钦州子材大桥设计关键参数研究

万 鹏，马 骉，袁建兵

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

1 工程概况

自锚式悬索桥简洁优美的造型和独特的受力体系使其保持了动人的魅力。1990年建成的此花大桥和永宗大桥标志着现代自锚式悬索桥进入了一个新的发展阶段。进入21世纪以来，得益于对景观与桥梁文化的追求，国内自锚式悬索桥快速发展。从大连金石滩和桂林丽君桥到武汉江汉六桥和郑州桃花峪黄河公路大桥[1]，跨径从不足100 m向400 m以上突破，结构形式也趋于多样化。无论是单索面、双索面和空间索面，还是混凝土主梁、钢主梁和叠合梁，均有相当规模的代表工程。

广西钦州市子材大桥工程位于市中心城区，其总体设计在满足交通功能与航运水利的前提下，充分考虑景观定位、投资控制、施工便捷、使用耐久和便于养护等因素后，采用跨径组合为65 m+158 m+65 m的预应力混凝土自锚式悬索桥，桥宽35.5 m，主塔高38.25 m，工程造价近2亿元。子材大桥于2011年11月通车，如飞跨钦江的一道彩虹，是目前广西最大跨度的混凝土自锚式悬索桥。设计关键参数经过多方案比选后确定，以实现安全可靠、结构新颖、造型独特的设计意图，见图1。

2 主梁设计参数

2.1 矢跨比

自锚式悬索桥的加劲梁高跨比较大，竖向刚度往往不成为控制性因素，所以自锚式悬索桥通常采用较大的矢跨比（1/7～1/5），以减小主缆拉力，降低主缆用钢量，方便主缆锚固，同时增加主塔高度以使桥梁比例协调。对国内外双塔自锚悬索桥常用的三种矢跨比进行了分析比较，见表1。

从表1可以看出，随着矢跨比的增加，主缆拉力减小，主梁跨中挠度减小，刚度增加。由于采用混凝土主梁，荷载集度较大，主缆矢跨比过大，主缆入鞍角度也大，边吊索的下滑分力增大，索夹设计会比较困难。而采用较小的矢跨比，主梁在恒载状态下的压应力储备较大，对于提高主梁使用性能，减少预应力材料也有帮助。但是受制于锚点结构尺寸，锚固位置的局部应力较大。桥塔较矮时，整体景观不佳，经综合比选，本桥主缆采用1/6的矢跨比。

2.2 主梁方案

根据自锚式悬索桥不同的建设条件、桥型方案以及造价与维护等因素，主梁主要有混凝土梁、钢箱梁、叠合梁以及钢桁梁等不同的结构型式。钢箱梁轻盈美观，但制造和养护的要求与费用较高。叠合梁较混凝土梁轻，钢构件尺寸较小，便于制造、运输和架设。性能介于混凝土主梁和钢箱梁之间。但是其钢结构加工、桥面板预制浇筑等过程较为繁琐，同时也没有避免钢结构的维护问题。对于钢箱梁和叠合梁而言，较大的初始压力，需要增加局部加劲构造，满足稳定需求，截面使用效率低于常规受弯构件。在200 m主跨范围内，国内双塔自锚式悬索桥多采用混凝土主梁。虽然主梁自重大，缆吊系统和基础工程规模将有所增加，但总体上造价较为经济，后期维修养护工作量也较少。子材大桥主跨158 m，桥位水面较窄，水深较浅，具备支架施工条件。综合考虑性能、造价、施工和景观等因素，主梁采用预应力混凝土主梁方案，见图2、图3。

图1 主桥总体布置图（单位：mm）

表1 矢跨比f/L比较表

图2 主梁断面（单位：mm）

图3 主塔塔型图（单位：mm）

常规混凝土自锚悬索桥主梁截面有箱形截面[2]和双主梁截面[3]两种形式。在跨径布置和矢跨比相同的条件下，箱形截面的应力水平要低于双主梁截面，而前者混凝土材料用量仅比后者大不到10%。但考虑双主梁截面的预应力材料数量要适当增加。因此两种类型截面主梁的造价大致相当。箱形截面整体与桥面局部受力优于双主梁截面。但是本桥考虑支架施工的便捷性与经济性，分段浇注降低混凝土方量要求等方面因素，最终采用双箱梁方案。

子材大桥主梁共分3段浇筑，每段长度约100 m左右，浇筑时先施工小横梁，再施工两侧吊索部位箱梁，最后浇筑面板。混凝土浇筑采用二次浇筑，第一次浇筑到腹板上承托处，第二次浇筑完成全断面，见图4、图5。

图4 主梁分块浇筑图

图5 主塔与缆吊系统施工图

3 主塔设计参数

主塔外形的方案比选是悬索桥设计中的一项重要内容。桥塔高耸的形象引人注目，起着象征、标志的作用，是桥梁景观中最重要的元素。主塔方案设计在满足结构受力要求的前提下，还要兼顾造价和施工等因素。常用的塔型主要有三种：门型主塔[2][4]、花瓶型[3]和钻石型[5]。

结合本桥的地理位置以及周边环境，以及结构受力、施工、经济等因素，力求本桥索塔外形简洁而雅致、刚劲而柔美、现代而质朴，体现钦州现代化建设的步伐，给人以耳目一新的感觉。本桥桥面上主塔高30.9 m，考虑到横向荷载不是主要控制荷载，因此采用无上横梁的柱式形式，塔柱净高与净宽比例比较合适，符合常规的审美习惯，给人挺拔坚实的美感，景观效果最佳。

塔柱规则段部分高26.35 m，采用翻模施工工艺施工，混凝土使用输送泵进行泵送。节段施工长度根据钢筋长度确定为4.5 m，每个塔柱共5个节段，剩下3.85 m作为初始浇筑段。上塔柱顶的4.5 m圆曲线渐变段结合索鞍预埋件，张拉施工平台等最后完成。

4 缆吊体系参数

本桥远期为双向六车道，桥面宽度35.5 m，恒、活载重量大。主缆矢跨比l/6，吊索内力和索夹的下滑力较大，所以吊索间距不宜太大，以控制索夹长度和紧固螺栓数量，减小主缆的弯折应力。与吊索间距对应的横隔板间距直接影响到桥面板的强度，间距太小会增加结构自重，常规距离在5.0～6.0 m之间。经综合比较，本桥吊索间距和标准节段长度采用6 m，在主缆锚固区和塔梁支承区布置部分特殊节段。

4.1 散索鞍

自锚式悬索桥的主缆相对地锚式悬索桥较细，对散索结构的受力要求相对较低。通常选用散索套散开主缆较合适。若采用散索鞍，需要为支承散索鞍提供支点，主梁局部构造也较复杂。同时，从施工与制造角度看，散索套与索夹相似，体积较小，便于加工。重量较轻，吊装方便，也便于现场施工。本桥采用散索套方案分散主缆，转角约1.2°。

4.2 主缆锚固

主缆锚固构造是自锚式悬索桥的关键节点，甚至影响主梁断面形式的选择，从而决定总体设计布局。按照锚固位置的不同，自锚式悬索桥锚固构造分为后锚式和前锚式两种。已建自锚式悬索桥多采用后锚式。由于本桥采用混凝土箱形主梁，在主缆散索区梁高较小，不适于开设较大的空洞，端部5.5 m的梁高对景观效果也影响不大，因此本桥选择后锚式。

主缆轴力作用于在锚固端面上，然后通过锚固体传到主梁上，经过过渡区段厚度较大的腹板和横梁后，压力均匀作用于主梁截面上。为了改善锚固体混凝土结构受力性能，并能在前锚面的钢管之间设置普通钢筋，索股在后锚面处的竖向间距为60 cm，横向间距为45 cm。在散索室上设置保护罩，下表面设置排气孔。

4.3 缆吊体系安装

（1）塔顶格栅及反力架分体吊装前在索塔顶设预埋底板，为适应施工中的纵向相对移动，在鞍体下设不锈钢板-聚四氟乙烯板滑动副。索鞍在主塔顶安装就位时应向边跨侧预偏，施工时分次顶推，以释放中跨侧与边跨侧主缆不平衡水平力。索鞍底部与预埋格栅通过Φ68锚栓和预埋钢筋固结。格栅边跨侧设置反力架，顶推索鞍就位后，割除反力架。

（2）紧缆完成后，塔侧40 m范围的索夹采用塔吊吊装，其他位置索夹采用汽车吊机安装。索夹螺杆张拉力650 kN，且分三次反复张拉，第一次初装时进行，第二次体系转换完成时进行补张，第三次在二期恒载完成后。

（3）吊索应根据空缆线型确定长度，在工厂预制，现场进行核对和复测后张拉安装。张拉端在箱梁底部凹槽内。吊索预埋钢管端部进行防腐处理，桥面以上2 m范围内外包不锈钢护套。

5 结语

自锚式悬索桥的各个设计参数相互影响，应综合考虑，并结合实际情况比选确定。子材大桥宽度大，恒载重，景观要求高等特点，决定了其独特的参数体系。在设计阶段应充分考虑施工条件，如分段浇筑、切割吊装等要素，确定相应参数保证施工质量，最终实现设计意图。子材大桥经过一年多的运营,桥梁性能良好，已经成为钦州市内的一座标志建筑。

[1]金雷.武西高速桃花峪黄河大桥主桥施工方案[J].桥梁建设,2011(1):75-78.

[2]张伟,唐贺强,宁伯伟.吉林市雾凇大桥混凝土自锚式悬索桥设计[J].桥梁建设,2011(3):72-75.

[3]郭文復,李小刚.预应力混凝土自锚式悬索桥（镜湖大桥）设计简介[J].公路,2007(6):22-25.

[4]张哲,邱文亮.一座跨度240 m混凝土自锚式吊桥方案设计[J].东北公路,2003(4):91-92.

[5]John A.Ochsendorf,David P.Billington.Self-Anchored Suspension Bridges[J].Journal of Bridge Engineering,1999(4):151-155.