怀化鸭嘴岩大桥主桥设计方案研究

孙文峰，程应刚

（中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 430056）

1 概述

为打造独特的桥梁景观，实现历史、文化和美学价值的建设目标，对该桥开展了专项的景观概念设计，景观效果图见图1 所示。桥塔整体造型为“鹤”型，曲线轻盈优美，造型新颖独特，形似水河边翩翩起舞的仙鹤，寓意怀化的古称“鹤州”与别名“鹤城”，体现了功能、技术、经济、美观和历史文化和谐统一。

图1 景观设计效果图

水河是沅水上游一级支流，桥位处常水位下河道宽约207 m。规划航道等级为内河Ⅳ级航道，单向通航孔净宽不小于45 m，双向通航孔净宽不小于90 m，通航净高不小于8.0 m。桥位处平均气温16.4℃，极端最高气温为38℃，极端最低气温为-4℃。桥址处两岸地形起伏不大，右岸地形坡度15°～20°，左岸除河岸岸坡处地形坡度达40°左右外，其余地段变化不大。桥位处下伏基岩主要为白云质灰岩，并发育有溶洞。

综合考虑景观设计、规划航道的适应性和行洪评估要求，大桥采用主跨200 m 独塔斜拉桥方案。

2 结构特性分析

近年来随着经济发展和桥梁景观的要求不断提高，涌现出一系列造型新颖独特的斜塔斜拉桥，如塞维利亚阿拉米略桥[1]、荷兰鹿特丹港Erasmus 桥[2]、西班牙Ebro 河桥[3]、长沙洪山桥[4]等。

常规斜塔斜拉桥的桥塔均向岸侧倾斜，除去美观上的需要之外，也体现了结构受力上的合理性。桥塔的受力表现为在斜拉索索力和其自身重力作用下的悬臂梁，向岸侧倾斜的桥塔依靠塔身的自重力距，抵抗主跨桥面荷载通过拉索传递的倾覆力矩，可大幅减少边跨斜拉索的用量，甚至做到无背索结构[5-6]，塔身自重对结构整体受力有利。

对该桥而言，由于景观造型的需要，曲线型桥塔向河心倾斜（偏心距达15 m），塔身自重成为结构受力的负担。在塔身自重Wt和拉索竖向分力Fsv共同作用下，塔底会产生不利的向河心侧倾覆弯矩Mt［Mt=（Fsv+Mt）lt］，因此边跨侧拉索水平分力FsH边除需平衡主跨侧拉索水平分力FsH主外，还需要提供额外的水平力F’sH边来平衡主塔倾覆弯矩Mt，从而引起该桥主跨主梁水平力FdH主（=FsH主）和边跨主梁水平力FdH边（=FsH边）的不平衡。

基于结构特性分析，塔底不平衡弯矩与桥塔重量和中跨主梁重量正相关，故该桥设计思路为减轻桥塔和主跨主梁自重，从而减小塔底倾覆弯矩和基础的规模；同时增加边跨主梁重量，以避免边跨支座出现负反力（见图2）。

图2 结构受力特性示意图

3 结构体系

斜拉桥主要分为漂浮体系，半漂浮（支承）体系，塔梁固结体系，刚构体系等4 种结构体系[7-8]。

通过结构特性分析，该桥主塔两侧主跨主梁水平力FdH主和边跨主梁水平力FdH边并不平衡，分别等同于主跨侧拉索水平分力FsH主和边跨侧拉索水平分力FsH边，若主梁在纵桥向无约束，主梁会在不平衡水平力F’sv边作用下，向主跨方向偏移，因此该桥不能采用漂浮体系和半漂浮体系。

常规独塔斜拉桥多采用刚构体系，刚构体系塔、梁、墩固结，具有结构刚度大、主梁和塔柱挠度小、避免设置较大吨位支座等优点，且传力较为直接，不平衡水平力在固结处即可实现平衡。

考虑到该桥结构布置特殊性，为使结构整体受力最优，拟定三种刚构体系方案进行比选，结构体系方案见图3 所示。

图3 结构体系示意图

方案1 和方案2 中，均采用塔梁固结体系。但由于本桥主塔在纵、横向两个方向均弯曲倾斜，塔柱呈现空间扭转曲线，为满足受力需要，下塔柱需采用较大的截面尺寸。采用塔梁固定体系，下塔柱与主梁横梁形成横桥向刚架结构，由于下塔柱横向刚度较大，在固结处活载、温度及横向预应力等荷载作用下，下塔柱产生较大的次内力，无法满足受力要求。方案3中，斜腿与主梁固结，由于斜腿截面和横向刚度相对较小，横向框架满足要求，主梁边、主跨不平衡水平力通过斜腿传递至承台，与边、主跨斜拉索不平衡水平分力在塔柱上产生的水平剪力，在承台顶面处实现平衡。

该桥采用的结构体系为：斜腿与主梁固结；主塔、辅助墩及两侧边墩均采用双向活动支座；横向设置抗风支座。

4 结构设计

4.1 主塔结构

由于钢材具有良好的受力性能和可焊接性，能满足主塔各种造型的需要，近年来在异形斜拉桥中钢制主塔得到了越来越多的应用。

常规的斜塔斜拉桥，直线桥塔多采用混凝土结构，折线塔和曲线塔采用钢结构或钢-混组合结构，如荷兰Erasmus 桥等。对于该桥，由于桥塔在纵、横向曲率均较大，上塔柱尺寸相对较小，考虑到斜拉索锚固等因素，上塔柱采用混凝土结构并不适合。

设计中对主塔进行了钢结构和钢-混混合结构两种方案的研究比选，见表1 所列。

表1 主塔方案分析比较表

两种结构型式受力均能满足要求，且工程实例均较多，施工工艺成熟，钢桥塔方案经济性稍差。由于钢桥塔方案塔柱底部钢混结合面位于常水位以下，钢结构易产生腐蚀，耐久性较差。基于降低工程造价和提高耐久性方面的考虑，采用钢-混混合桥塔方案，桥面以上塔柱为钢结构，桥面以下塔柱为混凝土结构。桥塔构造图见图4 所示。

图4 桥塔构造图

4.2 主梁结构

结合概念设计景观方案和桥址处建设条件，跨径布置拟采用200+74+45（m）。由于该桥边跨过短，边中跨比例较小，并结合结构特性分析，主跨主梁重量应减轻，边跨主梁重量宜增加的思路，主梁总体设计方案为采用混合梁结构型式：边跨主梁采用混凝土主梁（可适当压重），减少造价同时增加边跨平衡重，保证边墩支座不出现负反力；主跨主梁采用钢梁或组合梁，自重较轻，符合该桥受力基本原则。

一般混合梁斜拉桥主跨主梁常采用钢箱梁和组合梁两种型式[9]。

（1）钢箱梁方案（见图5）：主跨采用正交异性桥面板流线型扁平钢箱梁，梁高2.5 m，桥面宽36 m，顶板厚为18 mm，底板厚为12 mm。纵向设三道腹板，板厚16 mm。横隔板标准间距为3 m，板厚12 mm。

图5 钢箱梁方案 主梁标准断面图（单位：cm）

边跨采用预应力混凝土箱梁，单箱双室截面，顶板宽36 m，底板宽25.5 m，梁高2.5 m。顶板厚26 cm，底板厚24 cm；边腹板宽150 cm，中腹板宽50 cm，标准横隔板厚40 cm，间距为3.5 m。

（2）组合梁方案（见图6）：主跨组合梁采用双边工字梁断面型式，桥面宽36 m，梁高2.5 m，2 片工字形纵梁横向中心距24 m。钢横梁也为工字形，标准间距4 m。桥面板采用预制构件，板厚26 cm。

图6 组合梁方案 主梁标准断面图（单位：cm）

边跨采用混凝土边主梁形式，梁高2.5 m，顶板宽36 m，边主梁宽2.5 m，桥面板厚26 cm，标准横隔板间距3.5 m，横隔板厚30 cm。

对两种方案进行综合比较，见表2 所列。

表2 主梁方案分析比较表

表2 结果表明，组合梁方案由于混凝土桥面板的存在，虽提高了主梁刚度和桥面铺装的耐久性，但同时也增加了桥面自重，与该桥需减轻主跨主梁重量的设计思路相悖。对于常规的直塔斜拉桥，组合梁方案造价优于钢箱梁方案，对于该桥而言，虽然主梁用钢量较少，造价较省，但主梁恒载增大，由于主塔向河心倾斜，大幅提高了主塔和下部基础的造价，因此经济性并不占优。由于该桥结构布置的特殊性，组合梁并不适宜该桥结构形式，故该桥主跨主梁采用钢箱梁方案。

4.3 主梁压重

主梁压重作为一种改进结构受力的有效措施，其设置要结合具体结构特性按需设置。常规斜拉桥主梁压重部位多位于边跨梁端，其目的主要是避免边墩支座出现负反力，同时可增加尾索的刚度，进而提高全桥整体刚度。

由于该桥采用混合梁结构，通过对计算分析，边跨梁端支座最小反力为：3 591.4 kN（单个），支座并未出现负反力。但是在主梁不平衡水平力作用下，斜腿下缘受拉，因此该桥压重设置在斜腿与主梁固结处，压重布置见图7 所示。主梁压重的作用主要体现在以下两点：

图7 主梁压重示意图

（1）该桥边、主跨主梁存在约1 335.4 t 的不平衡水平力，通过斜腿传递至承台顶，与主塔水平剪力相平衡。在主梁不平衡水平力和拉索竖向力的作用下，斜腿下缘处于受拉状态，斜腿底部产生顺桥向弯矩，斜腿顶主梁压重可产生相反的弯矩与之相平衡，极大改善斜腿的轴向受力。

（2）斜腿顶主梁压重可以对主塔底产生向河岸侧的弯矩，使结构重心向边跨侧偏移，从而有效减少主塔底向河心侧倾覆弯矩，优化主塔和基础的受力状态（见图7）。

主梁压重重量以恒载作用下斜腿全截面均匀受压为标准，斜腿仅承担活载及附加荷载的弯矩作用，经计算压重总重量为1 720 t，采用铁砂混凝土压重，主塔塔底弯矩可减少约335 400 kN·m。

5 总体布置

通过方案分析研究，优化了该桥的结构布置和构造细节，主桥采用曲线独塔双索面斜拉桥，跨径布置为200+74+45（m），桥面宽36 m。主塔采用钢-混凝土混合结构，总高度为100 m；下塔柱高15 m，采用混凝土结构，上塔柱高85 m，采用钢结构，交界面处设置钢-混结合段。主梁采用混合梁结构，边跨采用预应力混凝土箱梁，主跨采用钢箱梁，钢-混凝土结合面设置在伸入主跨9 m 处。斜腿采用预应力混凝土箱型结构。斜拉索采用平行钢丝斜拉索，塔上索间距为3 m，主跨索间距为12 m，边跨索间距为7 m。主塔墩采用中间设系梁的分离式承台、钻孔灌注桩基础[10]。主桥总体布置见图8 所示。

图8 主桥总体布置图（单位：m）

6 结构计算分析

对通过方案比选确定的推荐方案进行试设计研究，并进行了静、动力计算分析。

6.1 整体静力分析

采用有限元软件Midas Civil 建立空间有限元模型（见图9）。主梁、主塔和斜腿均采用空间梁单元模拟；拉索采用桁架单元模拟。边界条件为：主梁与主塔纵向活动、竖向及横向约束；主梁与斜腿固结；主梁与辅助墩、交界墩及边墩为纵向活动、竖向及横向约束；斜腿底和塔底采用固结。

图9 空间有限元模型

计算结果表明：运营阶段，主跨钢箱梁最大压应力113.0 MPa，最大拉应力-76 MPa；边跨混凝土梁最大压应力为15.3 MPa，上下缘均未出现拉应力；主塔钢结构最大压应力120 MPa，最大拉应力-30 MPa；混凝土下塔柱最大压应力为10 MPa，塔底最大拉应力-0.7 MPa；斜腿最大压应力为12.6 MPa，最大拉应力0.13 MPa；钢横撑最大压应力为79 MPa。

活载作用下主跨主梁最大向下位移-297.6 mm，向上位移3.7 mm，挠跨比为1/663.8，结构刚度满足1/400 的规范要求。

6.2 动力特性及抗震分析

采用空间有限元软件Midas Civil 对该桥进行了结构动力分析，结构动力特性见表3 所列。

表3 结构动力特性一览表

由结果可知，该桥一阶为主梁竖弯失稳，二阶为主塔侧弯失稳，三～六阶均为主梁失稳，A 型桥塔和空间双索面布置，为大桥提供了较好的竖向刚度和扭转刚度

根据《城市桥梁抗震设计规范》，该桥属于A 类桥梁，采用反应谱法进行抗震计算。结果表明,在E1地震作用下，桥墩、主塔和桩基弯矩最不利截面弯矩均小于截面初始屈服弯矩，均保持在弹性范围之内；在E2 地震作用下，桥墩、主塔和桩基弯矩安全系数均大于1，桥墩、主塔和桩基构件只发生可修复损伤，满足抗震性能要求。

7 结语

怀化鸭嘴岩大桥采用主跨200 m 曲线独塔混合梁斜拉桥方案，桥塔呈“鹤”形，凸显了桥梁景观，又完美契合了当地的历史文化，实现了使用功能、结构受力和桥梁景观的和谐统一，为以后类似桥梁设计提供了有益的思路和借鉴。本文介绍了该曲线塔斜拉桥的设计研究过程，选择了合理的结构体系及主梁、主塔构造，并建立了空间有限元模型进行了计算分析，确保了结构的安全性。主要有以下结论：

（1）采用斜腿与主梁固结的新型组合式刚构体系，有别于独塔斜拉桥常采用的墩塔梁固结体系，优化了结构整体受力。

（2）主塔采用钢-混凝土混合结构，上塔柱采用钢结构，满足了结构造型的需要，同时减轻了上塔柱自重；下塔柱采用混凝土结构，提高了塔柱的耐久性，同时减少了造价。

（3）主梁采用混合梁结构，主跨主梁采用钢箱梁，减轻了主梁自重，优化了塔柱和基础受力；边跨主梁采用现浇混凝土箱梁，减少造价同时增加边跨平衡重。

（4）主梁压重设置在斜腿顶处，优化了斜腿的受力，减少塔底不平衡弯矩，改善了主塔及基础的受力。