寧波象山大目灣新城內灣橋設計

李勝才

(林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司廣州分公司，廣東廣州510170)

1 工程概況

寧波象山大目灣新城內灣橋是來薰路跨越內灣景觀水系的重要節點工程，來薰路松蘭大道以北是大目灣新城與外界連通的城市主干道之一，規劃紅線寬度36 m。根據象山大目灣新城的實際地理情況及景觀需求，綜合考慮經濟性及施工可行性等因素，內灣橋選取38+42+56+96+42+38=312 m的獨塔單索面預應力混凝土箱梁斜拉橋進行施工圖設計，橋型布置圖見圖1。

圖1 橋型總體布置 (單位：cm)

2 設計標準

(1)道路等級：城市次干路Ⅱ級；

(2)設計車速：30 km/h；

(3)設計荷載：汽車荷載：城-A;人群荷載：3.5 kN/m2；

(4)橋梁寬度：29.1 m；

(5)設計風速：48.1 m/s；

(6)設計基準期：100年；

(7)抗震設防烈度：橋址區抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g。

3 設計理念

3.1 景觀設計

本次景觀設計借助大海為背景，以帆為設計元素，在主塔立柱的基礎上加上橫向穩定桿，既在結構受力上相輔相成，又使主橋形態宛如在東海上遨游的一葉方舟。整個橋梁造型豐富、優美，充分利用各種簡潔的幾何形態，使其不顯雜亂與繁復，更添一絲優雅。此外，高聳的橋塔與周圍的山呼應，打破了新城內“一馬平川”的弊病(圖2)。

圖2 效果圖

3.2 索輔梁橋結構體系

常規的斜拉橋是將斜拉索兩端分別錨固在塔和梁或者其他載體上，形成塔、梁、索共同承載的結構體系。一般而言，索作為主要受力構件，梁作為次要受力構件，荷載是由纜索傳遞到橋塔上，再通過橋塔最終傳遞到基礎上。內灣橋設計橋面寬度較寬，為29.1 m，采用單箱多室的預應力混凝土結構。其本身具有很可觀的抗彎、抗扭能力剛度，基于此特點設計時采用了一個新的設計理念，即充分考慮斜拉橋中梁和纜索的主要功能，以梁為主要承重體，纜索為輔助承重載體，這就是索輔梁橋或“部分纜索承重橋”(Partially Cable-Supported Girder Bridge)。

4 結構設計

4.1 上部結構

4.1.1 結構體系

本橋采用單塔單索面斜拉橋體系，跨徑組合為(38+42+56+96+42+38=312)m。主塔墩采用塔梁墩固結體系，橋面上鋼曲臂與主梁及橋塔固結，橋面下混凝土曲臂與主梁間留有縫隙，邊墩及橋臺采用滑動支座，橫向約束。

4.1.2 主梁設計

主梁采用預應力混凝土連續箱梁結構，使用單箱五室斷面(圖3)。梁高分為兩種，中跨及側跨結構中心梁高為2.5 m，邊跨為滿足橋下人行通道的要求梁高變為2 m。橋面寬度29.1 m，全橋等寬布置。中跨范圍頂板厚0.25 m，底板厚0.22 m，中腹板厚0.50～1.0 m，為平衡中跨側跨索力不平衡對主塔的影響，對側跨主梁采取增重措施，即頂底板加厚，頂板厚0.50 m，底板厚0.47 m。

塔梁結合段寬度為10 m，拉索錨固橫梁寬度為0.6 m，邊墩頂橫梁寬度為2.5 m，端橫梁寬度為2 m。

圖3 中跨及側跨主梁標準段橫斷面 (單位：cm)

4.1.3 索塔設計

索塔是斜拉橋的主要承重構件，同時又是斜拉橋整體景觀的標志性結構，因此在進行索塔結構類型選擇時既要滿足受力的需要又能達到美觀要求。索塔采用鋼混組合結構，由傾斜的主塔柱和彎曲的裝飾帆曲臂兩部分組成。

(1)鋼塔柱 。鋼塔柱斜長25.7 m，根據景觀設計要求，鋼塔柱采用圓弧倒角的矩形外輪廓，橫橋向寬3.6 m，順橋向由塔頂的3 m漸變至鋼混結合段的3.5733 m，外側壁板相交處設70 cm的圓弧倒角。主塔柱采用Q345qD鋼材。

(2)混凝土塔柱。混凝土塔柱斷面由帶圓弧倒角矩形與半橢圓形組成，帶圓弧倒角矩形由鋼塔柱的外輪廓順接而來，順橋向斜靠在半橢圓截面上，組合形成了混凝土塔柱。順橋向混凝土塔柱在與鋼塔柱交界面的3.573 m漸變至與承臺相接的10 m，橫橋向寬度保持3.6 m不變。

(3)裝飾帆。為了達到建筑設計的效果，本橋設置裝飾帆以提高觀賞性。由于裝飾帆的形狀特殊，受力極為復雜，為了減少設計、施工難度，設計時將其主要功能定義為協同鋼塔柱承擔二期恒載和活載的作用，不參與結構一期恒載受力。

4.1.4 拉索設計

斜拉索采用扇形布置，索面在中跨主梁上順橋向標準間距是10.0 m，邊跨索距為8.0 m；斜拉索在索塔上的索距為2.0 m。斜拉索采用張拉錨固方便的φ7高強鍍鋅平行鋼絲束，鋼絲強度Ry=1 670 MPa，斜拉索采用雙層PE護套。

4.2 下部結構

主墩為實心斷面，由半橢圓與帶圓弧倒角的矩形組成。基礎為承臺加鉆孔灌注樁，樁徑2.0 m，按摩擦樁設計。

主橋邊墩為帶圓弧倒角及的矩形橋墩。基礎為承臺加鉆孔灌注樁，樁徑2.0 m，按摩擦樁設計。

橋臺采用樁柱式橋臺，橋臺下設置4根直徑1.5 m的鉆孔灌注樁，按摩擦樁設計。

5 結構分析計算

斜拉橋結構其荷載主要是依靠主梁、橋塔和斜拉索分擔，合理的確定各構件分擔的比例是十分重要的，直接關系到斜拉橋的經濟性能。本橋利用有限元程序對橋梁結構進行了靜力分析、動力分析和穩定性分析。

5.1 計算模型

建立由梁、塔、索為主要構件的全橋立體模型(圖4)，受力分析以梁、塔位移及應力在各施工階段及成橋運營階段均滿足現行規范要求為目標進行分析。

5.2 靜力分析

經計算，橋梁結構主要受力情況見圖5～圖7。

從計算結果可以看出，塔左、右跨主梁彎矩基本平衡。

從計算結構可以看出：在塔梁固結段，頂緣拉應力0.9 MPa為計算值，失真、不控制設計。考慮消峰影響后無拉應力，全橋應力情況滿足規范要求。

圖4 計算模型

圖5 承載能力狀態下彎矩(不包含預應力效應,單位：kN·m)

圖6 正常使用極限狀態下主梁上緣應力圖之一(單位：MPa)

圖7 正常使用極限狀態下主梁上緣應力圖之二(單位：MPa)

拉索選型：PES7-241，破斷力15 489 kN，安全系數大于2.5。拉索應力幅值約80 MPa，小于250 MPa，疲勞不控制設計。

5.3 動力分析

建立動力計算模式，對主橋結構進行了動力特性分析。計算時以重力工況為初始條件，成橋設計索力以單元溫度的形式輸入。

由分析結果可知，全橋一階橫向振動振型為主塔橫向側彎，對應振動頻率為0.97 Hz，周期為1.03 s。全橋一階豎向振動振型為主梁豎彎，對應頻率為1.10 Hz，周期為0.91 s。內灣橋結構動力特性詳見表1。

表1 內灣橋結構動力特性

5.4 穩定性分析

在恒載+活載作用下，全橋整體穩定性前五階穩定系數如表2所示。

表2 內灣橋前五階整體穩定系數表

6 結束語

(1)本橋位于浙江寧波象山大目灣新城的重要水域位置，其橋位所在區域為現代化的景觀區，針對本橋特點，設計采用了現代、簡潔、有力、挺拔的橋塔造型和清晰而有韻律的拉索布置，以較小的經濟、技術代價取得了很好的景觀效果。

(2)索輔梁橋是一種較為新穎的結構體系，對于主梁本身具有很可觀的抗彎、抗扭能力及剛度的橋梁，采用索輔梁橋的結構體系可以充分發揮主梁和斜拉索的各自功能，具有一定的推廣價值。

[1] 林元培.斜拉橋[M].北京：人民交通出版社，2004

[2] Tang Manchung Rethinking bridge a new configuration[J].Civil Engineering Magazine,2007,77(7):38-45