某城市矮塔斜拉橋的設(shè)計計算

俞欣 張朝貴 張江峰

中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司

某城市矮塔斜拉橋的設(shè)計計算

俞欣 張朝貴 張江峰

中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司

矮塔斜拉橋因其良好的美學景觀價值和經(jīng)濟性，從而更適合用于跨越城市河流。本文提供了一座城市矮塔斜拉橋的設(shè)計方案及其校核計算的主要流程，為廣大施工設(shè)計人員，在城市中建造景觀橋梁提供一個參考范例

矮塔斜拉橋；景觀橋梁；設(shè)計方案

low tower calbe stayed bridge；andscape bridge；design scheme

1 矮塔斜拉橋特點

1995年我國著名橋梁專家嚴國敏先生首次把它定義為“部分斜拉橋”。其含義是：在結(jié)構(gòu)性能上，斜拉索僅僅分擔部分荷載，還有相當部分的荷載由梁的受彎、受剪來承受。“部分斜拉”即源于斜拉索的斜拉程度。后來國內(nèi)一些文章根據(jù)這種橋 型塔高較矮的特點，又把這種橋型定義為矮塔斜拉橋。

其具有以下幾個特點：

(1)美學景觀特征：矮塔斜拉橋主梁高度是連續(xù)梁的1/2左右，具有纖細、柔美的美學效果，克服了連續(xù)梁橋主梁高度過大帶來的壓迫感和橋梁上、下部結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)的弊端。橋塔和斜拉橋的設(shè)置使其具有斜拉橋宏偉、壯觀的感覺。

(2)跨徑布置靈活：矮塔斜拉橋可設(shè)計成單塔雙跨、雙塔三跨和多塔多跨等不同的結(jié)構(gòu)形式。單跨徑在100m～300m范圍內(nèi)為宜，克服了多塔斜拉 橋做帶來的剛度不足和各跨相互影響的弊端，發(fā)揮了多跨連續(xù)梁橋的優(yōu)點，無論在單孔跨徑和總橋長設(shè)計方面均有較大的選擇空間。

(3)施工簡便：矮塔斜拉橋的施工方法與連續(xù)梁橋基本相同，可采用懸澆法施工。施工中不必進行斜拉索二次索力調(diào)整。由于矮塔斜拉橋橋塔較矮，橋塔施工也沒有斜拉橋橋塔施工復(fù)雜。

(4)經(jīng)濟性好：通過國內(nèi)外以建成的矮塔斜拉橋吵架分析，該橋型每延米造價與連續(xù)梁橋基本持平，低于一般斜拉橋造價，具有可觀的經(jīng)濟效益。

正是由于矮塔斜拉橋的上述特點，在城市中有河流經(jīng)過的地方，其靈活的跨徑布置和良好的經(jīng)濟性指標使其在設(shè)計階段就大受青睞，在施工階段同樣因其施工簡便而大受歡迎，在其使用階段，更是以其良好的美學景觀價值成為城市中一道道亮麗的風景線。本文介紹了某城市矮塔斜拉橋的整個設(shè)計流程供廣大設(shè)計人員參考。

2 工程背景簡介

該橋所在位置處，往西為湖泊風景區(qū)，屬城市景觀河道；向北連接大城市，為航運專線，沿城市外圍繞行，河岸已作部分整治。

按城市橋梁規(guī)劃[1]要求，進城段河道航道標準為五級，通航凈高大于5m，凈寬大于45m，滿足雙向通航要求。按此規(guī)定，本橋采用的主要設(shè)計標準如下：橋梁連接道路為城市主干道，道路控制紅線寬度40m，控制車速50km/h，雙向四車道，設(shè)非機動車道和人行道。已建道路橫斷面布置為4m(人行道、綠化)+4.5m(非機動車道)+4m(機非分隔帶、綠化帶)+15m(機動車道) +4m(機非分隔帶、綠化帶)+ 4.5m(非機動車道)+4m(人行道、綠化)，總寬40m。受用地控制，沿線高路堤及橋梁引道路側(cè)均采用漿砌塊石擋土墻連接。本工程設(shè)計道路總長560m，其中橋梁總長350m，接線道路總長210m。

3 橋梁及連接道路設(shè)計

3.1 橋梁方案設(shè)計要點

一般橋梁采用路橋等寬的布置形式，而對于長大橋梁，為提高結(jié)構(gòu)使用效率，降低造價和橋梁維護費用，橫斷面布置形式主要滿足交通和結(jié)構(gòu)要求。

本文大橋橫斷面布置方案為，人行道寬3m；結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)需要，設(shè)置2.5m機非分隔帶、綠化帶，主橋塔梁結(jié)合處，設(shè)置3.5m機非分隔帶。橋梁標準寬度控制在35m，通過在引道上設(shè)置人行道和機非分隔帶寬度漸變段，與規(guī)劃道路斷面一致。

橋位處原河道寬185m，城區(qū)段發(fā)展為景觀河道后，河口段南半側(cè)已進行回填，形成了外河內(nèi)湖的格局。基于現(xiàn)狀河道具有自然、生態(tài)的環(huán)境，河汊寬闊、浩茫的氣勢，本文大橋設(shè)計方案以原河道岸線作為主橋控制范圍，同時，盡可能增加引橋橋跨，以使河道及岸線景觀具有延續(xù)性和視覺上的通透性。

規(guī)劃的進出城區(qū)主航道設(shè)置在河道北側(cè)，由于地處河汊、航道彎道處，橋梁凈空除滿足雙向通航凈寬要求之外，還必須使通航河道內(nèi)的橋下凈空都滿足凈高要求以及橋下空間的通視要求，以確保船只和結(jié)構(gòu)的運營安全。考慮到遠期城市水環(huán)境的開發(fā)和利用，南側(cè)河道保留五級航道的通航標準，以利于今后河汊處的航線的選擇和調(diào)整。

為滿足接線道路縱坡控制要求和橋下空間通透性要求，結(jié)合工程環(huán)境特點、工程造價控制要求，可選擇系桿拱橋和斜拉橋兩種橋梁類型。

本工程具有以下特點：1）橋面寬；2）橋下凈高小；3）橋梁跨徑大。在橋型選擇上要避免產(chǎn)生壓抑感，同時，如采用奇異結(jié)構(gòu)，會帶來高投入、高維護費用及實用性差的弊病。

3.2 橋型方案布置

橋梁跨徑布置為3孔20m(北引橋)+2孔95m(主橋)+5孔20m（南引橋），橋梁總長350m，其中主橋長190m ,引橋長160m。主橋方案為獨塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，塔梁墩固結(jié)體系。主橋結(jié)構(gòu)特點：1）主梁借用橋面機非分隔帶結(jié)構(gòu)高度，來提高主梁整體剛度，滿足橋梁建筑高度控制要求；2）設(shè)置體外錨固塊，不破壞主梁結(jié)構(gòu)整體性；3）橋塔造型簡潔新穎。

橋面以上橋塔高度為45m，塔身采用實體斜柱式結(jié)構(gòu)，錨索區(qū)為箱形截面，箱體內(nèi)部為鋼結(jié)構(gòu)錨箱，鋼錨箱與混凝土外壁連接成整體，既作拉索受力錨箱，又作結(jié)構(gòu)內(nèi)模，比之于全鋼結(jié)構(gòu)具有良好的結(jié)構(gòu)耐久性。

橋面結(jié)構(gòu)采用π形雙主梁，標準段主梁間距16.8m，梁寬1.8m，塔梁連接處梁寬3.5m；橫向設(shè)置端橫梁、中橫梁及塔柱橫梁，橫梁標準間距6m，內(nèi)橫梁寬度40cm，端橫梁設(shè)置牛腿，兼作引橋蓋梁。

全橋布置13對拉索，梁上索距為6m；塔上間距1.5m～2m。拉索采用平行鋼絲外加保護套的成品索，冷鑄式錨頭。梁上錨點設(shè)置在主梁外側(cè)。

按照設(shè)計方案擬定的結(jié)構(gòu)尺寸，建立有限元分析模型，采用橋梁專用分析程序進行了初步計算分析，主要結(jié)果如下；1）塔身最不利組合荷載條件下，最大壓應(yīng)力小于12兆帕；2）構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)達到65左右，大于常規(guī)控制值；3）活載最大位移5.5cm，滿足小于1/500規(guī)范要求；4）結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)基頻2.4，計算顫振臨界風速大于150m/s，大于當?shù)仡澱駲z驗風速50m/s；5）按照抗震規(guī)范計算的地震效應(yīng)，不控制結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3.3 連接道路設(shè)計要點

本工程道路工程的控制要點：1）道路縱斷面設(shè)計，在滿足航道通航凈空要求下，也能滿足非機動車騎行需要；2）優(yōu)化本文大橋縱斷面設(shè)計，有效降低環(huán)城路交叉口填土高度；3）采用水泥混凝土攪拌樁，對道路填浜段和橋頭高填土段進行地基加固處理。同時，進行必要的排水工程建造設(shè)計，按照暴雨強度計算公式中，設(shè)計重現(xiàn)期：p=1年，地表徑流系數(shù)為0.65，地面集水時間10分鐘。雨水匯水范圍為道路本身排水，雨水就近排入河道。

4 設(shè)計計算校核

本文還提供了獨塔斜拉橋的主要設(shè)計計算內(nèi)容，主要包括結(jié)構(gòu)的靜力分析與穩(wěn)定分析。校核計算結(jié)果滿足相應(yīng)的規(guī)范和要求，證明結(jié)構(gòu)是可行的。本文橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型如圖1所示。

圖1 本文橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型

4.1 靜力響應(yīng)校核

①支反力匯總

主墩最大支反力為41189千牛，采用鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)，單樁平均承載力在4500～5000千牛，布置9根樁，承載力滿足要求。

②最不利荷載組合下拉索力：

在最不利荷載組合下，最大索力為3869kN，索的應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

③最不利荷載組合下塔身應(yīng)力：

塔身最大壓應(yīng)力為7.1Mpa，滿足規(guī)范要[2]

④結(jié)構(gòu)撓度驗算：活載作用下跨中撓度之和：4.95cm

4.2 穩(wěn)定性校核

第一階失穩(wěn)模態(tài)為面內(nèi)不對稱豎彎失穩(wěn)，臨界荷載系數(shù)為66.36；第二階失穩(wěn)模態(tài)為主跨面外失穩(wěn)，臨界荷載系數(shù)為67.56；均滿足規(guī)范臨界荷載不小于4的要求[3]。

[1]城市橋梁設(shè)計準則(CJJ11-93) [S].中華人民共和國建設(shè)部發(fā)布,1993.10

[2]公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范 (JTG D62-2004) [S].中華人民共和國交通部發(fā)布,2004.06

[3]公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范(JTG D60-2004) [S].中華人民共和國交通部發(fā)布,2004.10

Introduction of a Low Tower Cable Stayed Bridge in City

For its favorable aesthetic landscape value and economy advantage, low tower cable stayed bridge is more adaptive for stride across the river in city. In this paper, aims at providing a reference model for the other designers, the main procedures in the design and checking process of a low tower cable stayed bridge in city are introduced.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.13.022