某扭索面独塔斜拉桥总体设计

夏 至

(江苏中设集团股份有限公司，江苏 无锡 214000)

1 概述

随着城市建设的飞速发展，城市桥梁景观造型越来越被重视。一座景观好的桥梁往往成为当地的标志性建筑。斜拉桥桥塔为高耸结构，景观效果较好，常作为城市景观桥梁的桥型选择。本项目桥梁跨越某景观湖，因通航及防洪需要采用两孔150 m左右跨径布置。该景观湖环保要求较好，且工期紧张，拟采用钢梁钢塔斜拉桥加快施工速度。经桥型初步计算分析，横梁控制桥梁结构设计，有条件改变拉索布置形式加强景观效果。综合各建设条件，设计采用独塔扭索面斜拉桥方案。

2 总体设计

大桥桥梁全长518.06 m，主桥采用(30+151+151+30)m独塔双索面斜拉桥(见图1，图2)，南北侧各设置1个辅助墩及1个过渡墩；标准段桥梁全宽38.5 m，桥塔处桥梁全宽45.0 m。

上部结构采用半封闭钢箱梁、A字形桥塔、空间扭索面斜拉桥。主梁采用双边钢箱梁；桥塔采用A字形桥塔，总高108.28 m，桥面以上主塔采用钢塔结构，下塔柱采用混凝土结构。下部结构桥墩采用板式墩，钻孔灌注桩基础。

主梁采用半封闭双边钢箱截面，中心线处高度3.35 m，标准断面宽度38.5 m。边箱顶宽6.85 m，底宽7.107 m；悬臂长度6.95 m；两箱室间净距10.9 m。辅助墩处设置两个支座，支座间距为15.25 m；过渡墩处设置两个支座，支座间距为18.2 m。标准断面顶板厚度16 mm，底板厚度16 mm，边腹板30 mm，中腹板16 mm；辅助墩负弯矩区顶底板局部加厚至30 mm。

横隔板标准间距3 m，均采用实腹式隔板。拉索区横隔板厚度采用16 mm；支点横隔板采用30 mm。绕塔处采用加高U型纵梁的方式传递局部绕塔区荷载。

设计采用通用有限元程序模拟桥梁施工过程及使用期受力(模型见图3)，考虑的设计荷载有：自重、二期恒载、汽车荷载(城—A级)、人群荷载、风荷载、体系升降温(升温40 ℃，降温-20 ℃)、索梁温差(±15 ℃)、截面非线性温差(参考BS5400)、支座不均匀沉降。

桥塔基底采用一般支撑，过渡墩和辅助墩采用双排支座模拟，全桥为漂浮体系，索梁锚固及索塔锚固均采用刚性连接。

梁体考虑弯矩剪力滞效应，计算梁体有效宽度折减系数，见表1。

表1 梁体有效宽度计算表

第一体系(主梁体系)工况下，考虑主梁有效宽度系数、局部稳定系数。主梁应力见图4，上缘最大拉应力为73.2 MPa；主梁构件上缘最大压应力为72.1 MPa。主梁构件下缘最大拉应力为77.5 MPa；主梁构件下缘最大压应力为98.8 MPa。

总体计算考虑桥面系二体系应力，建立局部模型(如图5所示)分析桥面板应力,桥面板及横隔板均采用梁单元进行模拟。在横隔板与钢箱梁腹板相交处建立一般支撑，横隔板纵向间距为3 m。建模过程中主要考虑结构自重、二期恒载、汽车荷载及人群荷载。

基本组合作用下，桥面板上缘最大拉应力为28.7 MPa；桥面板上缘最大压应力为23.9 MPa。基本组合作用下，桥面板下缘最大拉应力为63.2 MPa；桥面板下缘最大压应力为88.1 MPa。第二体系应力与主桥总体模型主梁上缘应力叠加，得到桥面板最大拉应力为104.7 MPa，最大压应力为169.0 MPa。

3 桥塔设计

索塔横桥向为“A”字形，总高108.28 m，其中下塔柱为钢筋混凝土结构，高13.5 m；中塔柱和上塔柱为钢结构。塔柱特征截面为八边形截面，塔底处，特征截面横桥向尺寸6.0 m，13.5 m高度及以上部分横桥向尺寸均为4.0 m；塔底截面处顺桥向为12.0 m，塔顶处为5.5 m。

钢结构中塔柱和上塔柱由外壁板、内壁板、侧壁板、中腹板和两道边腹板组成(见图6)，板厚均为40 mm。在塔顶拉索锚固区范围内，中腹板上开设1.35 m宽度的孔，供锚梁安装和斜拉索安装用。壁板及腹板加劲肋均采用360 mm×36 mm，加劲肋沿塔壁内表面均分布置，但在拉索锚固范围内，加劲肋布置根据锚固构造的位置进行局部调整。中塔柱锚固区水平设置横隔板，横隔板板厚20 mm，间距2.5 m。下塔柱非锚固区每3.0 m垂直桥塔轴线设置一道隔板，横隔板板厚20 mm，横隔板间设置一道横隔肋，横隔肋板厚20 mm。

在混凝土下塔柱顶面5.5 m范围内设置钢混凝土结合段(见图7)。钢塔柱与混凝土下塔柱间采用双层端板承压的方式进行连接。钢塔柱与混凝土塔柱间设置钢混凝土结合段，主要传力机理为双端板承压的传力方式，同时为保证钢结构与混凝土的结合，采用PBL钢筋与剪力钉组合的钢混凝土结合方式。为保证钢混凝土结合段传力顺畅，在钢混凝土结合面以上6 m处开始增设两道腹板，腹板由加劲肋逐渐增高形成，并如中腹板埋入混凝土结构内。

钢混结合段受力复杂，为检验钢混结合段的受力机理，采用数值模拟钢混结合段受力后优化构造设计(如图8所示)。

桥塔钢混结合段轴力主要由承压板承担，传力比例为56%，焊钉连接件承担约24.4%的轴力，开孔板连接件承担约22.8%的轴力。

4 锚固节点设计优化

1)梁上锚固构造。

拉索与主梁采用锚箱式锚固，锚箱安装在主梁边腹板外侧，并与其焊成一体。斜拉索拉力通过锚箱的两个锚固板传递给主梁腹板，主梁腹板和承压板内侧均设置了补强板，以利于锚固处的应力合理分散到主梁上(模型见图9)。

锚板件应力均小于100 MPa；剪力板上端部与主梁侧板相接点出现应力集中点，设计采用在箱内对应位置增设局部加劲板；箱梁箱内加劲板应力范围在50 MPa～90 MPa。

2)塔上锚梁构造。

塔柱锚固区对应位置布置16对拉索锚固构造以锚固32对斜拉索。锚固构造的两端焊接在边腹板上，并穿过中腹板(模型见图10)。

塔上锚梁受力均衡，锚板最大应力56 MPa；锚梁与塔壁板相接位置应力约25 MPa。

5 结语

本文介绍了某扭索面独塔斜拉桥的设计，叙述了桥梁的总体设计并进行数值模拟分析，对桥塔钢混结合段、梁上锚固区、塔上锚固区进行受力分析并优化设计。通过本文的介绍，为扭索面独塔斜拉桥的设计提供了技术参考。