高塔型矮塔斜拉橋總體設計研究

曹林

（浙江交工集團股份有限公司，浙江 杭州 310052）

1 工程概況

1.1 項目介紹

該項目路線全長824.34m，橋梁長度490.5m，是某市集團獨立投資建設的市政工程項目，于2020 年10月開工建設。項目道路等級為城市主干道，主橋主跨下設置通航孔，單孔雙向通航，通航凈空90m×8m，設計最高通航水位10.5m，按1500t 船舶設防；橋梁荷載等級為城-A 級，設計使用年限為100 年，橋梁環境類別為I 類環境。

1.2 主要建設條件

項目區域環境屬熱帶季風氣候、雨量充沛、氣溫高、終年如夏。每年分為雨季和旱季，其中7—10 月為雨季，11 月—次年6 月為旱季，年平均氣溫達29℃～30℃；每年的12 月、1 月氣溫最低，月平均氣溫為24℃；每年4 月氣溫最高，月平均氣溫為35℃。年均降雨量為1000～1500mm，其中90%的降水集中在雨季。

根據調查資料及線路主要控制工點的地質鉆孔資料，結合區域資料可知，沿線地層有第四系沉積層、泥盆系砂巖、泥巖等。第四系覆蓋層厚度變化大，10～75m 不等，主要為湖積、沖積、沖洪積成因。上部以沖積粉質黏土、湖積淤泥質土為主，中下部主要是沖湖積硬塑～堅硬狀粉質黏土，以及沖洪積砂礫層。

泥盆系地層：巖性為砂巖、泥巖，青灰色、紫紅色，中厚層～中薄層狀，鈣泥質膠結，以泥質膠結為主，砂巖礦物成分以長石石英為主，砂巖一般較軟～較堅硬，完整性一般較差，以較破碎狀為主，部分段落受構造擠壓，巖芯破碎。

區域以緩慢的地殼抬升為主，經過漫長的地質作用，平原區沖積沉積物厚度大。區域內褶皺、斷裂不發育，未見新構造活動痕跡，屬于區域構造穩定區，歷史上無地震記錄，地震基本烈度可按Ⅵ度考慮，地震動峰值加速度為0.05g[1]。

2 橋梁方案與總體布置情況

該橋梁位置處于兩河交匯處，水下地形平坦，水深較淺。兩側島嶼屬于吹填人工島，橋梁需要跨越現有島嶼的防護堤壩，橋梁總體布置為（20+21）m 預應力混凝土箱梁+（108+180+108）m 混凝土矮塔斜拉橋+2×23m 預應力混凝土箱梁，橋梁全長490.5m。平面位于直線和緩和曲線上，其中主橋均位于直線段。縱斷面受通航和兩側建筑物及引道長度控制，兩側均為4.6%，主橋縱向為對稱布置（支座布置非對稱），橫橋向也為對稱結構，橫坡為2%。引橋起點側和終點側橋臺斜交布置，右偏角度分別為80°、104°，其余橋墩均為正交布置。主橋整幅布置，橋寬24.5m，引橋分幅布置，單幅橋寬11m。主橋橋型布置圖，如圖1所示。

圖1 主橋橋型布置圖（單位：cm）

3 主橋設計

3.1 總體設計

考慮到該橋位于城市開發區，且位于兩個人工島的中心地帶，綜合水文條件、通航要求、景觀造型、地質構造，考慮水中橋梁施工難度、橋梁兩端接線及對周邊建筑的影響等因素，主橋采用雙塔單索面混凝土矮塔斜拉橋。該橋主橋墩高度較小，為改善受力狀態，采用塔梁固結、墩梁分離的結構體系。

主橋主跨為180m，邊跨108m，邊中跨比例為0.6。為滿足高城市景觀需要，橋面以上塔高較高，其中索塔塔冠高11m。橋面以上索塔總高為60m，考慮塔冠僅為裝飾用，塔柱結構高度按照49m 計算，則主橋高跨比達到1/3.7，遠高于常規的矮塔斜拉橋塔高，常規的矮塔斜拉橋橋面以上高跨比一般為1/6～1/10，該橋屬于高塔型矮塔斜拉橋。

每個索面采用16 根斜拉索，橫向設雙排索，每個索塔共32 根索[2]。

3.2 主梁設計

主梁箱梁為預應力混凝土結構，混凝土強度等級為C60，采用單箱三室斷面，跨中梁高3.2m，支點梁高6m。通航孔上方梁段采用等截面設計，既利于通航也便于施工。支點6m 梁高采用二次拋物線漸變至3.2m 等高段。索塔區域漸變為單箱雙室斷面，中間箱室采用實心斷面與索塔固結。中腹板采用直腹板，邊腹板采用斜腹板，以改善景觀造型。橋面鋪裝采用10cm 瀝青混凝土+防水層。箱梁典型斷面圖，如圖2所示。

圖2 箱梁典型斷面圖（單位：cm）

主梁節段劃分：中跨劃分（5.8m+5×3.2m+16×4.2m+1m）×2=180m，0 號節段的長度為2×5.8m=11.6m，有索區標準段長度為4.2m，無索區標準段長度為3.2m，邊跨現澆段長度為17m。

3.3 索塔設計

索塔布置在中央分隔帶上，橋面以上總塔高為60m，塔頂為11m 高的塔冠，采用尖型拱頂造型的建筑風格，塔身也配備一定的建筑風格雕刻。索塔采用實心矩形截面，順橋向寬5m，橫橋向寬2.8m，倒圓角半徑25cm。斜拉索在橫橋向呈雙排布置。水平向兩排拉索中心間距1.2m，索塔理論錨固點在高度方向間距為1.5m。

3.4 斜拉索設計

斜拉索為單索面（水平兩排索，間距1.2m）、扇形布置，每個塔上設有32 根斜拉索，全橋共64 根。斜拉索在主梁上縱向間距為4.2m，塔上豎向間距為1.5m。斜拉索在塔上連續通過鞍座，拉索兩端對稱錨于主梁兩道中腹板頂部。

斜拉索按體外成品索設計，采用鋼絞線斜拉索，抗拉強度標準值fpk=1860MPa，根據索力不同，分別采用由27/31/37 根φs15.2 鋼絞線組成的鋼絞線，拉索最長為185.684m。

3.5 全橋總體計算

3.5.1 主要技術標準

橋結構安全等級：一級；重要性系數：1.1；橋梁設計荷載：城-A；預應力構件類型：橋梁縱向按全預應力構件計算，橫向按部分預應力A 類構件設計，鋼筋混凝土構件裂縫寬度按不大于0.15mm 進行控制；拉索安全系數：＞2.5；設計使用壽命：100 年；抗震設防烈度：6 度，地震動峰值加速度值0.05g；航道標準：90m×8m，單孔雙向通航，船撞設防噸位1500t。

3.5.2 模型建立及分析

主梁結構按照全預應力構件設計。總體靜力計算應用有限位移理論，采用MIDAS 空間桿系模型，對應施工過程及構造需要，主梁共離散劃分467 個單元。邊界條件如下：索塔與主梁固結，墩梁采用支座連接。主橋計算模型，如圖3 所示。

圖3 主橋計算模型

3.5.3 主要計算結果

計算表明：持久狀況承載力極限狀態下，主梁抗彎承載力滿足規范要求，最不利處安全系數為1.16。主梁斜截面抗剪承載力滿足規范要求，最不利處安全系數為1.35。在持久狀況正常使用極限狀態下，結構在最不利頻遇組合下，主梁截面上下緣未出現拉應力，上緣最小壓應力儲備為0.07MPa，下緣最小壓應力儲備為0.83MPa，正截面抗裂驗算滿足相關要求。主梁最大主拉應力為0.94MPa，小于1.14MPa，抗裂驗算滿足規范要求。

持久狀況彈性階段驗算標準值組合，主梁上緣最大壓應力為17.89MPa，主梁下緣最大壓應力為14.57MPa，均在0.5 倍混凝土抗壓強度標準值的允許范圍內。斜截面最大主應力為17.89MPa，在0.6 倍混凝土抗壓強度標準值的允許值范圍內。

斜拉索最大應力為732MPa，最大應力幅值為90.2MPa，最小安全系數2.54。

中跨最大撓度24.6cm，邊跨最大撓度12.3cm，滿足規范不大于L/600 的剛度要求[3]。

3.6 下部結構設計

主橋主墩位于水中，采用實心墩。橫橋向13m寬，順橋向5m 寬。墩頂橫向設置三個支座，支座間距4.7m。承臺為八邊形實心承臺，高度4.5m，橫橋向總寬度24.3m，順橋向總寬度17.7m。樁基設置18 根直徑2m 鉆孔灌注樁。

主橋邊墩（主引橋交接墩）采用實體花瓶墩，橫橋向墩底為13.8m 寬等寬段，上部通過圓弧段漸變至墩頂20.4m 寬度。順橋向墩底為2.8m 等厚段，采用圓弧段漸變至墩頂3.7m。墩頂由于主引橋箱梁高度差，引橋側墩頂設置1.7m 高差的L 型蓋梁。由于主引橋梁端支座反力差別較大，墩身向主橋方向偏離理論跨徑線0.72m，以維持恒載狀態下的墩身平衡。

邊墩承臺為矩形實體承臺，高度2.5m，橫橋向長17.7m，縱橋向寬6.3m。基礎為10 根直徑1.5m 鉆孔灌注樁基礎[4]。

4 施工方案

樁基采用鉆孔灌注樁施工，在水中樁基搭設鉆孔平臺施工。水中承臺雙壁帶底鋼套箱施工。墩身高度不大，采用支架現澆法施工。主梁采用掛籃懸澆施工，其中0 號塊采用臨時支墩法臨時固結。塔柱采用爬模或翻模施工，塔柱與主梁1 號～4 號節段無索區梁段同時施工，節省工期。

斜拉索由專業廠家制造，使用運輸車運輸到施工現場，通過塔側的塔吊起吊至橋面。利用放索架進行斜拉索的橋面展索，利用塔吊配合進行塔端的掛索，利用卷揚機搭配門架進行斜拉索的梁端掛索。

該工程地質條件復雜，水中主墩逐樁預鉆孔，確認持力層地質情況和樁底標高。

5 結語

該橋的建設對于拓展城市空間、展示文化特色、提升城市形象而言具有重要的意義。

高塔型矮塔斜拉橋兼具斜拉橋的美觀性和矮塔斜拉橋的經濟性及施工便利性，是景觀橋梁100～300m 跨徑范圍內具有競爭力的橋型。選擇該橋型，在解決了城市橋梁景觀設計要求的同時，相比斜拉橋方案顯著地節省了造價，并降低了施工難度，充分體現安全、適用、經濟、美觀的橋梁設計原則。