西宁市文汇路跨湟水河大桥混凝土自锚式悬索桥设计

宋 凯

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

1 概述

一直以来，悬索桥以其优美的线形和错落有致的外观为大多数人所欣赏。自锚式悬索桥取消了传统悬索桥中所必须的巨大的锚锭，将主缆直接锚固在加劲梁上，使主梁直接承受主缆传来的水平力。一方面从造价的角度，去掉了锚锭施工所需要的巨大的费用，增加了方案的经济优势；另一方面从结构受力的角度，增大了主梁压应力储备，减少主梁所需预应力材料数量，结构受力更加合理。自锚式悬索桥跨径在60～300 m都是一种非常有竞争力的桥型[1]。

西宁市海湖新区文汇路跨湟水河大桥，采用（24+65+158+65+24）m两塔五跨混凝土鱼腹梁自锚式悬索桥方案，桥面结构宽度27.3 m，设置双向横坡1.5%。图1所示为全桥总体布置图。

图1 总体布置图（单位：m）

2 抗震设计

该工程桥址处地震基本烈度为Ⅶ度，场地类别属Ⅱ类，地震水平较高，全桥的抗震设计是一个重点难题，设计伊始就将结构体系与抗震设计结合考虑。由于主梁采用质量较大的混凝土箱梁，地震作用下的惯性力较大，因此总体上采用纵向滑动支座体系结合阻尼器方案。在主塔、边墩、桥台处均设纵向滑动支座，放开结构的纵向约束，增大结构的自振周期，有效降低了地震相应。同时为了控制地震作用下的纵向位移，在每处塔梁交界处均设置阻尼器。图2所示为罕遇地震（E2水准地震）作用下，阻尼器对各关键部位的纵向位移的影响。计算显示，设置阻尼器能有效减小各关键部位位移。

图2 E2水准地震作用下各关键部位纵向位移（单位：mm）

3 结构设计

3.1 总体布置

全桥采用半漂浮体系，在主塔牛腿处设置纵向滑动支座，主梁与桥塔之间设置横向抗风支座，在边墩和锚墩处设置纵向活动支座及横向抗震挡块。

该桥主缆由3跨组成，边跨理论跨径65 m，主跨理论跨径158 m。已有的分析研究显示，对于自锚式悬索桥，随着矢跨比的增加，桥梁的整体刚度也随着增加，但是主梁轴向压力却相应减小[2]。综合考虑结构受力、造价及景观因素，主跨的理论矢跨比选定为1︰6。

3.2 主梁设计

主梁采用单箱三室混凝土鱼腹梁，梁高2.2 m，顶宽27.3 m。主梁主要分为锚跨段、边跨锚固段和吊索区三大部分。

锚跨及边跨锚固段主梁共长40 m。锚跨段主梁梁高2.2 m，锚跨段跨中顶、底板厚度为250 mm，中腹板厚度为400 mm。在靠近主缆锚固区处，顶底板均逐渐变厚为500 mm。锚固区主横梁宽度2.0 m，为增强锚固段箱梁受力的整体性，在锚固区段加设了2道厚度为0.8 m的横梁。锚跨段主梁跨中断面图如图3所示。

图3 锚跨段主梁跨中断面图（单位：mm）

吊索区主梁长256 m，标准节段长6 m。吊索区主梁梁高2.2 m，吊索至挑臂边缘4.15 m，挑臂总长4.45 m。主梁标准段顶、底板厚度为250 mm，中腹板厚度为400 mm，腹板间距6～6.4 m。标准节段主梁断面图如图4所示。

图4 吊索区主梁标准断面图（单位：mm）

主梁采用纵、横双向预应力体系。主梁纵向配置规格φs15-12高强度低松弛钢绞线，其中施工用永久预应力钢束在每个节段浇筑完成后张拉，其余预应力钢束在全部主梁浇筑完成，缆吊系统施工前张拉。在每个横梁内均布置横向预应力钢绞线。

主梁施工采用逐节段支架现浇，全桥纵向共分为13个节段，南北对称布置。最长梁段32 m，最短梁段20 m。

3.3 主塔及基础设计

主塔为门式塔，塔高50.993 m。塔顶设置框形横梁结构，塔顶下横梁为预应力混凝土结构，塔顶上横梁为钢结构。混凝土塔柱自下到上分为4个区段。主塔结构见图5。

下塔柱横桥向保持2.5 m宽度，全截面为哑铃形。左右塔柱在与主梁相接处各设置一个牛腿，牛腿上设置主梁支座，支座中心距14.1 m。

中塔柱横桥向保持2.5 m宽度不变，顺桥向分成两片等厚的塔柱，厚度均为2.15 m，在靠近主塔中心线侧设0.65 m×0.65 m倒角，塔柱之间净间距1.7 m。整个桥塔顺桥向尺寸为6 m，上下保持不变。两片塔柱之间通过3根混凝土系梁相连接。

图5 主塔立面和侧面图（单位：m）

上塔柱在塔顶处将两片塔柱用混凝土连接起来，形成一段高度为5.6 m的实心混凝土平台，并将左右塔柱通过预应力混凝土横梁相联系。

塔顶段为钢混凝土组合结构，混凝土与钢结构之间通过剪力钉连接，中间开设3.5 m高的空腔以放置索鞍。该段在塔顶上横梁预应力张拉完毕且缆吊系统施工完毕后施工。

每根塔柱单独设置承台，每个承台下设置6根直径2.2 m钻孔灌注桩。为了增强地面以下基础部分的耐久性，设计在承台和桩基混凝土结构采用了抗硫水泥。

3.4 缆吊系统设计

缆吊系统包括主缆、吊索、索夹、主鞍座和散索套等几个组成部分。

主缆采用悬索桥主缆的常规设置，即中跨、边跨连续主缆，在主塔顶部设置索鞍，主梁端部设置散索套和锚固区，主缆通过主索鞍转向并经散索套发散后直接锚固于主梁端部的混凝土实体上。该桥为双缆面，全桥共两根主缆，每根主缆由37个索股组成，每股含91φ5.25 mm镀锌高强钢丝，索股构成正六边形，紧缆后主缆为圆形。主缆施工采用预制平行钢丝索股逐根架设的施工方法（PPWS）。

全桥共设82个吊点，每个吊点设一根吊索，每根吊索由109φ7.0 mm的镀锌高强钢丝束组成。吊索的上接头采用铰销接头，以减少吊索弯折。吊索的下接头采用锚头直接锚固在主梁上，且设置球面锚垫板，以便于适应吊索的变形。吊索上下锚头均采用冷铸锚，上锚头由锚杯与叉形耳板螺纹连接，下锚头采用张拉端锚具与主梁连接。

索夹采用铸钢结构，材料为ZG310-570，上下对合，用高强螺栓杆连接。

主索鞍采用全铸式结构，材料为ZG310-570。鞍槽内隔板采用5 mm的碳素钢板，鞍头上采用M48螺杆，将索股全部就位、调股后，在顶部用锌块填平，并用螺栓夹紧鞍槽侧壁。

主缆在主梁端部设置散索套，主缆经散索套发散后直接锚固。散索套采用全铸式结构，材料为ZG310-570。

4 结构计算

悬索桥的计算主要采用3种理论：弹性理论、挠度理论以及有限位移理论。弹性理论不考虑主缆恒载内力对其他荷载内力的影响，得到的计算结果较大；挠度理论计入主缆恒载内力的影响，得到的计算结果更加准确；有限位移理论采用矩阵分析法，借助计算机技术考虑各种非线性的影响，计算结果精确。

本次设计采用大型空间有限元软件，模拟全结构的空间模型，利用有限位移理论，考虑结构几何非线性和材料非线性。计算根据施工过程，按照模型结构体系变化，共分为4个阶段。

施工阶段一：主塔施工，满堂支架施工主梁，并依次张拉施工用永久预应力及成桥预应力。

施工阶段二：安装缆吊系统，施工桥面二期恒载；

阶段三：成桥。

阶段四：收缩徐变10 a。

计算荷载包括：恒载，活载，温度荷载（包括整体温差、体系温差和日照温差），风荷载，支座沉降。按照不同组合计算内力。各构件计算结果均满足规范要求。

5 结语

多跨连续混凝土梁自锚式悬索桥将大跨连续梁桥与悬索桥两种结构体系结合在一起，通过吊索对加劲梁的弹性支承，有效降低了梁高。因此，该桥型保持了传统地锚式悬索桥桥型优美轻便的优点，而且主缆直接锚固在加劲梁上，使主梁直接承受主缆传来的水平力，增大了主梁压应力储备，对结构受力更为有利[3]。

西宁市海湖新区文汇路跨湟水河大桥主桥为多跨混凝土自锚式悬索桥，结构对称且造型优美简洁，作为现代城市桥梁，具有突出的景观优势。该桥已于2012年12月竣工通车，全桥实景见图6。该桥的实施将对以后类似项目的设计提供一定的借鉴与指导。

图6 全桥实景

[1]张元凯，肖汝诚，金成棣.自锚式悬索桥的设计[J].桥梁建设，2002（5）：30-32.

[2]张哲.混凝土自锚式悬索桥[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3]胡建华.现代自锚式悬索桥理论与应用[M].北京：人民交通出版社，2010.