淺析拱形橋塔斜拉橋設計

黃晟

摘 要 與傳統斜拉橋橋塔不同，本斜拉橋采用拱形橋塔。本文以該橋為例，介紹半橢圓拱形塔斜拉橋的設計。針對結構的特點建立空間有限元模型，結構計算分析表明：該橋各主要構件受力、剛度及整體穩定性均滿足規范要求。該橋的成功建設可為同類橋梁設計和施工提供范例。

關鍵詞 斜拉橋;拱形橋塔;π型截面;橋梁設計

1工程概況

本項目位于安徽省臨泉縣城南新區，是臨泉縣城未來發展的主要方向，以高品質居住、公共服務為主的城市新區。

橋梁位于縣城南北向中軸線主干道上，是南向入城的門戶。橋梁跨越公園景觀水系，景觀要求較高。

橋梁采用獨塔斜拉橋，跨徑組合：2×84m，橋塔采用拱形結構，截面為多邊形，從根部到塔頂截面逐漸變化，塔與梁固接。拱形門整個結構線性流暢，結構美觀，有拱門迎賓的感覺，橋梁建成后，與公園景觀相融合，必將成為臨泉地標性建筑[1]。

2主要技術標準

（1）道路等級：城市主干道;

（2）設計行車速度：60km/h;

（3）設計荷載：城—A級，人群荷載為4.0kN/m;

（4）橋梁橫斷面布置：3.0m人行道+4.5m非機動車道+4.0m拉索區+23.0m機動車道+4.0m拉索區+4.5m非機動車道+3.0m人行道，全寬46m;

（5）設計洪水頻率：防洪排澇水位33.7m;

（6）橋梁結構設計基準期：100年;

（7）設計安全等級：I級;

（8）地震設防標準：地震動峰值加速度為0.05g，對應地震基本烈度為6度。橋梁設計按照7度設防;

（9）通航條件：不通航。橋下可滿足公園小型游船通行[2]。

3橋梁結構設計

3.1 橋梁總體設計

橋梁全長175m，主橋采用2×84m預應力混凝土斜拉橋，塔梁固接，橋塔采用橢圓形拱形塔，主梁采用π型截面，橋面全寬46m，橋梁與河道正交。橋下凈空滿足公園小型游船和人行綠道通過要求。

3.2 橋梁結構設計

（1）主梁。橋梁上部結構主梁采用π型截面，雙邊梁中心處高度2.568m，標準段寬度3.0m，主梁分別在端支點和中支點加寬處理，主梁寬度從3.0m變化到5.5m。

全橋橫梁分為三種，主墩處中橫梁、橋臺處端橫梁及拉索區中橫梁，橫梁頂面1.5%橫坡。主墩處中橫梁橫橋向長度46m，高度4.0m，寬度4.0m，底面水平;橋臺處端橫梁橫橋向長度46m，高度2.77m，寬度1.8m;拉索區中橫梁橫橋向為倒梯形，頂面寬度46.0m，底面寬度38.0m，順橋向厚度0.55m。橋面板厚度28cm厚，為單向板。

主梁按照全預應力構件設計，橫梁按照預應力A類構件設計。

（2）主塔。主塔采用拱形獨塔，布置在兩側分隔帶上，塔高54.5m，塔身設置鞍座以便拉索順利通過，主塔順橋向從根部5.5m變化至塔頂的3.5m，橫橋向寬3.5m，塔間距離27.0m，塔上斜拉索理論豎向間距2.0m，橫向雙排布置。

（3）斜拉索及鞍座。本橋拉索布置為空間雙索面，兩側雙排布置共計52對拉索，主橋梁上基本索距5.8m，塔上索距為2.0m。拉索傾角為26.4度～55.6度。

鞍座采用矩形分絲管形式。

（4）下部構造。橋墩采用矩形實體墩，縱橋向橋墩尺寸5.5m，橫橋向單支墩厚4.5m，雙墩間距27.0m，墩高6.5m;墩下為承臺接群樁基礎，承臺厚度5.0m，頂部1m厚度為棱臺，頂面尺寸為6.5m×6.5m，下面4m為等截面，平面尺寸為18.6×18.6m;承臺下為16根直徑2.0m鉆孔灌注樁基礎，樁基按摩擦樁設計。

橋臺采用常規的U型，蓋梁為矩形斷面。橋臺承臺厚2.0m.橋臺承臺下接14根直徑為1.5m鉆孔灌注樁基礎，樁基按摩擦樁設計。

（5）支座和伸縮縫。支承采用球型鋼支座，支座型號為QZ 150000GD/DX、QZ 12500DX/SX。

伸縮縫采用單元式多向變位梳齒板伸縮縫，伸縮縫型號為KF160。

（6）橋面鋪裝。橋面鋪裝為4cm厚細粒式改性瀝青+6cm厚中粒式瀝青混凝土+8cm厚C40防水砼。

（7）接地防雷系統。塔頂安裝一套主動式早期預放電避雷系統。

（8）抗震措施。橋臺和主墩梁底處設側向抗震擋塊。在伸縮縫處，梁與臺、梁與梁之間設置緩沖橡膠塊。

4結構分析計算

4.1 模型建立

采用Midas來驗算分析主橋縱向受力情況。

采用橋梁博士來驗算分析主塔橫梁、拉索區中橫梁、橋臺處端橫梁。其中拉索區橫梁區分最大和最小索力計算。

4.2 主要計算結論

計算按有關規范對各種作用進行不同組合，對結構的持久狀況承載能力極限狀態、持久狀況正常使用極限狀態、短暫狀況構件的強度和剛度分別進行了計算，結果表明，橋梁各項指標均滿足《規范》要求。主要指標如下：

（1）主梁承載能力極限狀態驗算。正截面承載能力極限狀態下滿足強度要求，主梁（半跨）彎矩及抗力包絡圖如下：

（2）主塔驗算。基本組合作用下主塔彎矩包絡圖如下：

主塔最不利截面計算配筋率0.2%，設計配筋率0.33%。最大裂縫0.145mm。

5結束語

本橋拱形橋塔在結構上仿生于“蛋殼受力”的力學原理，提煉于生活中簡單事物，賦予橋梁設計之中。針對結構的特點進行計算分析，該橋各主要構件均滿足規范要求。該橋的成功建設可為同類橋梁設計提供范例。

參考文獻

[1] 周先念.橋梁方案比選[M].上海：同濟大學出版社，1997：51.

[2] 劉志林，王似舜.斜拉橋設計[M].北京：人民交通出版社，2006：101.