龍灣大橋主塔設(shè)計

俞雷

（上海現(xiàn)代建筑設(shè)計（集團）有限公司，上海市200041）

1 概述

龍灣大橋及引道工程位于廣東省佛山市禪城區(qū)南莊鎮(zhèn)及南海區(qū)西樵鎮(zhèn)，路線起于西樵鎮(zhèn)的樵金路崇民路交叉口，路線朝東北方向延伸，跨越順德水道之后繼續(xù)向東北方向前進與羅南大道交叉，之后沿羅南大道延伸直至紫洞路交叉口，全線長約4.3 km。

龍灣大橋主橋跨越順德水道，是整個工程的關(guān)鍵性控制節(jié)點。龍灣大橋主橋采用跨徑30 m+125 m+290 m+125 m+30 m=600 m預(yù)應(yīng)力混凝土雙塔雙索面斜拉橋，主塔分別立于西樵側(cè)和南莊側(cè)淺水區(qū)，邊跨分別跨越西樵和南莊兩側(cè)大堤，錨墩和邊墩立于岸上，滿足水利部門對大堤保護的要求。該橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土雙塔雙索面斜拉橋，塔墩固結(jié)、主梁半飄浮結(jié)構(gòu)體系。圖1為主橋布置。

2 主塔結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 塔身

主塔為鉆石A型空間索塔，主塔總高98 m，塔頂標(biāo)高為100 m，橋面以上高度約為79 m。主塔錨固區(qū)采用等截面形式，單室箱形斷面，橫橋向?qū)挾? m，壁厚1.2 m，順橋向?qū)挾?.8 m，壁厚0.7 m。

中、下塔柱采用變截面單室箱形斷面，尺寸從4.0 m×6.8 m變化至塔底5.0 m×8.5 m，壁厚從0.7×1.2 m變化到1.2×2.2 m。主塔錨固區(qū)四周設(shè)凹槽，增強塔柱立體感，改善景觀效果，同時可以避免環(huán)向預(yù)應(yīng)力張拉槽切斷塔柱主筋；中、下塔柱采用矩形斷面。圖2為主塔結(jié)構(gòu)圖。

主塔采用C55混凝土，塔內(nèi)設(shè)有勁性骨架，以便于施工定位。塔柱內(nèi)設(shè)有爬梯和人孔，方便養(yǎng)護檢修。

2.2 上、下橫梁

主塔上橫梁采用箱形斷面，高度4.0 m，寬度5.1 m，兩側(cè)各比塔柱小0.85 m，以形成鮮明的層次感，頂板、底板和腹板厚度均為0.5 m。橫梁內(nèi)共配置8根Φs15.2-12的直束。

主塔下橫梁采用箱形斷面，高度4.0 m，寬度6 m，頂板、底板厚度為0.5 m，腹板厚度0.55～1.0 m，主梁支座下面設(shè)厚度1.0 m橫隔板。橫梁頂、底板內(nèi)共配置40根Φs15.2-15的直束，腹板內(nèi)共配置20根Φs15.2-19豎彎束，橫梁鋼束根據(jù)斜拉橋施工過程分批張拉。圖3為主塔橫梁結(jié)構(gòu)圖。

2.3 索塔錨固區(qū)

主塔錨固區(qū)采用預(yù)應(yīng)力平衡斜拉索水平分力，為Φs15.2 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線環(huán)形鋼束與JL32 mm精軋螺紋鋼筋直線束相結(jié)合的錨固方式（見圖4、圖5）。拉索錨固局部構(gòu)造設(shè)混凝土墊塊，墊塊表面用鋼板外包。預(yù)應(yīng)力張拉槽位于塔柱凸起部分，避免切斷塔柱主鋼筋，方便施工。

2.4 附屬結(jié)構(gòu)

為了便于運營期間對主塔、拉索的檢修和維護,主塔下橫梁頂面設(shè)置了人孔，進入橫梁后人員可以走通塔內(nèi)各個空間。主塔內(nèi)部從塔底至塔頂高度范圍內(nèi)設(shè)有爬梯和平臺，通過爬梯可至每根拉索。塔頂設(shè)吊掛檢修設(shè)備、塔頂航標(biāo)燈、避雷針等。塔頂雨水通過布置在主塔內(nèi)的排水管排入江中。

3 主塔結(jié)構(gòu)計算分析

3.1 主塔總體計算

3.1.1計算工況

主塔結(jié)構(gòu)計算分施工階段和使用階段計算。施工階段對裸塔、最大雙懸臂、最大單懸臂3個狀態(tài)進行計算，考慮施工荷載、風(fēng)荷載等。

圖1 龍灣大橋主橋布置（單位：m）

圖2 主塔結(jié)構(gòu)圖（單位：m）

圖3 主塔橫梁結(jié)構(gòu)圖（單位：m）

圖4 直線束平面布置圖（單位：cm）

圖5 U形預(yù)應(yīng)力束平面布置圖（單位：cm）

使用階段考慮的荷載組合如下：

組合一：恒載+活載+預(yù)應(yīng)力+收縮+徐變；

組合二：組合一+體系溫差+索與梁，塔溫差+塔左右溫差+梁上下溫差+制動力；

組合三：組合一+靜風(fēng)荷載（橋面風(fēng)速25 m/s）；

組合四：組合一+體系溫差+索與梁，塔溫差+塔左右溫差+梁上下溫差+靜風(fēng)荷載（橋面風(fēng)速25 m/s）+ 制動力；組合五：恒載+預(yù)應(yīng)力+收縮+徐變+地震；組合六：恒載+預(yù)應(yīng)力+收縮+徐變+靜風(fēng)荷載（100 a一遇）；

組合七：組合一+支座變位+施工誤差；

組合八：組合一+體系溫差+索與梁，塔溫差+塔左右溫差+梁上下溫差+靜風(fēng)荷載（橋面風(fēng)速25 m/s）+支座變位+施工誤差 。

3.1.2結(jié)構(gòu)受力

主塔順橋向、橫橋向受力由組合二或組合四控制。主塔抗剪驗算主要由組合五控制。表1為主塔控制斷面截面應(yīng)力。

根據(jù)總體計算，結(jié)構(gòu)受力滿足承載能力極限

表1 主塔控制斷面截面應(yīng)力（單位：MPa）

狀態(tài)設(shè)計和正常使用極限狀態(tài)設(shè)計要求。

3.2 索塔錨固區(qū)計算

3.2.1平面模型計算

主塔錨固區(qū)平面計算采用框架模型（見圖6），節(jié)段長1.75 m（塔上標(biāo)準(zhǔn)索距），取25#索處配束（索力標(biāo)準(zhǔn)組合750 t，水平角29°），錨固區(qū)配束為19Φs15.2 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線環(huán)形鋼束與JL32 mm精軋螺紋鋼筋直線束相結(jié)合。計算中井字預(yù)應(yīng)力和環(huán)向預(yù)應(yīng)力的永存預(yù)應(yīng)力分別為0.65fpk和0.4fpk。

圖6 平面框架模型

由總體計算索力可知，索力從25#索到1#索遞減，故主塔錨固區(qū)設(shè)計中按索力的遞減分區(qū)段遞減預(yù)應(yīng)力鋼束。表2為25#索錨固區(qū)截面應(yīng)力表。

3.2.2空間模型計算

表2 25#索錨固區(qū)截面應(yīng)力（單位：MPa）

取上塔柱塔頂往下5個拉索錨固節(jié)段建立空間有限元模型分析該處塔壁的受力情況，此處拉索的索力最大,拉索在塔壁上的水平分力也最大。

由空間分析計算可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)組合索力750 t作用下，拉索錨固區(qū)除錨壁外側(cè)出現(xiàn)0.2 MPa拉應(yīng)力外，其余均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足結(jié)構(gòu)受力要求（見圖 7～圖 11）。

4 結(jié)語

圖7 空間計算模型（1/2結(jié)構(gòu)）

（1）進行了索塔總體計算,并根據(jù)計算結(jié)果進行相應(yīng)的配筋及橫梁配束，保證塔柱及橫梁的承載能力，并控制運營期間塔柱混凝土的裂縫寬度。

（2）索塔錨固區(qū)采用井字預(yù)應(yīng)力和環(huán)向預(yù)應(yīng)力結(jié)合的方式，通過索塔錨固區(qū)平面分析和三維空間有限元分析，得到了錨固區(qū)的應(yīng)力分布狀況，根據(jù)分析結(jié)果進行相應(yīng)的配筋，保證錨固區(qū)承載能力，并控制該處混凝土裂縫寬度。

圖8 錨壁外側(cè)應(yīng)力（標(biāo)準(zhǔn)組合索力750 t）

圖9 錨壁內(nèi)側(cè)應(yīng)力（標(biāo)準(zhǔn)組合索力750 t）

（3）該橋主塔整體受力明確、傳力順暢、造型簡潔、大方，充分體現(xiàn)了斜拉橋的雄偉氣勢。

圖11 側(cè)壁內(nèi)側(cè)應(yīng)力（標(biāo)準(zhǔn)組合索力750 t）

[1]林元培.斜拉橋[M].北京：人民交通出版社,1994.

[2]劉士林，梁智濤，侯金龍，等.斜拉橋[M].北京：人民交通出版社,2002.