椭圆形钢塔双索面独塔斜拉桥设计

杨智贵

（广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东 广州 510080）

1 工程概述

灵新大道工程位于南沙区珠江街、万顷沙镇，是一条西北至东南走向的道路。起点接二涌半番中公路，沿线跨越三涌~十八涌，下穿南沙港快速路，经百万葵园、南沙湿地，终点至十八涌半。全长约16.6 km。

十七涌桥位于灵新大道K15+418.7处，跨越万顷沙十七涌，桥轴线与航迹线正交。航道等级为内河IX级航道，单孔双向通航，通航孔净宽不小于28.2 m，净高不小于3 m，通航水位采用洪水重现期5 a一遇洪水位5.966 m。

2 桥梁总体设计

2.1 需求定位

灵新大道改扩建工程属于广东省重点建设项目，道路连接自贸试验区明珠湾起步区、南沙枢纽、万顷沙保税港加工制造业区块，同时也为粤港深度合作区、南沙站综合交通枢纽提供交通支撑。其建设对解决区域交通问题、促进沿线经济发展有着非常重要的作用。根据规划，灵新大道是南沙新区南部重要的生态景观廊道。该工程结合区域发展规划、环境景观、地方历史文化特色等，按高标准、精细化建设全线跨河涌桥梁，全面提升道路景观标准，展现区域地方文化特色，打造城市文化新名片。

2.2 地形地貌

桥位处地势平坦，河涌水系发达，较好地保持了传统岭南水乡的地貌。

2.3 总体设计要点

2.3.1 平纵横布置

桥梁平面根据总体路线走向确定，位于半径为1 500 m的圆曲线上。桥梁南北侧纵坡均为4.0%，竖曲线半径为1 800 m。横断面考虑车道、人行道、拉索布置等，桥梁全宽45.5 m，满足交通需求。

2.3.2 孔跨布置和桥型方案

桥梁为椭圆形钢塔双索面独塔斜拉桥，跨径布置为（40+60+40）m，边中跨比为0.667。主跨60 m跨越万顷沙十七涌，满足通航净空要求，见图1、图2所示。

图1 桥梁桥型布置图（单位：m）

图2 桥梁效果图

2.3.3景观亮点设计

该桥的亮点在于采用拱辅斜拉桥结构，通过椭圆的“光门”桥塔造型，将视野导向广阔的天地，寓意着当地经济的腾飞。该桥的景观效果已获得业主认可。

3 桥梁结构设计

3.1 结构体系

该桥为部分斜拉桥，墩梁采用支座连接，塔梁分离。支座选用摩擦摆支座，规格有7 000 kN、20 000 kN两种，桥塔附近支座可约束主梁纵向变形，其余位置主梁可沿纵向自由活动。全桥共设置16对拉索，拉索水平力沿主梁轴向传递。

3.2 主墩

主墩采用流线型双柱墩，墩柱尺寸2.0 m×2.0 m，柱间设装饰横梁，横梁采用门拱造型，横梁宽1.3 m，高1.5~2.3 m。墩顶布置20 000 kN摩擦摆减隔震支座。

承台为工字型承台，厚度3.0 m，承台下设4根直径1.8 m的桩基础，按嵌岩桩设计。

主墩构造见图3所示。

图3 主墩构造图（单位：m）

3.3 主塔及基础

主塔为变截面椭圆倾斜拱形结构，椭圆长轴85.90 m，短轴50.50 m。主塔在桥面以上部分为钢结构，桥面以下至主塔承台为钢筋混凝土结构。索塔横截面为不对称六边形，竖向外轮廓线条为椭圆造型。索塔于桥面以上部分斜高48 m，以下混凝土塔斜高11.1 m，索塔倾斜角度70°。

下塔柱连接承台，承台厚度3.5 m，承台下设4根直径1.8 m的群桩基础，承台相对于塔底设横向向外1.0 m的偏心，以抵消部分塔柱的不平衡弯矩。

主塔及基础构造见图4所示。

图4 主塔及基础构造图（单位：m）

3.4 混合塔钢混结合段

钢混结合段作用是保证钢塔与混凝土塔刚度协调，保证传力顺畅，不出现应力集中和突变。该桥塔钢混段采用承压式连接，混凝土塔柱范围沿四周均布28根φs15.2-17钢束，提供轴向压力，保证在承载力极限组合下混凝土段及钢混结合面处全截面受压。

结合段桥塔钢板厚40 mm，沿纵向设置钢板肋条，肋条厚24 mm，伸入混凝土3.9 m，外露2.4 m，伸入混凝土部分设置φ60 mm钢筋孔，孔内穿φ25 mm钢筋形成PBL剪力键。钢塔与混凝土塔之间设置28 mm钢板作为承压板，通过预应力与混凝土塔连接成整体。

3.5 主梁

主梁采用C50混凝土，跨径组合40 m+60 m+40 m，截面形式为等高鱼腹式箱梁，梁高2.7 m，中支点横梁位置局部加高1..5 m，主梁高跨比1/22.2。梁高自中心向外侧以2%的人字横坡变化，梁底水平。

主梁顶板宽45.5 m，共分10个箱室，中间箱室宽4.5 m，边箱室宽3.25 m。主梁顶、底板厚0.25~0.45 m，腹板厚0.45~0.65 m，拉索区位于主梁最外侧，宽1.5 m。

主梁按A类预应力构件设计，主梁钢束规格分别为φs15.2-12、15、17、18、21，分布在主梁腹板、中支点顶缘、跨中底缘位置。

主梁横断面图见图5所示。

图5 主梁横断面图（单位：cm）

3.6 斜拉索

拉索与主梁夹角为23.1～76.3°，主跨侧梁上索距为8 m，设拉索9对，边跨侧梁上索距为3 m，设拉索7对。拉索采用整束挤压式钢绞线，钢绞线标准抗拉强度为fpk=1 860 MPa。斜拉索外裹热挤双层PE防护套，外层PE设置双螺旋线，以提高抵抗风振、雨振的能力。斜拉索在索塔端用叉耳式锚，在主梁端采用冷铸锚。拉索规格有GJ15-5、15-7、15-9三种，拉索设计安全系数大于2.5[4]。

4 整体结构计算

4.1 模型及参数

所示模型，根据桥梁实际几何尺寸，材料类型，施工顺序采用有限元软件MIDAS建立梁格模型进行分析。该模型共计2 729个单元，2 129个节点。（见图6）

图6 全桥计算模型图

4.2 主要计算结果

4.2.1 主梁腹板内力

基本组合下主梁腹板内力结果见图7所示。

图7 基本组合下主梁内力结果图示（单位：kN/m）

由图7可知，基本组合下，边腹板中支点处弯矩最大值为37 300 kN·m，中腹板中支点处弯矩最大值为44 260 kN·m，效应比值为1∶1.186，宽箱室腹板内力分布具有明显的不均匀性。

4.2.2 主梁应力

主梁按A类构件验算，频遇组合下，主梁顶、底缘均未出现拉应力，满足规范要求（见图8）。其中：顶缘最小压应力为1.6 MPa（中支点顶缘），底缘最小压应力为1.0 MPa（边支点底缘）。标准组合下，主梁最大压应力11.1 MPa（中支点底缘）＜0.5 fck=0.5×32.4=16.2 MPa，均满足规范要求。

图8 频遇组合下腹板应力结果图示（单位：MP a）

4.2.3 主塔应力

基本组合下，钢塔段最大应力为94.8 MPa，小于Q355C钢容许应力值，下塔柱混凝土段最大拉应力为4 MPa（见图9）。下塔柱段共设置24束17孔钢绞线平衡拉应力，保证拱脚全截面受压。

图9 基本组合下主塔应力结果图示（单位：MP a）

4.2.4 拉索应力

该桥拉索与主梁夹角为23.1～76.3°，主跨侧设拉索9对，边跨侧设拉索7对。主跨侧拉索最大拉应力500.4 MPa，边跨侧拉索最大拉应力504.5 MPa，拉索设计安全系数大于2.5，均满足规范要求（见图10）。

图10 基本组合下拉索应力结果图示（单位：MP a）

4.2.5 必须加强局部效应的研究

随着国内交通运输事业的不断发展，中等跨径宽箱斜拉桥越来越多，宽桥空间效应明显，需重点关注轴力滞、剪力滞、弯扭耦合、横向计算等问题的研究，以能更好地指导设计。

5 结语

该桥作为灵新大道重要节点工程，其设计遵循“景观、功能”的原则，将桥塔设计为“光门”的造型，尽显桥梁柔性之美。整体结构在功能和形式上和谐统一，均衡稳定，给南沙区注入了新的生机与活力。通过对大桥上、下部构造尺寸进行严谨的设计，并且通过仿真软件的验算分析，各项指标均满足规范要求，可为同类型桥梁设计、计算提供参考。