宁波象山大目湾新城内湾桥设计

李胜才

(林同棪国际工程咨询(中国)有限公司广州分公司，广东广州510170)

1 工程概况

宁波象山大目湾新城内湾桥是来薰路跨越内湾景观水系的重要节点工程，来薰路松兰大道以北是大目湾新城与外界连通的城市主干道之一，规划红线宽度36 m。根据象山大目湾新城的实际地理情况及景观需求，综合考虑经济性及施工可行性等因素，内湾桥选取38+42+56+96+42+38=312 m的独塔单索面预应力混凝土箱梁斜拉桥进行施工图设计，桥型布置图见图1。

图1 桥型总体布置 (单位：cm)

2 设计标准

(1)道路等级：城市次干路Ⅱ级；

(2)设计车速：30 km/h；

(3)设计荷载：汽车荷载：城-A;人群荷载：3.5 kN/m2；

(4)桥梁宽度：29.1 m；

(5)设计风速：48.1 m/s；

(6)设计基准期：100年；

(7)抗震设防烈度：桥址区抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g。

3 设计理念

3.1 景观设计

本次景观设计借助大海为背景，以帆为设计元素，在主塔立柱的基础上加上横向稳定杆，既在结构受力上相辅相成，又使主桥形态宛如在东海上遨游的一叶方舟。整个桥梁造型丰富、优美，充分利用各种简洁的几何形态，使其不显杂乱与繁复，更添一丝优雅。此外，高耸的桥塔与周围的山呼应，打破了新城内“一马平川”的弊病(图2)。

图2 效果图

3.2 索辅梁桥结构体系

常规的斜拉桥是将斜拉索两端分别锚固在塔和梁或者其他载体上，形成塔、梁、索共同承载的结构体系。一般而言，索作为主要受力构件，梁作为次要受力构件，荷载是由缆索传递到桥塔上，再通过桥塔最终传递到基础上。内湾桥设计桥面宽度较宽，为29.1 m，采用单箱多室的预应力混凝土结构。其本身具有很可观的抗弯、抗扭能力刚度，基于此特点设计时采用了一个新的设计理念，即充分考虑斜拉桥中梁和缆索的主要功能，以梁为主要承重体，缆索为辅助承重载体，这就是索辅梁桥或“部分缆索承重桥”(Partially Cable-Supported Girder Bridge)。

4 结构设计

4.1 上部结构

4.1.1 结构体系

本桥采用单塔单索面斜拉桥体系，跨径组合为(38+42+56+96+42+38=312)m。主塔墩采用塔梁墩固结体系，桥面上钢曲臂与主梁及桥塔固结，桥面下混凝土曲臂与主梁间留有缝隙，边墩及桥台采用滑动支座，横向约束。

4.1.2 主梁设计

主梁采用预应力混凝土连续箱梁结构，使用单箱五室断面(图3)。梁高分为两种，中跨及侧跨结构中心梁高为2.5 m，边跨为满足桥下人行通道的要求梁高变为2 m。桥面宽度29.1 m，全桥等宽布置。中跨范围顶板厚0.25 m，底板厚0.22 m，中腹板厚0.50～1.0 m，为平衡中跨侧跨索力不平衡对主塔的影响，对侧跨主梁采取增重措施，即顶底板加厚，顶板厚0.50 m，底板厚0.47 m。

塔梁结合段宽度为10 m，拉索锚固横梁宽度为0.6 m，边墩顶横梁宽度为2.5 m，端横梁宽度为2 m。

图3 中跨及侧跨主梁标准段横断面 (单位：cm)

4.1.3 索塔设计

索塔是斜拉桥的主要承重构件，同时又是斜拉桥整体景观的标志性结构，因此在进行索塔结构类型选择时既要满足受力的需要又能达到美观要求。索塔采用钢混组合结构，由倾斜的主塔柱和弯曲的装饰帆曲臂两部分组成。

(1)钢塔柱 。钢塔柱斜长25.7 m，根据景观设计要求，钢塔柱采用圆弧倒角的矩形外轮廓，横桥向宽3.6 m，顺桥向由塔顶的3 m渐变至钢混结合段的3.5733 m，外侧壁板相交处设70 cm的圆弧倒角。主塔柱采用Q345qD钢材。

(2)混凝土塔柱。混凝土塔柱断面由带圆弧倒角矩形与半椭圆形组成，带圆弧倒角矩形由钢塔柱的外轮廓顺接而来，顺桥向斜靠在半椭圆截面上，组合形成了混凝土塔柱。顺桥向混凝土塔柱在与钢塔柱交界面的3.573 m渐变至与承台相接的10 m，横桥向宽度保持3.6 m不变。

(3)装饰帆。为了达到建筑设计的效果，本桥设置装饰帆以提高观赏性。由于装饰帆的形状特殊，受力极为复杂，为了减少设计、施工难度，设计时将其主要功能定义为协同钢塔柱承担二期恒载和活载的作用，不参与结构一期恒载受力。

4.1.4 拉索设计

斜拉索采用扇形布置，索面在中跨主梁上顺桥向标准间距是10.0 m，边跨索距为8.0 m；斜拉索在索塔上的索距为2.0 m。斜拉索采用张拉锚固方便的φ7高强镀锌平行钢丝束，钢丝强度Ry=1 670 MPa，斜拉索采用双层PE护套。

4.2 下部结构

主墩为实心断面，由半椭圆与带圆弧倒角的矩形组成。基础为承台加钻孔灌注桩，桩径2.0 m，按摩擦桩设计。

主桥边墩为带圆弧倒角及的矩形桥墩。基础为承台加钻孔灌注桩，桩径2.0 m，按摩擦桩设计。

桥台采用桩柱式桥台，桥台下设置4根直径1.5 m的钻孔灌注桩，按摩擦桩设计。

5 结构分析计算

斜拉桥结构其荷载主要是依靠主梁、桥塔和斜拉索分担，合理的确定各构件分担的比例是十分重要的，直接关系到斜拉桥的经济性能。本桥利用有限元程序对桥梁结构进行了静力分析、动力分析和稳定性分析。

5.1 计算模型

建立由梁、塔、索为主要构件的全桥立体模型(图4)，受力分析以梁、塔位移及应力在各施工阶段及成桥运营阶段均满足现行规范要求为目标进行分析。

5.2 静力分析

经计算，桥梁结构主要受力情况见图5～图7。

从计算结果可以看出，塔左、右跨主梁弯矩基本平衡。

从计算结构可以看出：在塔梁固结段，顶缘拉应力0.9 MPa为计算值，失真、不控制设计。考虑消峰影响后无拉应力，全桥应力情况满足规范要求。

图4 计算模型

图5 承载能力状态下弯矩(不包含预应力效应,单位：kN·m)

图6 正常使用极限状态下主梁上缘应力图之一(单位：MPa)

图7 正常使用极限状态下主梁上缘应力图之二(单位：MPa)

拉索选型：PES7-241，破断力15 489 kN，安全系数大于2.5。拉索应力幅值约80 MPa，小于250 MPa，疲劳不控制设计。

5.3 动力分析

建立动力计算模式，对主桥结构进行了动力特性分析。计算时以重力工况为初始条件，成桥设计索力以单元温度的形式输入。

由分析结果可知，全桥一阶横向振动振型为主塔横向侧弯，对应振动频率为0.97 Hz，周期为1.03 s。全桥一阶竖向振动振型为主梁竖弯，对应频率为1.10 Hz，周期为0.91 s。内湾桥结构动力特性详见表1。

表1 内湾桥结构动力特性

5.4 稳定性分析

在恒载+活载作用下，全桥整体稳定性前五阶稳定系数如表2所示。

表2 内湾桥前五阶整体稳定系数表

6 结束语

(1)本桥位于浙江宁波象山大目湾新城的重要水域位置，其桥位所在区域为现代化的景观区，针对本桥特点，设计采用了现代、简洁、有力、挺拔的桥塔造型和清晰而有韵律的拉索布置，以较小的经济、技术代价取得了很好的景观效果。

(2)索辅梁桥是一种较为新颖的结构体系，对于主梁本身具有很可观的抗弯、抗扭能力及刚度的桥梁，采用索辅梁桥的结构体系可以充分发挥主梁和斜拉索的各自功能，具有一定的推广价值。

[1] 林元培.斜拉桥[M].北京：人民交通出版社，2004

[2] Tang Manchung Rethinking bridge a new configuration[J].Civil Engineering Magazine,2007,77(7):38-45