戒指造型多塔部分斜拉橋技術研究

華 波 張忠良

(中國市政工程西北設計研究院有限公司 武漢 430056)

九江市八里湖大橋位于八里湖新區，是城市向西的門戶橋梁，也是九江市主干道——長虹西大道上橫跨八里湖的1座特大型城市橋梁。

橋位處湖面寬約1 300 m，橋面距離湖面高度12 m。從橋梁景觀效果考慮，主橋長度確定為430 m，橋型方案采用三塔(戒指形塔)部分斜拉橋。

橋梁全長1 620.9 m，孔跨布置為15×32.7 m(東岸引橋)+(80.55 m+2×132 m+80.55 m)(主橋)+19×32.7 m+3×28 m(西岸引橋)。主橋橋面總寬35.6 m，雙向6車道。主橋橋型布置見圖1。

圖1 主橋橋型布置圖(單位：m)

本橋橋型為三塔部分斜拉橋，橋面以上塔高26 m，橋面以下塔高13.9 m，斜拉索豎向傾角17.10°～29.80°。部分斜拉橋也稱矮塔斜拉橋，其受力特點介于常規斜拉橋和連續梁橋之間，由于主塔較矮，斜拉索較短，方便施工，在100～300 m跨徑范圍內具有經濟優勢。為盡可能提高斜拉索的傾角，發揮拉索效率，通常采用塔內設置整體式集中索鞍，將索塔視為斜拉索的轉向點。多塔斜拉橋的受力特點較常規斜拉橋復雜，和常規斜拉橋相比,多塔斜拉橋具有塔多聯長的布置形式, 其主要構件索、塔、梁受活載效應和溫度效應的影響均會有所增大，如何采用經濟的加勁方式提高結構剛度并以合理的構造措施規避溫度效應成為多塔斜拉橋結構設計的關鍵[1-2]。

本橋兼具多塔斜拉橋和部分斜拉橋的特點于一體，設計難點在于選擇合理的支撐體系滿足結構剛度、降低溫度效應和活載效應的需要，同時因主塔造型奇特，需仔細研究主塔的受力情況，確保工程安全。

1 主橋結構體系

從支承體系上看，常規斜拉橋常用的結構體系為漂浮體系、支承體系、塔梁固結體系和剛構體系，而本橋介于常規的斜拉橋與梁式橋之間，是斜拉橋和梁式橋的組合結構體系，一般多采用剛構體系和塔梁固結、塔墩分離體系[3]，見圖2。

圖2 常用支撐體系

本橋采用三塔結構形式，溫度跨徑較長(邊塔處溫度跨徑為264 m)，且橋面以下塔墩較矮，僅約14 m。經計算分析，在溫度和混凝土收縮徐變作用下，如果采用剛構體系，則邊塔塔柱受力極大，難以滿足設計要求；如果采用塔梁固結、塔墩分離體系，由于橋面較寬，豎向荷載較大，可達1.2×106kN，現行的支座產品難以滿足塔墩處的承重要求。通過對本橋結構受力進行計算、分析比較后，選用了常規斜拉橋中經常采用的剛構-支承體系，見圖3。

圖3 剛構-支承體系示意圖

剛構-支承體系中塔處塔梁墩固結，以增加結構體系的縱向剛度、減少結構位移，邊塔處墩梁之間設支座連接，以減少邊塔的溫度、收縮內力，同時邊塔的支座承重大幅度降低，僅需要豎向承載力2.25×106kN的普通支座即可滿足使用要求。

2 戒指型主塔

主橋因景觀需要采用與常規斜拉橋主塔外形不同的戒指型主塔空間結構見圖4。

圖4 主塔結構示意圖(單位：cm)

空間結構對設計和施工均提出了較高要求。采用空間造型的塔柱，每個截面的尺寸和空間位置均不相同，增加了結構外形控制和塔頂斜拉索定位的難度，設計中比較了混凝土和鋼2種主塔材料，考慮到本橋索塔造型復雜，鋼結構加工、拼裝將十分繁瑣，且鋼結構與混凝土結構連接處的構造和受力也較復雜，后期維修費用較高，最終選用混凝土主塔材料形式。

主塔外形呈“戒指”造型，橋面以上塔高26 m，采用長軸25 m、短軸18.2 m的半橢圓曲線；橋面以下高度13.9 m，采用半徑37.13 m圓曲形。塔柱順橋向獨立布置2片，在塔頂、索區、支座處連接成整體。塔柱順橋向凈距塔底為1.0 m，塔頂為1.4 m。塔柱截面尺寸塔頂為2.0×1.4 m，塔底為5.5×1.8 m。單個主塔布設12根直徑2.2 m鉆孔灌注樁。

由于上塔柱的橢圓造型，橋面處塔的橫向達到最寬，該處與塔底橫向彎矩均較大，中塔因塔梁固結，通過上下塔柱相交處設置的預應力混凝土中橫梁可抵消大部分彎矩；而邊塔由于僅設豎向支座，未設中橫梁，經有限元結構分析，邊塔下塔柱受力非常大，最大軸力Nd=101 175 kN，對應彎矩Md=248 408 kN·m。

塔柱有限元模型及計算內力見圖5。

圖5 邊塔彎矩分布圖(單位：kN·m)

下塔柱巨大的橫向彎矩皆因為了兼顧橋梁整體景觀而未設置橫向系梁導致，設計時曾考慮采用體外拉桿，但因運營后的養護維修和更換較困難而放棄。為了抵抗巨大的塔柱橫向彎矩，采用在下塔柱布置豎向體內預應力鋼束方案。經計算，下塔柱單側體內需布置5束15-Φs15.2鋼絞線，具體構造措施見圖6。

圖6 下塔柱預應力構造(單位：cm)

3 主梁

根據部分斜拉橋的受力特點，由于主塔較矮，斜拉索傾角小，通過斜拉索張力能為主梁提供強大的軸向壓力和一定的豎向彈性支撐，因而可以有限地降低主梁高度。上部結構的恒、活載主要通過主梁的豎向抗彎剛度承擔，斜拉索僅起輔助作用，結構的整體受力性能更接近于梁式橋[4-5]，因此，目前國內外的混凝土矮塔斜拉橋均采用變高度預應力混凝土箱梁，且選擇箱室布置在中央的整箱截面，以增加主梁的豎向抗彎剛度。如：漳州戰備橋、蘭州小西湖橋、江珠高速荷麻溪大橋、日本木曾川橋等。

本橋由于橋面距離水面高度較低，即使采用變高度主梁，視覺仍然會對整體景觀造成壓迫感。為滿足景觀效果要求，經過與變高度混凝土主梁的綜合比較，選用等高度混凝土主梁；另外，因橋面較寬，結合主塔造型，斜拉索布置在橋梁兩側，主梁采用邊箱截面形式，見圖7。

圖7 主梁斷面圖(單位：cm)

邊箱式主梁梁高2.7 m，橫隔梁間距4.5 m，橋面板厚28 cm。主塔根部無索區長18.75 m，邊跨無索區長21.2 m，中跨無索區長13.5 m。

邊箱式主梁能夠提供足夠的豎向剛度，同時能夠有效地減輕結構自重，但相對于普通整體式箱形主梁，由于邊箱梁強大的抗扭轉能力使得結構橫向受力更為復雜。為研究主梁的橫向受力，取5個橫隔梁間距梁段為分析對象，采用空間有限元程序midas Civil，建立空間實體有限元模型，計算模型見圖8。

圖8 主梁有限元模型

通過對橋面最不利活載布置工況的模擬加載，箱梁橫向受力分析結果見圖9。

圖9 主梁橫向應力分布

由計算結果可知，主梁在張拉完橫向預應力后，邊箱左右側頂板橫橋向出現0.4 MPa的正截面拉應力，跨中頂板均為壓應力；橫隔板邊箱附近橋面板最大主拉應力為0.2 MPa，邊箱抗扭承載能力滿足要求。

4 結論

1) 對多塔部分斜拉橋橋型，選擇合理的支撐體系，能夠充分發揮主梁的豎向抗彎能力、減小縱向溫度效應，有效降低主梁高度，兼顧了技術經濟和橋型美觀要求。

2) 通過對戒指造型主塔的結構受力分析發現，塔柱在橋面弧線曲率變化處和下塔根部受力復雜，可通過采用工程措施(如增設中橫梁或施加預應力等)使結構受力滿足需要，必要時應進行精細化的空間實體分析，同時給施工帶來了一定的難度。

3) 加勁主梁在滿足結構豎向承載的情況下可選擇等截面箱梁，能夠減輕結構重量。