、底板上纵向分别设置三道200 mm×20 mm加劲肋，横梁中部设置四道横隔板。塔柱底部采用靴式柱脚，每个柱脚用22个10.9级M42高强螺栓与塔底承台连接，高强螺栓预拉力P=695 kN，柱脚外露部分高度0.3 m，螺栓在混凝土承台中部分采用直径56 mm PVC管材包裹，以利于螺杆受力。

2.3 缆索系统及鞍座

全桥主缆共2根，主跨跨径120 m，主缆垂度14.34 m，矢跨比为 1/8.368，主缆规格采用FPES7-451（锌-5%铝-混合稀土合金镀层）成品索，外径191 mm，双层护套结构标准抗拉强度σb=1 770 MPa，主缆外包双层PE（黑色内层彩色外层）进行防护，锚固压重锚锭上，锚固采用PESM7-451冷铸锚锚固体系（见图2）。

图2 主缆断面图（单位：mm）

主缆在索塔顶设索鞍，全桥共设置4个索鞍。索鞍由鞍座及鞍座底座等组成。索鞍总高1.5 m，鞍座由鞍槽及鞍座座体组成，为ZG310-570铸焊结构。鞍座底座设于钢塔塔顶，鞍座底座要求表面平整并具有足够的竖向弯曲刚度。桥塔塔顶索鞍通过高强螺栓固定于桥塔顶部。索鞍外附6 mm厚Q345qC索鞍罩，索鞍罩与索鞍底钢板通过角焊缝固定，以防雨雪进入鞍座。

2.4 索夹

索夹采用两个铸钢半圆构件，高强螺栓连接，由于吊杆力大小及索夹处主缆倾斜角不同，索夹的长度及对接所需螺栓数量也不同，全桥共有34对索夹，9种类型。索夹下端伸出部分与刚性吊杆采用高强螺栓连接（见图3）。

图3 索夹示意图

2.5 横向拉索与竖向临时拉索

图4 横向拉索示意图

图5 竖向临时吊杆示意图

2.6 刚性吊杆

该桥采用剪纸拉花型刚性吊杆,刚性吊杆采用矩形钢箱断面，断面尺寸为400 mm×800 mm。顶、底板厚12 mm，顶、底板整片设置，中部与顶、底板平行设置一道隔板，隔板厚10 mm，腹板厚14 mm。刚性吊杆顶部主缆间采用上弦杆连接，上弦杆采用矩形钢箱断面，变宽、变高设置，顶、底板及腹板厚度均为8 mm。

2.7 主梁

如图6所示，主梁采用双箱单室变截面钢箱梁。道路中心线处梁高1.6m，桥面宽度由跨中8m变化至20 m，边线呈圆弧线布置（R=303 m），在刚性吊杆处主梁设置悬挑翼缘与刚性吊杆连接。

图6 主梁平面示意图

钢箱梁顶面设置双向1%的横坡，底面水平。除钢混结合段外，其余节段顶、底板厚14 mm，腹板厚12 mm；钢混结合段顶、底板厚18 mm，腹板厚16mm。每隔一段距离设置横隔板及横向刚性加劲，箱室内横隔板厚28 mm，横向加劲板厚20 mm，横隔板上设1.2 m×0.6 m的人孔。与横隔板位置相对应设置翼缘加劲板及双箱的横向联系加劲板，板厚均为28 mm。

吊杆悬挑翼缘顺桥向宽度为0.85 m，顶、底板与箱梁等厚14 mm，腹板厚14 mm，并根据悬挑长度的不同设置1~2道横向连系加劲肋，厚10 mm。

2.8 压重锚锭

两岸压重锚碇均采用重力式结构。锚碇顺桥向长6.5 m，宽32 m，高4.3 m，锚锭顶面与纵坡曲线平行。考虑锚固系统压重块其下基础除应满足地基承载力要求外，有较高的沉降要求，采用预应力混凝土管桩＋素混凝土垫层+碎石垫层+整体式双向钢丝土工格栅处理的处理方式。

2.9 下部结构设计

每个主塔下设矩形承台，承台横桥向宽2.5 m，顺桥向长6.5 m，厚2.5 m。承台采用C35混凝土，垫层采用20 cm厚C20混凝土垫层和50 cm厚碎石垫层。单个承台下布置两根1.5 m的钻孔灌注桩，桩长51 m，顺桥向桩中心距4 m，桩基混凝土采用C30水下混凝土。

主梁主墩由两根独立的桩柱式桥墩组成，横桥向间距8.2 m，桥墩直径1 m，桥墩高度2.79 m，下接直径1.2 m的钻孔灌注桩，桩长33 m，桩基混凝土采用C30水下混凝土。

2.10 施工步骤

施工步骤[4]如图7所示。

图7 施工步骤

3 计算分析

3.1 计算模型

分析程序采用MIDAS/Civil 2015进行计算，加劲梁、主塔、刚性吊杆以及上横梁采用空间梁单元，主缆采用只受拉单元，横向拉索与临时吊杆采用桁架单元。模型共计梁单元2 796个，只受拉单元40个，桁架单元49个[1]（见图8）。

图8 MIDAS模型图

3.2 静力分析结果

3.2.1 主缆

主缆最小拉力6 161 kN，应力352 MPa，位于中跨跨中，最大拉力12 778 kN，应力735 MPa，位于边跨靠近塔顶处，主缆最小安全系数不小于2.4[2]。

3.2.2 横向拉索

横向拉索最大拉力为370 kN，应力为682MPa，位于中跨靠近主塔处，安全系数不小于2.4，最小拉力为88 kN，应力为233 MPa，出现在中跨跨中处，安全系数不小于7.1。

3.2.3 竖向临时拉索

竖向临时拉索最大张拉力为324 kN，应力为402 MPa，位于中跨靠近主塔处，安全系数不小于2.5，最小张拉力为140 kN，应力为174 MPa，位于中跨跨中处，安全系数不小于5.9。

主缆、横向拉索与竖向临时拉索应力示意图如图9所示。

3.2.4 主塔

主塔最大受力截面位于距离塔底6 m处，此处为钢混结合与钢结构分界段，承载能力最大应力为107.14 MPa，塔底承载能力最大应力为89.2 MPa，塔顶在成桥后最大偏移为40 mm。

3.2.5 加劲梁

主梁加劲梁轴向压力变化不大，弯矩从跨中中心到中支点处变化较大。上缘最大拉应力为102.7MPa，位于主梁支点处，最大压应力为37.7MPa，位于中跨跨中处。下缘最大压应力为133 MPa，位于主梁支点处，最小压应力为36 MPa，位于中跨跨中处。相关示意图如图10～图12所示。

图10 主梁轴力示意图

图11 主梁弯矩示意图

图12 主梁应力示意图

3.2.6 刚性吊杆

刚性吊杆为最终替代竖向临时拉索的受力结构，其最大受力部位位于靠近主塔的第二个X杆件端部，最大拉应力为198 MPa，跨中附近X吊杆拉应力均很小，最大拉应力为42 MPa（见图13）。

3.2.7 挠度

加劲梁中跨跨中最大正负挠度分别为18 mm和 70 mm，最大正负挠度之和为 δ=88 mm，δ/L=1/1 363，刚度满足规范要求[3]，主塔塔顶顺桥向最大计算偏位为40 mm，指向跨中方向。

图13 X吊杆应力示意图

4 使用情况

剪影桥自2018年1月30日开放运营以后，使用情况基本正常，且竣工前委托中设设计集团股份有限公司进行了荷载试验，并出具了荷载试验报告，报告结论复合相关要求，总体安全可靠，满足正常使用条件（见图14）。

图14 现状照片图

5 结语

剪影桥作为独特的空间悬索与桁架结合的组合桥梁，成为扬州三湾的标志性建筑，代表了扬州的独特文化。大胆和独特的设计理念在国内屈指可数，也为此类组合桥型的可行性奠定了基础，提供了可借鉴的参考依据，证明了这种结构体系的可靠性，为今后更多的组合桥梁做出了贡献。