剛性吊桿自錨式空間懸索結構設計與分析

杜 鵬

（1.中船第九設計研究院工程有限公司，上海市 200063；2.上海海洋工程和船廠水工特種工程技術研究中心，上海市 200063）

1 概述

1.1 工程概況

剪影橋橋梁工程位于揚州市三灣公園內，現狀古運河河道寬度約115 m，橋梁中心線與河道夾角為90°。橋梁工程設計起點樁號K0+116，終點樁號K0+284，全長168m，采用剛性吊桿自錨式空間懸索結構，跨徑布置為（24+120+24）m=168 m。它借鑒了國家非物質文化遺產——揚州剪紙，別出心裁地采用性格豪放的現代材質和工藝，將剪紙藝術體現在橋梁之上。剪影橋總體立面圖如圖1所示。

圖1 剪影橋總體立面圖（單位：cm）

1.2 基本建設條件

1.2.1 自然地理

場地位于中緯度地帶，屬涼亞熱帶濕潤氣候，年平均降雨量1 033 mm，年平均蒸發量1 518 mm。潛水位年變幅最大為2.15 m，最小為0.84 m，高值一般出現在7—9月汛期，低值多出現在11—12月旱季。

1.2.2 地形地貌

場地位于長江下游沖積平原區，地貌類型屬三角洲平原的古河口沙嘴。橋址處古運河西岸為沙石堆場，地面高程約5.5 m，東岸為農田，地面高程5.8～6.7 m。

1.2.3 地質構造

場地大地構造位置處于我國大陸東部揚子準地臺蘇南隆起區的江都隆起部位。場地北側有蔣王-宜陵斷裂、西側有蔣王廟-酒甸斷裂，東側有鳳凰河斷裂穿過，其他斷裂離場地較遠。根據區域地質資料，這些斷裂晚近期均未發現活動跡象，場地區域地質穩定較好。

1.3 主要技術標準

（1）人行橋。

（2）設計荷載為人群荷載，按《城市橋梁設計規范》（CJJ 11—2011）取用。

（3）古運河Ⅵ級航道，航道寬25 m，通航凈空不小于4.5 m。

（4）抗震設防標準為7度,地震動峰值加速度0.15g。

（5）設計水位及設計洪水頻率：最低通航水位3.830 m，最高通航水位5.830 m，設計洪水頻率1/100。

（6）橋梁縱坡：橋面最大縱坡6%，最小豎曲線半徑（凸）R=300 m。

（7）斷面布置：2.0 m（左側人行道）+4~16 m（中部人行道）+2.0 m（右側人行道）=8~20 m。

2 主橋設計

2.1 結構體系設計

該橋采用剛性吊桿自錨式空間懸索結構，跨徑布置為（24+120+24）m=168 m。主塔采用門式鋼框架，加勁梁采用鋼箱梁，加勁梁縱向為半漂浮體系，塔梁分離。邊跨兩側分別設置重力式錨錠壓重，主纜錨于錨錠上。懸索橋主纜為空間布置，由橫向拉索控制主纜橫向間距，其中跨中橫向間距10.0 m，漸變至主塔處27.2 m，主纜垂度14.34 m，垂跨比1/8.368。

2.2 索塔及塔座

鋼主塔采用門式框架形式，兩側塔柱中心距27.2 m，索塔全高26.85 m，為保證鋼塔整體穩定性，距離塔底6 m高度范圍內填充C50自密實微膨脹混凝土。塔頂處設置一道橫梁，塔底采用靴式柱腳與混凝土承臺相連。

塔柱采用鋼箱斷面，斷面尺寸為1.5m×1.5m，沿縱向設置T形加勁肋，豎向每隔約5.0 m設置一道橫隔板。主塔橫梁為截面尺寸1.5 m×1.5 m的正方形截面，橫梁頂、底板上縱向分別設置三道200 mm×20 mm加勁肋，橫梁中部設置四道橫隔板。塔柱底部采用靴式柱腳，每個柱腳用22個10.9級M42高強螺栓與塔底承臺連接，高強螺栓預拉力P=695 kN，柱腳外露部分高度0.3 m，螺栓在混凝土承臺中部分采用直徑56 mm PVC管材包裹，以利于螺桿受力。

2.3 纜索系統及鞍座

全橋主纜共2根，主跨跨徑120 m，主纜垂度14.34 m，矢跨比為 1/8.368，主纜規格采用FPES7-451（鋅-5%鋁-混合稀土合金鍍層）成品索，外徑191 mm，雙層護套結構標準抗拉強度σb=1 770 MPa，主纜外包雙層PE（黑色內層彩色外層）進行防護，錨固壓重錨錠上，錨固采用PESM7-451冷鑄錨錨固體系（見圖2）。

圖2 主纜斷面圖（單位：mm）

主纜在索塔頂設索鞍，全橋共設置4個索鞍。索鞍由鞍座及鞍座底座等組成。索鞍總高1.5 m，鞍座由鞍槽及鞍座座體組成，為ZG310-570鑄焊結構。鞍座底座設于鋼塔塔頂，鞍座底座要求表面平整并具有足夠的豎向彎曲剛度。橋塔塔頂索鞍通過高強螺栓固定于橋塔頂部。索鞍外附6 mm厚Q345qC索鞍罩，索鞍罩與索鞍底鋼板通過角焊縫固定，以防雨雪進入鞍座。

2.4 索夾

索夾采用兩個鑄鋼半圓構件，高強螺栓連接，由于吊桿力大小及索夾處主纜傾斜角不同，索夾的長度及對接所需螺栓數量也不同，全橋共有34對索夾，9種類型。索夾下端伸出部分與剛性吊桿采用高強螺栓連接（見圖3）。

圖3 索夾示意圖

2.5 橫向拉索與豎向臨時拉索

圖4 橫向拉索示意圖

圖5 豎向臨時吊桿示意圖

2.6 剛性吊桿

該橋采用剪紙拉花型剛性吊桿,剛性吊桿采用矩形鋼箱斷面，斷面尺寸為400 mm×800 mm。頂、底板厚12 mm，頂、底板整片設置，中部與頂、底板平行設置一道隔板，隔板厚10 mm，腹板厚14 mm。剛性吊桿頂部主纜間采用上弦桿連接，上弦桿采用矩形鋼箱斷面，變寬、變高設置，頂、底板及腹板厚度均為8 mm。

2.7 主梁

如圖6所示，主梁采用雙箱單室變截面鋼箱梁。道路中心線處梁高1.6m，橋面寬度由跨中8m變化至20 m，邊線呈圓弧線布置（R=303 m），在剛性吊桿處主梁設置懸挑翼緣與剛性吊桿連接。

圖6 主梁平面示意圖

鋼箱梁頂面設置雙向1%的橫坡，底面水平。除鋼混結合段外，其余節段頂、底板厚14 mm，腹板厚12 mm；鋼混結合段頂、底板厚18 mm，腹板厚16mm。每隔一段距離設置橫隔板及橫向剛性加勁，箱室內橫隔板厚28 mm，橫向加勁板厚20 mm，橫隔板上設1.2 m×0.6 m的人孔。與橫隔板位置相對應設置翼緣加勁板及雙箱的橫向聯系加勁板，板厚均為28 mm。

吊桿懸挑翼緣順橋向寬度為0.85 m，頂、底板與箱梁等厚14 mm，腹板厚14 mm，并根據懸挑長度的不同設置1~2道橫向連系加勁肋，厚10 mm。

2.8 壓重錨錠

兩岸壓重錨碇均采用重力式結構。錨碇順橋向長6.5 m，寬32 m，高4.3 m，錨錠頂面與縱坡曲線平行。考慮錨固系統壓重塊其下基礎除應滿足地基承載力要求外，有較高的沉降要求，采用預應力混凝土管樁＋素混凝土墊層+碎石墊層+整體式雙向鋼絲土工格柵處理的處理方式。

2.9 下部結構設計

每個主塔下設矩形承臺，承臺橫橋向寬2.5 m，順橋向長6.5 m，厚2.5 m。承臺采用C35混凝土，墊層采用20 cm厚C20混凝土墊層和50 cm厚碎石墊層。單個承臺下布置兩根1.5 m的鉆孔灌注樁，樁長51 m，順橋向樁中心距4 m，樁基混凝土采用C30水下混凝土。

主梁主墩由兩根獨立的樁柱式橋墩組成，橫橋向間距8.2 m，橋墩直徑1 m，橋墩高度2.79 m，下接直徑1.2 m的鉆孔灌注樁，樁長33 m，樁基混凝土采用C30水下混凝土。

2.10 施工步驟

施工步驟[4]如圖7所示。

圖7 施工步驟

3 計算分析

3.1 計算模型

分析程序采用MIDAS/Civil 2015進行計算，加勁梁、主塔、剛性吊桿以及上橫梁采用空間梁單元，主纜采用只受拉單元，橫向拉索與臨時吊桿采用桁架單元。模型共計梁單元2 796個，只受拉單元40個，桁架單元49個[1]（見圖8）。

圖8 MIDAS模型圖

3.2 靜力分析結果

3.2.1 主纜

主纜最小拉力6 161 kN，應力352 MPa，位于中跨跨中，最大拉力12 778 kN，應力735 MPa，位于邊跨靠近塔頂處，主纜最小安全系數不小于2.4[2]。

3.2.2 橫向拉索

橫向拉索最大拉力為370 kN，應力為682MPa，位于中跨靠近主塔處，安全系數不小于2.4，最小拉力為88 kN，應力為233 MPa，出現在中跨跨中處，安全系數不小于7.1。

3.2.3 豎向臨時拉索

豎向臨時拉索最大張拉力為324 kN，應力為402 MPa，位于中跨靠近主塔處，安全系數不小于2.5，最小張拉力為140 kN，應力為174 MPa，位于中跨跨中處，安全系數不小于5.9。

主纜、橫向拉索與豎向臨時拉索應力示意圖如圖9所示。

3.2.4 主塔

主塔最大受力截面位于距離塔底6 m處，此處為鋼混結合與鋼結構分界段，承載能力最大應力為107.14 MPa，塔底承載能力最大應力為89.2 MPa，塔頂在成橋后最大偏移為40 mm。

3.2.5 加勁梁

主梁加勁梁軸向壓力變化不大，彎矩從跨中中心到中支點處變化較大。上緣最大拉應力為102.7MPa，位于主梁支點處，最大壓應力為37.7MPa，位于中跨跨中處。下緣最大壓應力為133 MPa，位于主梁支點處，最小壓應力為36 MPa，位于中跨跨中處。相關示意圖如圖10～圖12所示。

圖10 主梁軸力示意圖

圖11 主梁彎矩示意圖

圖12 主梁應力示意圖

3.2.6 剛性吊桿

剛性吊桿為最終替代豎向臨時拉索的受力結構，其最大受力部位位于靠近主塔的第二個X桿件端部，最大拉應力為198 MPa，跨中附近X吊桿拉應力均很小，最大拉應力為42 MPa（見圖13）。

3.2.7 撓度

加勁梁中跨跨中最大正負撓度分別為18 mm和 70 mm，最大正負撓度之和為 δ=88 mm，δ/L=1/1 363，剛度滿足規范要求[3]，主塔塔頂順橋向最大計算偏位為40 mm，指向跨中方向。

圖13 X吊桿應力示意圖

4 使用情況

剪影橋自2018年1月30日開放運營以后，使用情況基本正常，且竣工前委托中設設計集團股份有限公司進行了荷載試驗，并出具了荷載試驗報告，報告結論復合相關要求，總體安全可靠，滿足正常使用條件（見圖14）。

圖14 現狀照片圖

5 結語

剪影橋作為獨特的空間懸索與桁架結合的組合橋梁，成為揚州三灣的標志性建筑，代表了揚州的獨特文化。大膽和獨特的設計理念在國內屈指可數，也為此類組合橋型的可行性奠定了基礎，提供了可借鑒的參考依據，證明了這種結構體系的可靠性，為今后更多的組合橋梁做出了貢獻。