鄂東長江大橋斜拉橋索塔結構設計分析

陳杏枝 常 英 黃繼旺

1 工程概況

鄂東長江公路大橋是滬蓉高速公路主干線湖北省東段和國家高速公路網規劃中的大慶至廣州高速公路湖北段的共用過江通道。橋位處于黃石長江公路大橋上游，與黃石長江公路大橋距離約1.3 km。

鄂東長江公路大橋主橋采用橋跨布置為(3×67.5+72.5+926+72.5+3×67.5)m的九跨連續半漂浮雙塔混合梁斜拉橋，邊跨設置3個輔助墩和一個過渡墩，主橋長1 476 m，其橋跨布置如圖1所示。橋面全寬36 m，雙向六車道，設2%雙向橫坡。大橋平面位于直線范圍內，豎曲線半徑27 000 m，兩側縱坡2.0%。

圖1 橋型布置圖

2 技術標準

橋梁主要荷載標準:

1)汽車荷載等級為公路—Ⅰ級;2)基本風速為30.1 m/s;3)設計溫度:基準溫度15℃，最高溫度41℃，最低溫度－11℃;4)船舶撞擊荷載:順水流方向19 500 kN;垂直水流方向9 750 kN(主航道內);5)地震動峰值加速度系數:100年超越概率水平3%時加速度系數0.126。

3 結構設計

索塔采用“鳳翎”式結構，北索塔總高度為242.5 m、南索塔總高度為236.5 m，塔柱除中、下塔柱連接段及下塔柱根部段設計為實心段外，其余斷面均為空心箱形斷面;根據塔柱的受力，在上、中塔柱連接段、人洞及塔底等受力較大的區段設置加厚段。

上塔柱為對稱單箱單室斷面，塔壁厚度沿順橋向為1.0 m，沿橫橋向為1.2 m，中間設鋼錨箱。上、中塔柱連接段為單箱雙室斷面。中塔柱為不對稱單箱單室斷面，塔壁厚為1.2 m。中、下塔柱連接段外側輪廓采用圓弧過渡，其半徑為19.46 m。為增加景觀效果且有利于抗風，塔柱截面的4個角均設置1.5 m×0.5 m的倒角。

橫梁斷面為箱形結構，其內設兩道豎向橫隔板。為使塔柱與橫梁鋼筋錯開排列布置，橫梁斷面沿塔柱斷面向內收30 cm。橫梁采用預應力混凝土結構，共布置92束22φs15.24鋼絞線。

4 結構計算

4.1 設計荷載組合

索塔為空間框架結構，計算荷載分為順橋向和橫橋向兩部分。索塔結構計算主要分為三個階段，裸塔階段、最大單懸臂施工階段和使用階段。在各階段均進行縱橋向、橫橋向及縱橫耦合計算;其中，裸塔階段根據索塔結構的形成過程，分為下塔柱、下橫梁、中塔柱、上塔柱等主要施工階段進行計算。在計算荷載選擇時，除了滿足相關規范外，還對可能出現的不利受力情況進行分析，主要按以下10種不利荷載組合分別計算。荷載組合見表1。

表1 索塔計算荷載組合一覽表

4.2 索塔計算

索塔采用空間三維框架結構建模計算，根據索塔的實際施工階段、成橋階段及運營階段，按各種荷載工況的最不利作用進行組合，對索塔在順橋向及橫橋向的受力進行計算分析;同時對塔柱角點方向按順橋向與可能同時出現的荷載組合，進行角點最大、最小應力驗算。為了分析下塔腿的局部應力，將下塔腿作了實體分析。

圖2 結構計算離散圖

4.2.1 裸塔受力分析

索塔按施工階段，每4 m為一節，采用爬模施工，將索塔分為68節，91個施工階段，107個節點，105個單元，施工過程中，中塔柱施加五道主動水平力橫撐，采用MIDAS程序逐過程進行分析計算。坐標系符合右手螺旋法則，方向采用順橋向為x軸，豎橋向為z軸，橫橋向為y軸。結構位移、外力及支座反力亦符合右手螺旋法則，與坐標系方向一致為正。將單元的I端至J端視為基線，規定單元內力正向，軸力N:壓為負，拉為正;剪力Q:與I端局部坐標方向一致為正，反之為負;彎矩M:以使桿件上緣受壓為正，反之為負;應力壓為負，拉為正。結構計算離散圖見圖2。

通過建模對該橋橋塔根部內力橫向與縱向進行分析，同時分析該區域應力狀況，得出該部分內力，以南塔為例，分析結果見表2。

表2 南橋塔根部應力

表2中負值為壓應力，最大壓應力為8.0 MPa，正值為拉應力，最大出現在組合三，大小為0.9 MPa。對于拉應力，將在施工過程采取一些臨時措施予以消除。而該結果表明，該橋塔情況良好，在施工中能較好的保持其穩定性。

4.2.2 最大單懸臂狀態橋塔受力分析

根據本橋的施工過程及特點，先澆筑邊跨混凝土主梁，再進行鋼箱梁的吊裝和掛索，因此施工過程不存在最大雙懸臂，只存在一個最大單懸臂，因此對最大單懸臂狀態進行計算。

全橋按照實際的施工過程，分為1 004個節點，1 238個單元，塔底固結，采用MIDAS程序逐過程進行分析計算。在中跨合龍前的一階段，即最大單懸臂狀態，風荷載取基本風速30.1 m/s進行計算，考慮作用在橋塔及主梁上的橫向風力和縱橋向風力，作用于主梁上的豎向風力邊跨取系數0.5，中跨取系數1.0。結構計算離散圖見圖3。

圖3 結構計算離散圖

分析表明，塔根角點應力全為壓應力，未出現拉應力，最大壓應力為北塔內側角點14.6 MPa，滿足規范要求。故該階段施工是安全可靠的。

4.2.3 成橋狀態橋塔受力分析

由模型計算可知，塔柱未出現拉應力，北塔根部最大壓應力為13.8 MPa，最小壓應力為0.2 MPa，北塔下塔柱頂端最大壓應力為12.8 MPa，最小壓應力為1.3 MPa，南塔根部最大壓應力為13.8 MPa，最小壓應力為0.1 MPa，南塔下塔柱頂端最大壓應力為12.9 MPa，最小壓應力為1.5 MPa，所有壓應力均小于規范要求。可見橋梁受力性能良好，在施工中能保持結構的安全性能。

4.3 下塔腿實體分析

計算采用ANSYS程序，為了盡可能消除邊界條件對下塔柱部分的應力影響，模型范圍取南塔下橫梁以上5 m長度的中塔柱和全部下塔柱(含下橫梁)，樁基按計算取樁基等效長度。塔柱混凝土采用Solid65單元，樁基采用Beam188單元。預應力采用集中力模擬，模型共計150 000個單元，節點共計420 000個。節段全模型見圖4。

圖4 下塔腿實體模型

根據該模型對下塔柱進行相關分析與計算，計算結果表明，除去應力集中影響，下塔柱節段最不利組合下混凝土主壓應力小于21.2 MPa，主拉應力小于2.77 MPa，滿足規范要求。由此可見，全橋下塔柱的結構安全性能具有相應的保障，能夠安全施工及投入應用。

5 結語

1)鄂東長江公路大橋規模大，施工具有一定難度，優良的設計是該橋結構安全穩定，施工順利的前提保障。通過多方論證，該橋采用九跨連續半漂浮雙塔混合梁斜拉橋的形式，其中索塔采用“鳳翎”式結構，通過對該形式索塔進行受力分析，該索塔在施工及施工完成后，受力性能良好，具有較高的結構安全性能，可以保障橋梁的正常使用及運營。

2)該橋的設計是當今斜拉橋領域較為先進的設計方式，通過計算表明，該設計方案安全可行，能夠確保橋梁建設順利進行，以及在使用中發揮其巨大的作用。

［1］ 張 銘，詹建輝.襄樊漢江三橋主橋設計與技術特點［J］.世界橋梁，2011(1):9-12.

［2］ 施志勇，李欣然，陳德偉.鄂東長江大橋主塔下塔柱連接段溫控分析［J］.結構工程師，2009，25(2):62-66.

［3］ 孫 勇.城市獨塔斜拉橋的施工監控研究及計算分析［D］.北京:北京交通大學，2007.

［4］ 劉長海.大跨度斜拉橋索塔錨固區有限元仿真分析［J］.山西建筑，2010，36(29):308-309.