東吾洋特大橋矮塔斜拉橋設計

■俞 冠

（福建省交通規劃設計院有限公司，福州 350004）

1 工程概況

東吾洋特大橋位于寧德市霞浦縣溪南鎮東吾洋海域，起于東沖半島，跨越東吾洋海域后于東安島登陸。 通航孔橋采用跨徑（100+2×180+100）m 的矮塔斜拉橋， 深水區非通航孔橋采用90 m 鋼混組合梁， 淺灘區非通航孔橋采用50 m 預應力混凝土箱梁，通航孔橋全長560 m，橋梁全長2550 m，矮塔斜拉橋橋型布置如圖1 所示[1]。

圖1 橋型布置示意圖

東吾洋特大橋是國高網寧德至上饒高速公路的控制性工程。 本項目建設對完善福建省境內國家高速公路網，建設寧德環三都澳港區集疏運體系，加快濱海旅游資源開發，改善行車條件、落實國家精準扶貧戰略， 促進原閩東蘇區社會經濟發展，提高國防交通綜合保障能力等具有重要意義[1]。

2 結構設計

2.1 主梁

主橋為整體式斷面，橋面寬28.1 m。 橋面寬度構成為：0.5 m 防撞欄桿+11.75 m 車行道+0.5 m 防撞欄桿+2.6 m 中央分隔帶+0.5 m 防撞欄桿+11.75 m 車行道+0.5 m 防撞欄桿=28.1 m，橋塔和斜拉索設置在中央分隔帶內。標準橫斷面如圖2 所示。

圖2 主梁斷面

主梁為單箱三室預應力混凝土連續箱梁。 梁高由3.0 m 按二次拋物線漸變至5.8 m。 箱梁劃分為0～27 號梁段，其中0 號梁段長12 m，1～2 號梁段長3.0 m，3～24 號梁段長3.5 m，25 號合龍段長2.0 m，26～27 號邊跨現澆梁段長8.76 m。 變高曲線段單側長84 m，等高直線段單側長10.76 m，跨中等高直線段長2.0 m。箱梁頂寬28.1 m，懸臂單側長4.9 m，跨中箱梁底寬17.327 m，根部箱梁底寬15.928 m。 箱梁頂板厚28 cm，其中中室頂板加厚為60 cm，底板厚度在箱梁根部為110 cm，漸變至跨中、邊跨等高度梁段處為32 cm。對于外側斜腹板，在0～6 號梁段處厚度為100 cm， 在7 號梁段處腹板厚度由100 cm 漸變至80 cm， 在8～14 號梁段處厚度為80 cm， 在15 號梁段處腹板厚度由80 cm 漸變至60 cm，在16～26 號梁段處厚度為60 cm，在27 號梁段處腹板厚度由60 cm 漸變至80 cm。 對于內側直腹板，在1～14 號梁段處厚度為60 cm，在15 號梁段處腹板厚度由60 cm 漸變至40 cm， 在16～26 號梁段處厚度為40 cm， 在27 號梁段處腹板厚度由40 cm 漸變至60 cm。 0 號梁段處中室為實心段。

懸臂施工最大節段重量約405 t， 斜拉索在主梁上間距7 m，錨固在箱梁中室內，相應位置設置1道橫隔板，邊、中室橫隔板厚分別為40 cm、65 cm。

2.2 主塔

塔設計為“魚”造型，體現了寧德“大黃魚之鄉”的城市文化。 塔為3 座，每座橋塔造型尺寸相同，每座橋塔表面包含凹凸的造型設計，襯托出魚的主要輪廓，體現魚躍出水面的動感姿態，整體呈流線型，展現出了現代橋梁的結構美。

主塔構造如圖3 所示， 為鋼筋混凝土結構，橋塔主體高33.5 m，與主梁固結，采用矩形實心變截面，布置在中央分隔帶上。 相較于等截面橋塔，采用“魚”造型的變截面，橋塔承載能力得到了提高。 塔身上部設置可換索式鞍座，以便拉索通過。 斜拉索橫橋向呈2 排布置，鞍座亦對應設置2 排。

圖3 橋塔構造

2.3 斜拉索

斜拉索采用單索面、扇形、雙排布置在中央分隔帶上，每個塔上設有9 對18 根斜拉索，全橋共54根。 邊跨無索區長18.5 m， 塔根單側無索區長25.5 m，中跨無索區長17.0 m。 斜拉索梁上縱向索距7.0 m， 塔上橫向索距1.0 m， 塔上豎向索距1.2 m。 斜拉索在塔頂連續通過分絲管，兩側對稱錨于梁體。 斜拉索采用61φs15.2 mm 鋼絞線斜拉索體系及其配套錨固張拉系統。

斜拉索在塔上的錨固方式采用鋼絞線斜拉索在塔上通過集束鋼管貫通（索鞍）錨固方式[2]。 主要構造是采用焊接集束分絲鋼管（整體埋置在塔柱混凝土中）， 將每束鋼絞線與分絲鋼管一一對應穿過索塔。 鋼絞線在分絲管索鞍端部設置抗滑裝置，以阻止鋼絞線在不平衡索力作用下的滑移趨勢。

2.4 分絲管索鞍

采用分絲技術索鞍，索鞍中的導向鋼管由小鋼管組焊而成，即拉索中每一根鋼絞線穿過相應的導向鋼管，形成分離布置，互不干涉。 所有鋼管均按設計在工廠制作成型。 索鞍應能承受拉索的徑向壓力及橋塔兩側索體的不平衡力，并能安全地將拉索的轉向合力傳遞給索塔結構。

斜拉索在塔上采用單側雙向抗滑錨固裝置，能有效克服橋梁運營期間拉索兩側的不平衡力，且可方便實現單根換索。

3 結構分析

3.1 結構分析模型

全橋采用空間桿系計算分析程序Midas 進行結構分析，全橋主梁、橋塔、橋墩離散為梁單元，斜拉索采用桁架單元模擬。 結構離散圖如圖4 所示。橋梁施工方式采用掛籃懸臂現澆，按掛籃懸臂澆注混凝土、張拉預應力鋼束、張拉斜拉索、掛籃前移、邊跨現澆段支架現澆、對稱合龍邊跨、合龍中跨、二期恒載、通車運營等施工流程劃分計算階段，對結構在施工階段及運營階段均進行了驗算。

圖4 結構離散圖

3.2 結構剛度

本橋上部箱梁采用C60 砼，撓度長期增長系數ηθ=1.4。 跨中主梁豎向撓度為：ηθfmax=71.8 mm＜L/600=300.0 mm，滿足設計規定的剛度要求。 邊跨主梁豎向撓度為：ηθfmax=28.1 mm ＜L/600=166.7 mm，滿足設計規定的剛度要求。 主梁活載最大下撓度示意如圖5 所示。

圖5 主梁活載最大下撓度示意

3.3 主梁應力

3.3.1 持久狀況正常使用極限狀態箱梁正截面抗裂驗算

由圖6、圖7 結果可知，在頻遇組合下混凝土箱梁上下緣（考慮預應力折減后）均未出現拉應力，箱梁滿足規范正截面抗裂要求。

圖6 頻遇組合下主梁上緣應力

圖7 頻遇組合下主梁下緣應力

3.3.2 持久狀況正常使用極限狀態箱梁斜截面抗裂驗算

由圖8 結果可知，在不考慮豎向預應力筋的情況下， 混凝土箱梁斜截面的最大主拉應力為1.00 MPa，滿足規范σtp≤0.4ftk=1.14 MPa 的應力限值的要求。

圖8 頻遇組合下主梁主拉應力

3.3.3 持久狀況正常使用極限狀態箱梁正截面最大壓應力驗算

由圖9、圖10 可知，混凝土箱梁正截面受壓區混凝土的最大壓應力為18.34 MPa， 滿足規范σkc+σpt≤0.5fck=19.25 MPa的應力限值的要求。

圖9 標準組合下主梁上緣正應力

圖10 標準組合下主梁下緣正應力

3.3.4 持久狀況正常使用極限狀態箱梁斜截面主壓應力驗算

由圖11 結果可知，混凝土箱梁斜截面最大主壓應力為18.64 MPa，滿足規范σcp≤0.6fck=23.1 MPa 的應力限值的要求。

圖11 標準組合下主梁主壓應力

由持久狀況正常使用極限狀態箱梁正截面抗裂、 最大壓應力及斜截面主壓應力驗算結果中可知，與南盤江及大連長山矮塔斜拉橋計算分析結果相似，位于索塔附近的主梁應力相對較大，可能成為設計的控制因素，應予以重視[2]。

3.3.5 施工階段短暫狀況應力驗算

由圖12～15 可知，混凝土箱梁的施工階段短暫狀況出現最大拉應力為0.86 MPa， 最大壓應力為16.28 MPa， 均滿足規范σtct≤1.15ftk′=3.28 MPa、σtcc≤0.7fck′=26.95 MPa 的應力限值的要求。

圖12 施工階段主梁上緣最大拉應力

圖13 施工階段主梁下緣最大拉應力

圖14 施工階段主梁上緣最大壓應力

圖15 施工階段主梁下緣最大壓應力

通過對施工階段應力分析可知，結果滿足規范要求。 本文矮塔斜拉橋采用掛籃懸臂現澆的施工方式，節段分為2 種長度，即分為3.5 m 或3 m，主梁梁段序號從0～27 號。 本橋梁段多、工序繁雜，需要重視施工階段的應力分析，通過控制好施工應力來達到良好的成橋狀態。

3.4 橋塔計算分析

本橋索塔各個截面上、 下緣在施工階段均受壓， 索塔下部截面在運營階段由于不平衡力作用下，出現了一定的拉應力[3]。 對索塔按鋼筋混凝土構件進行配筋， 分別對3 個索塔的底部截面、變化截面及各個拉索位置截面進行了驗算。 經驗算，配筋率、截面承載能力、裂縫等計算結果均滿足規范要求，安全系數均大于1.9。 受篇幅所限，僅列出1 號塔距塔底2.5 m 變截面處的驗算結果：γ0Nd=109648.7 kN，Nud=216986.5 kN，滿足規范要求， 安全系數1.98；γ0Nd·e′=130058.0 kN·m，Mud′=1205850.0 kN·m，滿足規范要求，安全系數9.27；e0/h=0.207≤0.55，可不進行裂縫寬度驗算。

3.5 斜拉索應力分析

根據規范要求提取模型結果信息，基本組合下斜拉索最大應力為1064.8 MPa，小于規范規定的允許值1890 MPa，安全系數均大于1.7，滿足規范要求。 活載作用下斜拉索疲勞應力幅值最大為10.21 MPa，小于80 MPa，滿足規范要求。

相較于一般斜拉橋 （疲勞應力幅范圍為43～108 MPa），矮塔斜拉橋的疲勞應力幅較小，一般小于50 MPa[4]。根據規范可知，矮塔斜拉橋拉索的容許應力大于一般斜拉橋， 拉索的利用率得到了提高。 拉索的疲勞應力幅與容許應力值是矮塔斜拉橋與一般斜拉橋的重要區別點[5]。 這也是在相同跨徑下， 與一般斜拉橋相比矮塔斜拉橋橋型的優勢之一。

4 結語

矮塔斜拉橋具有連續梁橋及斜拉橋的特點[6]，本文通過東吾洋特大橋通航孔橋的設計與計算分析， 充分體現了矮塔斜拉橋的結構性能及受力特征，主要表現在以下幾個方面，可為今后類似的橋梁結構設計提供一些參考：

（1）相較于連續梁，矮塔斜拉橋主梁高度一般為其0.5 倍左右，更加輕盈、美觀，橋塔造型的設計、拉索布置形式的多樣化使得矮塔斜拉橋更富有美學景觀。 本文橋塔設計為“魚”式造型，不僅展現出了現代橋梁的結構美，更蘊含了寧德“大黃魚之鄉”的城市文化氣息。

（2）相較于一般斜拉橋，矮塔斜拉橋拉索的疲勞應力幅較小，多在50 MPa 以下，東吾洋特大橋矮塔斜拉橋拉索的疲勞應力幅也較小，最大僅為

10.21 MPa。

（3）橋塔位置附近主梁的壓應力相對較大，可能會成為影響計算結果是否符合要求的重要方面，應予以重視，采用調整鋼束、斜拉索等合理措施改善結構受力。

（4）由于橋墩較高，本橋采用塔、梁、墩固結的結構體系，相較于連續體系，節省了大噸位支座，節約了造價，便于后期實施管理、養護工作。