郑州北三环跨东运河斜拉桥设计

任春

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市 200092）

1 工程概况

郑州市郑东新区北三环跨东运河桥工程西接郑州市北三环路-龙翔三街交叉点，东接北三环路-朝阳路交叉点，桥长272 m。左右分幅布置，规划红线宽度80 m（左幅桥中4.5 m宽的人行道位于红线以外）。主桥结构采用独塔双索面不等跨斜拉桥，引桥采用等高变宽度预应力混凝土连续梁。

2 主要技术标准

（1）桥梁设计基准期：100 a。

（2）桥梁设计荷载：城－A级，人群荷载按规范取值。

（3）桥梁结构设计安全等级：一级。

（4）环境类别：II类。

（5）桥梁设计横断面：2.5m（索区）+4.5 m（人行道）+7 m（非机动车道）+0.5 m（分隔带）+12 m（机动车道）+0.5 m（防撞墙）+2.5 m（索区）+24 m（中央分隔带）+2.5 m（索区）+0.5 m（防撞墙）+12 m（机动车道）+0.5 m（分隔带）+4.5 m（非机动车道）+4.5 m（人行道）+2.5 m（索区）=80.5 m。

（6）道路最大纵坡：2.5%。

（7）横坡：车行道、非机动车道及慢行系统-向外1.5%，人行道-向内1.5%。

（8）地震烈度：抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15 g。

（9）防撞等级：SB，SBm。

（10）通航净空：3.5 m×40 m。

（11）台前人行通道净空：3 m×2.5 m。

（12）桥面防水等级：I级。

3 方案构思

根据《郑东新区龙湖地区桥梁总体规划设计》中对该桥的桥位特点和景观定位，需要采用一定体量的上部结构的桥梁形态。常用的结构形式有拱桥、斜拉桥、悬索桥等。结合周边已建和在建桥型的分布情况，该桥采用斜拉桥的结构形式，围绕桥塔造型进行方案构思。

桥梁临近龙湖副CBD中心，规划为金融商务区，结合其桥位特点，桥塔造型采用古代货币——布币的造型，运用后现代主义的设计手法，使桥梁与城市的功能区域空间相互呼应，与东区的城市文脉肌理融为一体。图1为桥梁效果图。

图1 桥梁效果图

4 总体结构布置

桥位所在区段的东运河桥河道水面宽度约200 m，湖堤边线约240 m；河道中规划通航游船，通航宽度40 m，通航高度3.5 m。

主桥采用不对称布置的斜拉桥，主桥桥长适中，引桥为两跨连续梁，造价较低。主跨占整个水面的比例协调，水中桥墩较少，景观效果较好。桥梁的跨径组合为：左幅桥跨布置为（80+112）m主桥+（40+40）m引桥=272 m；右幅桥跨布置为（40+40）m引桥 +（112+80）m主桥 =272 m。

主桥采用两跨不对称独塔斜拉桥，塔梁墩固结体系；引桥采用两跨等高度预应力混凝土连续梁。左右幅跨径布置关于中跨中心线反对称。左右幅桥之间有一行车隧道过河底。详见图2、图3。

图2 左幅主桥总体布置立面图(单位：m)

图3 总体布置横断面图（单位：m）

5 主桥结构设计

5.1 上部结构设计

主梁采用等高度分离式双箱截面。桥面宽左幅29.5 m、右幅27 m，外悬臂2.755 m；主梁沿纵桥向等高2.8 m；箱梁标准断面（见图4）顶板厚0.30 m，底板厚0.35 m；边腹板斜度为1∶1.614，厚0.3 m，中腹板厚0.45 m，斜拉索锚固于箱梁悬臂板下缘。

图4 箱梁结构横断面图（单位：cm）

由于两箱间距离较大，主梁除支点处设横梁外，两箱间设置横隔板，中跨间距6 m，边跨3～6 m，厚度0.4 m。塔梁墩固结，固结处横梁厚7.5 m。边跨端横梁厚2.2 m，主跨端横梁厚3.08 m。

箱梁底板上设置直径80 mm泄水孔，设在每个箱室的最低处；在腹板上设置直径80 mm通风孔，间距5 m。

箱梁设纵、横双向预应力，其中纵向预应力钢束采用 12-φs15.2、9-φs15.2、7-φs15.2、4-φs15.2预应力钢绞线群锚体系；横梁采用19-φs15.2、9-φs15.2预应力钢绞线深埋群锚体系。所有预应力管道均采用塑料波纹管，采用真空吸浆法灌浆施工。

5.2 主塔结构设计

主塔承台以上总高65.5 m，桥面以上高52.4 m；塔身截面顺桥向长11.6～7.5 m，桥面以上横向宽2.8 m，桥面以下纵桥向宽7.5 m。

塔身内设置斜拉索鞍座，斜拉索通过鞍座将力传至塔身，塔内鞍座采用分丝管形式，每根分丝管穿一根钢绞线。在斜拉索单侧出口处设抗滑锚板，从上至下布置在索塔两侧，以防止运营阶段钢绞线的滑动。

结构塔梁墩固结，下塔柱（桥墩）为墙式墩基础，纵桥向宽度7.5 m，内设横向预应力钢束。

5.3 斜拉索设计

斜拉索采用扇形双索面，横桥向对称布置在索区里，索面间距左右幅分别为26.8 m、24.3 m。斜拉索锚固于主梁悬臂下方。斜拉索在梁上索距为3～6 m；塔上索距1.25m布置。每个索面布置16对斜拉索。图5为斜拉索大样图。

图5 斜拉索大样图

斜拉索采用防腐性能优越的环氧喷涂无粘结钢绞线斜拉索体系，索体采用φs15.2 mm环氧喷涂钢绞线成品索，两端采用可换索式250AT锚具。塔上鞍座采用分丝管形式的配套定型产品。

5.4 下部结构设计

索塔基础采用直径为1.8 m的钻孔桩群桩基础。左右幅均采用矩形承台，承台尺寸为36.3 m×16.38 m，厚度为4 m，二承台厚度为2 m。根据地勘报告，第⑦层作为桥梁桩基持力层，桩长90 m。主引桥过渡墩及引桥中墩采用直径为1.5 m的钻孔桩群桩基础。

6 主桥结构计算分析

6.1 主桥静力结构分析

（1）模型建模

所有研究对象均晨起空腹采集静脉血3～4 mL，2 h内完成离心 (3 000 r/min，10 min)，分离出血清，即时检测Cys-C和HCY水平,另外1管静脉血注入乙二胺四乙酸二钾抗凝管中，用于检测HbA1c的水平；取中段尿液10 mL，3 000 r/min离心10 min，并于室温2 h内检测UmALB。

采用桥梁结构分析软件Midas2010进行计算分析，建立单梁模型进行计算分析，并用有限元梁格模型进行了计算比对。计算分7个施工阶段，主要包括主梁落架（满堂支架法施工）、二期恒载、10 a收缩徐变阶段。单梁模型结构离散成163个单元，174个节点，单梁空间模型见图6。

图6 单梁空间计算模型

（2）荷载作用

计算的主要内容包括[1]：施工阶段、成桥阶段和运营阶段。施工阶段主要包括自重、预应力、混凝土收缩和徐变、施工荷载等；成桥运营阶段主要考虑了汽车荷载、人群荷载、桥墩不均匀沉降、汽车制动力、温度力等作用。其总温度计算考虑了体系升降温、主梁温度梯度、索与梁塔温差、塔左右侧温差等。计算时，斜拉桥的几何非线性即斜拉索的垂度效应采用规范规定的修正模量法予以考虑。

（3）计算结果

单梁计算结果表明[2]：在正常使用极限状态下主梁截面抗裂验算、斜截面抗裂验算均满足全预应力结构要求；持久状况标准组合下主梁（左幅）混凝土最大压应力15.6 MPa，最大主压应力15.3 MPa，均满足规范要求；汽车荷载下主梁（左幅）结构最大向下位移27.7 cm结构刚度满足1/5 0 0的要求。主梁（左幅）标准组合下，最小支反力448 kN,即小跨侧支座未脱空。斜拉索索力安全系数均大于2.5,满足规范要求。

主塔最大压应力17.0 MPa，出现在上塔柱底部。

6.2 主桥抗震结构分析

（1）动力模型建模原则[3]

为了能正确分析桥梁的抗震性能，动力分析模型采用三维空间有限元分析模型。其中，主梁、系梁和桥墩等用梁单元模拟；桩基础采用等效的土弹簧单元模拟土-桩基础的相互作用；支座均采用三维支座单元进行模拟（见图7），反应谱分析时假定固定支座为铰接约束，滑动支座滑动方向为自由。非线性时程分析时采用非线性支座模型考虑支座的摩擦耗能作用。考虑到与相邻桥梁动力特性的相互影响，动力分析模型包含了研究对象相邻引桥。

图7 桥梁抗震三维模型

（2）地震动参数[4]

该桥为斜拉桥，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15 g，建筑场地类别为Ⅲ类场地。对于斜拉桥工程，依据《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166—2011），抗震设防分类属于甲类桥，桥梁抗震措施应符合地震基本烈度8度的要求。桥梁所受的地震作用应按地震安全性评价确定，相应的E1和E2地震重现期分别为475 a和2 475 a。从安评单位提供的10条地震波中随机选取7条作为非线性时程分析的地震动输入。

（3）结构动力特性分析

根据前面建立的桥梁动力分析模型，对该桥进行了结构动力特性的分析研究，以了解结构的动力响应特性。结构动力特性分析中的特征方程求解采用子空间迭代法。此处列出了该桥动力响应的一些主要动力特性（见表1）。

表1 结构动力特性

（4）抗震分析结论

主塔墩桩基础为32Φ1.8 m钻孔灌注桩，主塔墩为变宽度工字型截面形式，FPS支座的半径和摩阻系数分别为5 m和0.05，粘滞阻尼器的阻尼系数和阻尼指数分别为2 000和0.2。进行非线性时程反应分析并进行关键构件的能力检算结果表明：

a.在E1地震作用下，主塔塔柱、引桥墩柱及各承台底桩基础均能保持弹性，满足预期的性能要求。

b.在E2地震作用下，为满足预期的抗震性能要求，主桥各桥墩桩基应增加截面配筋率，并把钢护筒作用计入其内。主塔上塔柱需配PSB930精轧螺纹钢且纵筋配筋率达到1.977%，下塔墩底截面按HRB400钢筋的纵筋配筋率需达到1.951%。

c.对于支座的位移响应，在E1地震作用下，支座的最大位移不超过10 cm。在E2地震作用下，主桥侧桥台和过渡墩处支座的纵向位移较小且最大位移为5 cm左右，横向最大支座位移为12.9 cm；

7 结语

该桥在保证安全性、经济性，并满足桥梁使用功能和桥下通航要求的前提下，考虑了结构新颖、行车舒适、景观优美以及与周边环境相协调等方面。结合桥梁塔型，该斜拉桥使用了矮塔斜拉桥拉索体系，是一种创新的尝试。另外，为了确保施工和运营期间两幅桥之间隧道结构的安全性，对隧道周围土体进行了注浆加固处理。

该桥于2014年4月完成设计，2014年5月开始施工，相信在精心设计和施工下，本桥将成为龙湖新区一个标志性建筑。

[1]JTG D65-01-2007,公路斜拉桥设计细则[S].

[2]JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[3]王克海 编著.桥梁抗震研究(第二版)[M].北京：中国铁道出版社，2007.

[4]CJJ 166-2011,城市桥梁抗震设计规范[S].