雙斜塔無背索斜拉橋橋塔設計

武余波

(安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司;公路交通節(jié)能環(huán)保技術交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

六安市壽春西路橋西岸起于六安市景觀大道，與景觀大道十字平交，向東跨越淠河，與淠河北路十字平交。根據建設部門規(guī)劃，壽春西路橋定位為城市大型景觀橋梁，景觀設計需做到“一橋一景、亦橋亦景”，建成后橋梁需成為城市地標性建筑，提升城市形象的名片，成為一道靚麗的城市風景。

按照橋梁定位及設計目標要求選取了“V”形塔無背索斜拉橋，該方案構思巧妙、造型新穎，不同角度均有較強的空間景觀效果，側視兩塔肢如張開雙臂，歡迎八方來客，平視拉索交叉設計，體現了淠河兩岸協同發(fā)展、共同繁榮，正視為“V”字造型，如圖1所示，象征“VICTORY”，勝利之門。

圖1 “V”形塔無背索斜拉橋總體效果

道路等級為城市主干道，主橋采用(108+70)m“V”型雙斜塔雙索面斜拉橋；主梁采用鋼-混梁，梁高3.0 m，寬度47.0 m；塔柱采用矩形塔，主塔上塔柱高70 m，副塔上塔柱高50 m，下塔柱高約18.5 m，塔柱順向傾角58°，主塔橫向傾角10.7°，副塔橫向傾角13°。主跨及邊跨側均設置8對斜拉索，斜拉索采用豎琴型布置，梁上索距9.0 m，塔上索距3.0 m。主墩基礎為承臺接群樁，樁基為20根直徑2.0 m鉆孔端承樁。塔、梁均采用支架施工，主橋結構總體布置如圖2所示。

圖2 主橋總體布置(單位：cm)

1 橋塔設計

1.1 材料選取

首先確定主塔材料，常規(guī)斜拉橋主塔可采用混凝土塔、鋼塔，對于斜塔無背索斜拉橋，塔柱重量主要由單側索力平衡，若塔柱采用鋼塔，重量較輕，平衡塔柱重量索力極小，極小索力的拉索對主梁豎向支承作用幾乎可忽略不計，不利于主梁受力，所以大部分無背索斜塔斜拉橋索塔均采用重量較大的混凝土塔以利用平衡主梁，提高斜拉索效率，本橋最終仍選擇采用混凝土塔方案以提高拉索效率。

1.2 施工可行性

對于本橋雙向傾斜索塔，塔高主要受施工因素影響，當塔高較高時，斜拉索傾角較大，效率較高，但雙向傾斜的高索塔穩(wěn)定問題較大[1]，施工措施費大量增加[2]，且塔柱剛度較小，施工定位及變形控制難度都成倍增加，考慮施工影響，塔柱高度不宜太高，經吸取國內類似斜塔無背索斜拉橋設計經驗，綜合考慮斜拉索傾角及塔柱施工因素，最終選取主塔上塔柱高度70 m，副塔上塔柱高度50 m。

1.3 橋塔設計

順向塔柱傾角主要受斜拉索效率影響，相同塔柱截面尺寸，塔柱傾角越大，平衡塔柱重量斜拉索索力越大，效率越高，但過大的塔柱傾角不利于施工及結構整體景觀比例，經綜合比選，本橋塔柱順向傾角最終選取58°。塔高確定后，塔柱橫向傾角即可確定，本橋主梁較寬，按線路功能要求，機非分隔帶寬度需達到4.0 m，改有利條件為塔柱空間提供了“免費”的錨索區(qū)范圍，塔柱及斜拉索置于機非分隔帶位置既不影響行車安全亦無須增加費用。橫向傾斜對索塔受力極為不利，使塔柱產生較大的橫向彎矩，該橫向彎矩必須在結構受力允許范圍，經綜合考慮，主塔橫向傾角最終確定為10.7°，副塔傾角最終確定為13°，因考慮主、副塔拉索需穿越對方索塔交叉布置，為避免沖突，副塔稍矮，橫向傾斜角度稍大。

索塔尺寸一方面需重點考慮結構受力需要，順向受力方面，增大索塔尺寸利于提高拉索索力，增大拉索效率，但增大索塔尺寸后橫向易產生較大的彎矩，不利于橫向受力，塔柱尺寸需綜合考慮縱、橫兩方向受力；同時，塔柱尺寸受結構整體布局影響，尺寸較大時結構顯得笨重，嚴重影響結構協調，美觀。經技術、美觀兩方面綜合考慮，塔柱最終尺寸為橫橋向主、副塔寬度分別為2.0 m、2.8 m，順橋向主副塔均采用變截面，由塔頂2.5 m寬度變化至塔根5.0 m寬度。

2 拉索設計

斜拉橋拉索分布主要有豎琴形和扇形兩種形式，大跨斜拉橋一般采用扇形布置，小跨斜拉橋一般采用豎琴形布置，豎琴形斜拉索用量稍大，但景觀效果較好。

兩種布置方式受力情況如圖3、圖4所示。

圖3 豎琴形布置受力圖示

圖4 扇形布置受力圖示

參考國內外類似橋梁設計[3-6]，當拉索豎琴型布置于整個塔身時，每一節(jié)段塔身重量均可由拉索平衡，塔身受力較為合理，產生較小的彎矩，順向主要以受壓為主。當拉索扇形布置時，大部分拉索錨固于塔頂部位，塔柱下側無索區(qū)無相應斜拉索平衡，塔身不但受軸向壓力，而且存在較大彎矩，且本橋塔橫向亦為傾斜，橫橋向為豎向梁式受力，產生較大的橫向彎矩，塔身受軸壓、縱、橫向彎矩作用，受力較為復雜，構造亦難處理。有鑒于此，考慮塔身受力，國內外較多斜拉橋均采用豎琴型布置，本橋經比選論證后亦采用豎琴型布置，主塔設置8對斜拉索，副塔亦設置8對斜拉索，梁上索距9.0 m，塔上索距3.0 m，斜拉索傾角21.5°，副塔下端3對斜拉索主要錨固于塔根位置，對梁體受力影響較小，但有對副塔受力及變形調整極為有利，便于改善副塔受力。

3 結束語

壽春西路橋為六安市標志性建筑，大型景觀斜拉橋，方案構思巧妙，造型獨特，空間立體感較強；本文從材料選擇、施工可行性、結構受力合理性等角度進行了了主橋塔柱設計、拉索設計細部方案論述，經技術、經濟、施工、美觀等各方面詳細比較后提出了橋塔方案，確定了橋塔造型，該造型傳力明確、構造合理，景觀較佳。該橋分析設計思路可為后續(xù)同類型橋梁設計提供參考。