西寧市文匯路跨湟水河大橋混凝土自錨式懸索橋設計

宋 凱

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

1 概述

一直以來，懸索橋以其優美的線形和錯落有致的外觀為大多數人所欣賞。自錨式懸索橋取消了傳統懸索橋中所必須的巨大的錨錠，將主纜直接錨固在加勁梁上，使主梁直接承受主纜傳來的水平力。一方面從造價的角度，去掉了錨錠施工所需要的巨大的費用，增加了方案的經濟優勢；另一方面從結構受力的角度，增大了主梁壓應力儲備，減少主梁所需預應力材料數量，結構受力更加合理。自錨式懸索橋跨徑在60～300 m都是一種非常有競爭力的橋型[1]。

西寧市海湖新區文匯路跨湟水河大橋，采用（24+65+158+65+24）m兩塔五跨混凝土魚腹梁自錨式懸索橋方案，橋面結構寬度27.3 m，設置雙向橫坡1.5%。圖1所示為全橋總體布置圖。

圖1 總體布置圖（單位：m）

2 抗震設計

該工程橋址處地震基本烈度為Ⅶ度，場地類別屬Ⅱ類，地震水平較高，全橋的抗震設計是一個重點難題，設計伊始就將結構體系與抗震設計結合考慮。由于主梁采用質量較大的混凝土箱梁，地震作用下的慣性力較大，因此總體上采用縱向滑動支座體系結合阻尼器方案。在主塔、邊墩、橋臺處均設縱向滑動支座，放開結構的縱向約束，增大結構的自振周期，有效降低了地震相應。同時為了控制地震作用下的縱向位移，在每處塔梁交界處均設置阻尼器。圖2所示為罕遇地震（E2水準地震）作用下，阻尼器對各關鍵部位的縱向位移的影響。計算顯示，設置阻尼器能有效減小各關鍵部位位移。

圖2 E2水準地震作用下各關鍵部位縱向位移（單位：mm）

3 結構設計

3.1 總體布置

全橋采用半漂浮體系，在主塔牛腿處設置縱向滑動支座，主梁與橋塔之間設置橫向抗風支座，在邊墩和錨墩處設置縱向活動支座及橫向抗震擋塊。

該橋主纜由3跨組成，邊跨理論跨徑65 m，主跨理論跨徑158 m。已有的分析研究顯示，對于自錨式懸索橋，隨著矢跨比的增加，橋梁的整體剛度也隨著增加，但是主梁軸向壓力卻相應減小[2]。綜合考慮結構受力、造價及景觀因素，主跨的理論矢跨比選定為1︰6。

3.2 主梁設計

主梁采用單箱三室混凝土魚腹梁，梁高2.2 m，頂寬27.3 m。主梁主要分為錨跨段、邊跨錨固段和吊索區三大部分。

錨跨及邊跨錨固段主梁共長40 m。錨跨段主梁梁高2.2 m，錨跨段跨中頂、底板厚度為250 mm，中腹板厚度為400 mm。在靠近主纜錨固區處，頂底板均逐漸變厚為500 mm。錨固區主橫梁寬度2.0 m，為增強錨固段箱梁受力的整體性，在錨固區段加設了2道厚度為0.8 m的橫梁。錨跨段主梁跨中斷面圖如圖3所示。

圖3 錨跨段主梁跨中斷面圖（單位：mm）

吊索區主梁長256 m，標準節段長6 m。吊索區主梁梁高2.2 m，吊索至挑臂邊緣4.15 m，挑臂總長4.45 m。主梁標準段頂、底板厚度為250 mm，中腹板厚度為400 mm，腹板間距6～6.4 m。標準節段主梁斷面圖如圖4所示。

圖4 吊索區主梁標準斷面圖（單位：mm）

主梁采用縱、橫雙向預應力體系。主梁縱向配置規格φs15-12高強度低松弛鋼絞線，其中施工用永久預應力鋼束在每個節段澆筑完成后張拉，其余預應力鋼束在全部主梁澆筑完成，纜吊系統施工前張拉。在每個橫梁內均布置橫向預應力鋼絞線。

主梁施工采用逐節段支架現澆，全橋縱向共分為13個節段，南北對稱布置。最長梁段32 m，最短梁段20 m。

3.3 主塔及基礎設計

主塔為門式塔，塔高50.993 m。塔頂設置框形橫梁結構，塔頂下橫梁為預應力混凝土結構，塔頂上橫梁為鋼結構。混凝土塔柱自下到上分為4個區段。主塔結構見圖5。

下塔柱橫橋向保持2.5 m寬度，全截面為啞鈴形。左右塔柱在與主梁相接處各設置一個牛腿，牛腿上設置主梁支座，支座中心距14.1 m。

中塔柱橫橋向保持2.5 m寬度不變，順橋向分成兩片等厚的塔柱，厚度均為2.15 m，在靠近主塔中心線側設0.65 m×0.65 m倒角，塔柱之間凈間距1.7 m。整個橋塔順橋向尺寸為6 m，上下保持不變。兩片塔柱之間通過3根混凝土系梁相連接。

圖5 主塔立面和側面圖（單位：m）

上塔柱在塔頂處將兩片塔柱用混凝土連接起來，形成一段高度為5.6 m的實心混凝土平臺，并將左右塔柱通過預應力混凝土橫梁相聯系。

塔頂段為鋼混凝土組合結構，混凝土與鋼結構之間通過剪力釘連接，中間開設3.5 m高的空腔以放置索鞍。該段在塔頂上橫梁預應力張拉完畢且纜吊系統施工完畢后施工。

每根塔柱單獨設置承臺，每個承臺下設置6根直徑2.2 m鉆孔灌注樁。為了增強地面以下基礎部分的耐久性，設計在承臺和樁基混凝土結構采用了抗硫水泥。

3.4 纜吊系統設計

纜吊系統包括主纜、吊索、索夾、主鞍座和散索套等幾個組成部分。

主纜采用懸索橋主纜的常規設置，即中跨、邊跨連續主纜，在主塔頂部設置索鞍，主梁端部設置散索套和錨固區，主纜通過主索鞍轉向并經散索套發散后直接錨固于主梁端部的混凝土實體上。該橋為雙纜面，全橋共兩根主纜，每根主纜由37個索股組成，每股含91φ5.25 mm鍍鋅高強鋼絲，索股構成正六邊形，緊纜后主纜為圓形。主纜施工采用預制平行鋼絲索股逐根架設的施工方法（PPWS）。

全橋共設82個吊點，每個吊點設一根吊索，每根吊索由109φ7.0 mm的鍍鋅高強鋼絲束組成。吊索的上接頭采用鉸銷接頭，以減少吊索彎折。吊索的下接頭采用錨頭直接錨固在主梁上，且設置球面錨墊板，以便于適應吊索的變形。吊索上下錨頭均采用冷鑄錨，上錨頭由錨杯與叉形耳板螺紋連接，下錨頭采用張拉端錨具與主梁連接。

索夾采用鑄鋼結構，材料為ZG310-570，上下對合，用高強螺栓桿連接。

主索鞍采用全鑄式結構，材料為ZG310-570。鞍槽內隔板采用5 mm的碳素鋼板，鞍頭上采用M48螺桿，將索股全部就位、調股后，在頂部用鋅塊填平，并用螺栓夾緊鞍槽側壁。

主纜在主梁端部設置散索套，主纜經散索套發散后直接錨固。散索套采用全鑄式結構，材料為ZG310-570。

4 結構計算

懸索橋的計算主要采用3種理論：彈性理論、撓度理論以及有限位移理論。彈性理論不考慮主纜恒載內力對其他荷載內力的影響，得到的計算結果較大；撓度理論計入主纜恒載內力的影響，得到的計算結果更加準確；有限位移理論采用矩陣分析法，借助計算機技術考慮各種非線性的影響，計算結果精確。

本次設計采用大型空間有限元軟件，模擬全結構的空間模型，利用有限位移理論，考慮結構幾何非線性和材料非線性。計算根據施工過程，按照模型結構體系變化，共分為4個階段。

施工階段一：主塔施工，滿堂支架施工主梁，并依次張拉施工用永久預應力及成橋預應力。

施工階段二：安裝纜吊系統，施工橋面二期恒載；

階段三：成橋。

階段四：收縮徐變10 a。

計算荷載包括：恒載，活載，溫度荷載（包括整體溫差、體系溫差和日照溫差），風荷載，支座沉降。按照不同組合計算內力。各構件計算結果均滿足規范要求。

5 結語

多跨連續混凝土梁自錨式懸索橋將大跨連續梁橋與懸索橋兩種結構體系結合在一起，通過吊索對加勁梁的彈性支承，有效降低了梁高。因此，該橋型保持了傳統地錨式懸索橋橋型優美輕便的優點，而且主纜直接錨固在加勁梁上，使主梁直接承受主纜傳來的水平力，增大了主梁壓應力儲備，對結構受力更為有利[3]。

西寧市海湖新區文匯路跨湟水河大橋主橋為多跨混凝土自錨式懸索橋，結構對稱且造型優美簡潔，作為現代城市橋梁，具有突出的景觀優勢。該橋已于2012年12月竣工通車，全橋實景見圖6。該橋的實施將對以后類似項目的設計提供一定的借鑒與指導。

圖6 全橋實景

[1]張元凱，肖汝誠，金成棣.自錨式懸索橋的設計[J].橋梁建設，2002（5）：30-32.

[2]張哲.混凝土自錨式懸索橋[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3]胡建華.現代自錨式懸索橋理論與應用[M].北京：人民交通出版社，2010.