南京市跨秦淮河自錨式懸索橋設計

黃東初

(南京市市政設計研究院有限責任公司，江蘇南京 210018)

南京市跨秦淮河自錨式懸索橋設計

黃東初

(南京市市政設計研究院有限責任公司，江蘇南京 210018)

南京市小龍灣跨秦淮河大橋主橋采用跨徑(44+96+44)m的三跨自錨式懸索橋，雙塔雙索面布置，主塔采用燈塔造型，跨中主纜矢跨比為1/5.5，主纜錨固在加勁梁梁端，加勁梁為預應力混凝土結構。主塔與加勁梁采用分離的形式，橋梁縱向采用半漂浮式結構，設計構思獨特。以該橋為工程背景，介紹這類橋梁設計構思，通過有限元計算分析受力特性，并對此類橋型的發展、應用前景進行分析。

小龍灣;自錨式懸索橋;有限元分析;加勁梁;半漂浮;施工技術要點

1 工程概述

南京市江寧區小龍灣路為東山新市區楊家圩小龍灣地區規劃的一條主干路，西端與現狀西門子路對接，將秦淮河兩岸實現溝通。該工程主橋所處位置河道上口寬約150 m，常水位標高為7.50 m，秦淮河遠期按Ⅳ級航道要求進行規劃。小龍灣路南側為高層建筑群，該橋采用建筑高度較小的自錨式懸索橋，既可形成自己獨特的橋梁造型，又可降低橋上建筑對高層建筑的景觀影響，見圖1。

圖1 成橋圖片

主橋采用三跨雙塔雙索面的自錨式懸索橋，引橋采用30 m跨預應力混凝土連續箱梁。主橋跨中設置變坡點，跨中兩側設置2.82%的對稱坡，豎曲線半徑為R=1 350 m;跨中橋面設計高程為19.424 m。設計荷載采用公路- I級;人群荷載按3.5 kN/m2。

工程范圍西起莊排路，東至規劃的潭園路，全長1064.22 m，其中主橋長184 m，引橋長270 m，引道長174 m，其余為現狀道路加寬改造及部分新建道路段。

2 工程設計

2.1 總體布置

主橋采用三跨自錨式懸索橋結構，雙塔雙索面布置，跨徑組合為44 m+96 m+44 m=184 m。主塔采用燈塔造型，主纜成橋線形采用二次拋物線，跨中主纜矢跨比為1/5.5， 主纜錨固于加勁梁梁端，加勁梁為預應力混凝土結構，主纜橫橋向中心距18 m。加勁梁采用現澆預應力混凝土箱梁，梁高1.74～2.0 m。吊索標準間距為5 m，箱梁每5 m設置一橫梁與吊索對應。主塔基礎采用直徑為1.5 m的鉆孔灌注樁群樁基礎，橋面寬34.5 m。具體見圖2及圖3。

圖2 主橋總體布置圖(單位:m)

2.2 主橋結構設計

主纜共2根，采用對稱布置，成橋狀態下主跨跨度96 m，矢跨比為1/5.5，邊跨矢跨比為1/14.8，兩主纜纜心橫向間距為18 m;設計采用每根主纜由37股預制平行(PPWS)鋼絲成品索組成，每股成品索由91絲φ5.1 mm的鋼絲組成，標準強度fpk=1 670 MPa。其在索夾內直徑為326.8 mm(空隙率18%)，索夾外直徑為330.9 mm(空隙率20%)。

主塔采用雙柱加系梁的框架結構體系，塔頂索鞍下緣及塔底加勁梁下緣各設置一橫梁，下橫梁上設置支座，承擔部分豎向荷載。主塔結構總高35.4 m，其中橋面以上結構高22.6 m，為C40鋼筋混凝土結構;塔身為變截面布置，標準截面尺寸為1.8 m×2.8 m(橫橋向×順橋向)，并設置20 cm×20 cm的倒角，橋面以上至上橫梁頂以下段塔體兩面設置10 cm的凹槽，槽寬50 cm;塔底截面尺寸為3.0 m× 4.0 m(橫橋向×順橋向)，倒角為55 cm。

吊索共33對66根，兩邊跨各7對，主跨19對，吊索標準間距5 m，主塔兩側吊索距塔軸線3 m。吊索采用單根109絲φ7.1 mm高強鍍鋅鋼絲組成的成品鋼絲索(帶PE護套)，冷鑄錨錨固體系。吊索與索夾采用耳板銷接，下端與梁體用冷鑄錨錨固于橫梁底部，張拉端設在箱梁底部。

索夾采用兩個鑄鋼半圓構件組成，采用高強螺栓對接(上下對接)，全橋共有33對索夾，索夾及附件的防腐措施采用噴涂防腐油漆，油漆分多道噴涂。

主索鞍由鞍體、索鞍底座上平板及蓋板等組成，全橋共4個。鞍體采用ZG275-485H鑄鋼整體鑄造，底部設6 mm不銹鋼板。底座上平板為Q345C鋼板，上鋪四氟乙烯板，以保證鞍體在施工階段可縱向移動。

散索套固定于主橋加勁梁內，為適應主纜軸向位移，散索套體與壓板、底座之間設3 mm四氯滑板。散索套體為全鑄鋼件，采用上下對合結構，由等直徑的摩阻段和變直徑的散索段組成，上下兩半散索套體用高強螺桿連接緊固。

主纜錨頭: 索股兩端設索股錨頭，索股錨頭采用熱鑄錨，在錨杯內澆注鋅銅合金，使主纜鋼絲與錨杯相連。主纜經散索套后，呈輻射形散開，每根主纜分成37股，分別錨固在主梁錨塊上。

吊索錨頭:吊索上下錨頭均采用冷鑄錨。上錨頭由錨杯與叉形耳板銷軸連接，錨杯內澆鑄環氧砂漿，下錨頭通過錨墊板直接錨固于主梁上，這種連接簡化了主梁吊點設計，允許吊索有±20 cm的長度調節以消除施工誤差影響。

加勁梁為現澆預應力混凝土箱梁，除邊跨端錨段采用變高度截面外，其余均為縱向等高度截面。箱梁截面為兩個單箱三室的箱梁，兩個箱梁通過內側懸臂及橫梁連接為一整體。箱梁標準梁高為1.74～2.0 m;主纜錨固區的端錨段高4.5～4.67 m，主要用作主纜錨固及平衡壓重用。

3 結構計算

3.1 計算分析

采用有限單元法建立全橋分析模型，分別計算各種作用對各主要構件產生的效應，參照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62-2004)和《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2004)進行作用效應組合，根據組合值進行構件截面驗算和配筋計算。有限元軟件采用MIDAS/Civil。

全橋計算模型考慮吊桿與加勁梁剛性連接，見圖4及圖5。

圖4 MIDAS全橋模型

圖5 全橋計算模型

3.2 主要計算結果

3.2.1 主纜計算結果

在運營階段主要荷載工況組合下，主纜最高應力為637.9 MPa，滿足規范規定安全系數為2.5 的要求;吊索最高應力為709 MPa，安全系數為3.1 (規范規定值3.0)，滿足要求。計算結果見圖6。

圖6 主纜內力(單位:kN)

3.2.2 吊桿計算結果

吊索張拉過程非線性分析表明，在張拉全過程中吊索內力變化幅度較大，部分吊索一次張拉應力高于施工控制應力，需要分步張拉，吊索的詳細張拉方案有待進一步研究優化。計算結果見圖7和表1。

圖7 吊索內力(單位:kN)

表1 成橋吊索張拉力計算表(單位:kN)

3.2.3 加勁梁計算結果

(1)梁單元整體分析結果表明，主梁縱向預應力配置基本合理，在運營階段混凝土梁受力良好，除端跨錨固段外，主梁處于全截面受壓狀態，上翼緣最大壓應力13.0 MPa，下緣最大壓應力為11.1 MPa。計算結果見圖8-11。

圖8 加勁梁軸力(單位:kN)

圖9 加勁梁彎矩(單位:kN·m )

圖10 加勁梁頂板應力(單位:MPa)

圖11 加勁梁底板應力(單位:MPa)

(2)在最不利荷載組合下主梁最大變形發生在主跨跨中，向下豎向變形值為78 mm，如圖12滿足《公路懸索橋設計規范》(報批稿)[1]的規定為320 mm(L/300， L 為跨度96 m)。

圖12 主梁變形(單位:mm)

(3)各種荷載作用和組合下，加勁梁端的最大縱向伸縮量為-11 mm～51 mm。

4 施工技術要點

主纜錨固于加勁梁兩端后，吊索未與加勁梁連接前為空纜線形，主纜的空纜線形與成橋線形有較大差異，空纜狀態下的吊索端部距離加勁梁上的錨座有較大的距離，為此需要采用張拉吊索使得錨頭就位的安裝方法。吊索與加勁梁連接的過程是復雜的結構體系轉換過程，在這過程中，結構受力模型、體系內力和變形都不斷的發生變化，其中比較明顯的有:

(1)主纜從低應力狀態過渡到高應力狀態。

(2)吊索逐根的由零應力過渡到設計應力狀態。

(3)加勁梁受力體系由滿堂支架過渡到彈性支撐多跨連續梁，線形發生多次變化;加勁梁的受力狀態也隨著變化。

5 評價與應用前景

小龍灣跨秦淮河自錨式懸索橋的設計與施工、成橋運營實踐表明，自錨式懸索橋主要優點:

(1)自錨式結構體系和地錨式結構體系相比不受地質條件影響，不需要強大的主纜錨錠而降低了工程造價。與同等跨徑的其他橋型比較，橋型美觀，能較好的與城市及周圍環境協調一致[2]。

(2)自錨式懸索橋的活載彎矩主要由加勁梁承擔，在活載的作用下的受力性能與連續梁橋相似，所以它的結構剛度大，變形小，使用性能好。

(3)加勁梁受到的軸向壓力大，混凝土抗壓性能好，采用鋼筋混凝土加勁梁滿足結構受力要求，且造價低，經濟性較好。

(4)主纜及吊桿的應力幅度小，對主纜及吊桿的抗疲勞性好，主纜與吊桿的安全系數可以適當降低，從而可以使得材料得到充分利用[3]。

(5)鋼筋混凝土加勁梁的自錨式懸索橋的彈性穩定系數，有足夠的安全系數。

(6)由于自錨式懸索橋由主梁的受彎、受壓，主纜受拉承受荷載，受力比連續梁更合理，同時又不需要強大的地錨，跨度70～300 m的橋梁，自錨式懸索橋具有較大的競爭優勢[3]。

(7)小龍灣路南側為高層建筑群，該橋采用建筑高度較小的自錨式懸索橋，既可形成自己獨特的橋梁造型，又可降低橋上建筑對高層建筑的景觀影響。

主要缺點:自錨式懸索橋施工時，由于主纜錨固在加勁梁上，在架設主纜之前，需架設主梁，這種和傳統上的懸索橋剛好相反，在一定程度上限制了此橋型的推廣。

6 結語

小龍灣自錨式懸索橋，其造型剛柔并濟，形態優美，又處于城市繁華地段，同時跨越秦淮河，能充分達到自然景觀與人文景觀交融的效果，為都市增添一道靚麗的風景。

[1] 公路懸索橋設計規范(報批稿)[S].

[2] 鄭江敏.鋼筋混凝土自錨式懸索橋的設計與施工.市政技術. 2006(5):160-162.

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

U448.25

B

1009-7716(2015)11-0079-03

2015-07-06

黃東初(1982-)，男，江西撫州人，工程師，從事橋梁工程設計工作。