双斜塔斜拉桥结构设计要点分析

裴 涛，李群朋，杜英辉，刘慕清

（1.唐山曹妃甸发展投资集团有限公司，河北 唐 山 0 63200；2.华夏幸福基业股份有限公司，河北 唐 山 0 63000；3.唐山曹妃甸筑城工程管理有限公司，河北 唐 山 0 63200；4.建设综合勘察研究设计院有限公司，北京市 1 00007）

双斜塔斜拉桥结构设计要点分析

裴 涛1，李群朋2，杜英辉3，刘慕清4

（1.唐山曹妃甸发展投资集团有限公司，河北 唐 山 0 63200；2.华夏幸福基业股份有限公司，河北 唐 山 0 63000；3.唐山曹妃甸筑城工程管理有限公司，河北 唐 山 0 63200；4.建设综合勘察研究设计院有限公司，北京市 1 00007）

曹妃甸2#桥采用“高低塔无背索斜拉桥”这一独特的结构型式，跨径组合为166 m+104 m。充分分析其结构行为特征，对结构体系和主要受力构件进行详尽的设计处理，以实现结构受力与景观要求的有效统一，为今后同类桥梁的设计、施工提供了宝贵经验。

景观桥梁；桥梁美学；混合梁；斜塔斜拉桥；高低塔斜拉桥；无背索斜拉桥

0 引 言

曹妃甸工业区2＃路南起钢厂北路，北至北环路，全长约11 km。2＃桥工程即为2＃路跨纳潮河段，位于工业区中部，是连接纳潮河南北两岸的重要交通通道。

经过结构体系的比选、优化以及与业主和景观专业的协调沟通，确定主桥采用高低塔无背索斜拉桥，墩、塔、梁固结体系，跨径布置为166 m+ 104 m。高、低塔顺桥向成V形，夹角69°，横桥向均为A形塔，采用钢筋混凝土矩形箱形结构，其中高塔塔高134.03 m，低塔塔高97.82 m。主梁梁高4.0 m，根据受力需要采用混合梁形式，其中在两塔柱附近56 m采用预应力混凝土断面，其余主梁（主跨138 m，边跨76 m）均采用钢箱梁断面。主桥主跨设置11对斜拉索，采用单索面布置；边跨设置6对斜拉索，采用双索面布置。大桥基础采用混凝土承台+钻孔灌注桩形式。

高低塔无背索斜拉桥的设计具有较大的创新和突破，达到同类技术的国内外领先水平，为今后同类桥梁的设计、施工提供了宝贵经验。

1 工程概况

本桥位于纳潮河及两岸，纳潮河河宽1 000 m，呈倒梯形，最深18.93 m，河岸原为浅海，现已填海造地，地形起伏大，海拔标高-18.93～2.97m，相对高差21.90 m；桥位处地震加速度为0.2 g，Ⅲ类场地；桥位处地震动峰值加速度0.15 g，地震动反应谱特征周期为0.4 s；场地桩基主要持力层为粉质黏土、粉土、软粉质黏土、软粉土和粉细砂，局部为黏土和淤泥质土。桥梁全宽48.2 m，根据规划及现况河道断面形态，并结合桥址周边景观环境定位的需求，该桥设计为低塔无背索斜拉桥，墩、塔、梁固结体系，跨径布置为166 m+104 m，如图1所示。

图1 桥梁整体布置图（单位：cm）

2 桥梁结构设计要点

常规无背索斜拉桥寻求主塔重量与通过斜拉索传递过来的主梁重量（包括二期恒载）在塔根部弯矩接近于零。本桥拉索集中锚固于塔上端，索力作用点与塔重心有30 m左右的距离，从而造成需要更大的塔重来平衡索力，同时桥塔重量还在无索区处形成附加弯矩。因此本设计提出部分斜拉桥的概念，即主梁承担部分荷载以弥补塔因景观要求尺寸增大有限的不足。

2.1 结构体系的选择

对于斜拉桥的基本体系按力学性能划分有漂浮体系、支承体系（半漂浮体系）、塔梁固结体系以及刚构体系4种，先将这4种支承体系的优缺点及适用条件比较如下，见表1。

表1 结构体系比较

本方案结构体系采用全漂浮受力体系时，主梁无明显的负弯矩峰值，且可有效降低主塔在地震荷载下的受力；但由于拉索布置受净空限制，使得高低塔附近主梁无索区范围较大（70 m）且主塔两侧水平力无法平衡，受力明显不合理。若采用支撑体系，主梁为具有多点弹性支撑的连续梁，较经济、美观。此种体系的缺点是，两跨满载时，塔柱处主梁负弯矩峰值较大，且由于塔柱两侧拉索水平力不平衡，需在主梁与塔柱横梁间设置止推装置。若采用塔梁固结、墩梁分离体系，可有效降低塔墩弯矩，但整体刚度较小，且主塔处支座墩位巨大，支座的设计、施工、维护及后期更换难度太大，因此不宜采用。若采用塔、梁、墩互为固结体系，形成跨度内具有多点弹性支撑的刚构，此种体系的优点是既免除了大型支座，又可满足悬臂施工的稳定要求，结构的整体刚度好，主梁挠度小。

2.2 主梁结构设计

无背索斜拉桥受力特性为依靠主塔重量来平衡通过斜拉索传递过来的桥面系重量，因此主梁应追求轻型化，以减小桥塔尺寸。本方案主梁考虑到墩、塔、梁固结需要，同时也考虑钢混结合段尽量位于主梁弯矩较小区域，因此在两塔柱附近56 m采用预应力混凝土断面，其余主梁（主跨138 m，边跨76 m）均采用钢箱梁断面。

从表2看，边跨采用混凝土主梁相对于采用钢主梁主塔根部弯矩大大增加，因此除了为方便墩、塔、梁固结需要，两塔柱附近56 m采用C50现浇预应力混凝土主梁，其余主梁（主跨138 m，边跨76 m）均采用Q345qD钢材预制箱梁。

表2 边跨主梁材料不同时主塔内力比较表

单索面斜拉桥钢主梁可采用全焊钢箱梁断面、单箱大悬臂断面（脊骨架结构）。双索面斜拉桥钢主梁可采用双主梁断面、全焊钢箱梁断面。单从材料本身发挥效率出发，单索面斜拉桥应采用单箱大悬臂断面，双索面斜拉桥应采用双主梁断面。但是本桥主跨为单索面体系，边跨为双索面体系，若主跨采用单箱大悬臂断面，边跨采用双主梁断面，两侧拉索产生的轴力在主塔处混凝土梁段都存在不均匀传递问题，使得混凝土梁段受力不利。同时采用不同形式的钢主梁断面增加了钢箱梁制作的难度、钢主梁施工的复杂性，还造成钢混过渡段受力不明确，而且还影响了主梁的美观。因此主跨、边跨主梁设计为全焊钢箱梁断面，采用Q345qC钢材。由于全桥宽48 m，梁高受横向受力控制，中心处梁高4 m。混凝土主梁外形与钢箱梁保持一致，设计为单箱十室断面，采用C50混凝土现场浇筑，如图2所示。

2.3 钢混凝土结合段设计

结合段内钢梁腹板、端横隔板混凝土侧、纵向隔板布置剪力钉，纵向隔板侧设置PBL剪力键，底板纵向加劲肋上开孔，钢筋通过以形成PBL剪力键，钢箱梁过渡段按通高设置隔板，本方案剪应力主要由PBL剪力键来传递，PBL剪力键在国内外已经有了很多工程实例，如日本鹤见航道桥、广东佛山平胜大桥、南京长江第三大桥等。钢混凝土结合段构造如图3所示。

2.4 主塔结构设计

主塔为该桥梁结构的主要承重构件，全桥结构恒载及活载通过斜拉索传递给主塔，然后经由主塔传递至下部基础。本桥主塔线形及断面形式的确定原则是：

图2 断面图

图3 钢混凝土结合段构造图

（1）主塔的整体线形及断面尺寸应与景观设计提供的效果图相近。

（2）由于拉索及桥塔均为空间构件，其布置需满足行车道及人行道净宽及净空的要求。

（3）上塔柱截面设计应满足结构受力的要求，同时应满足斜拉索锚固的构造要求。

主塔线形及断面示意图如图4所示。

图4 主塔线形及断面示意图

塔倾角的选取主要考虑材料用量、施工及景观3个方面。从材料数量来看，在索力及索倾角选定的情况下，索塔的材料数量直接取决于塔的倾角。设计对塔的倾角进行了70°、65°、60°3种角度下的材料数量进行了比较，其用量比值为1.7∶1.3∶1。也就是说塔的倾角越大材料用量越少。但从施工方面来看，若用过大的倾角，对于本桥的具体施工条件，必然导致施工难度的增加。从景观上看，倾角过大给人以不稳定感。因此综合考虑，本桥高塔塔柱顺桥向倾角58°，低塔柱顺桥向倾角53°。

本方案高塔塔高134.03 m（桥面上塔高111.63 m，桥面下塔高22.40 m），低塔塔高99.23 m（桥面上塔高76.83 m，桥面下塔高22.40 m）。针对高塔根部尺寸12 m×6 m、端部尺寸7 m×6 m和根部尺寸10 m× 5 m、端部尺寸6 m×5m进行了计算，前者主梁活载挠度16 cm，后者主梁活载挠度18 cm，相对而言单纯提高主塔尺寸对主梁整体刚度提高不明显，且大大增加了自重。因此，高塔与低塔根部固结处高塔单支柱的顺桥向宽度为10.0 m线性变化到端部6 m，低塔与高塔根部固结处低塔单支柱的顺桥向宽度为8.0 m线性变化到端部5 m。高塔与低塔根部固结处横桥向距离65 m，桥面以下部分横桥向宽度由根部9m变化到墩顶5 m，桥面以上横桥向宽度为5 m（考虑到主塔爬模施工）。

3 结语

曹妃甸2#大桥在结构设计时努力将桥梁结构与建筑艺术相结合，因此采用了高低塔无背索斜拉桥结构型式，其主要特点如下：

（1）对于桥面较宽、两侧不等跨径、梁体无索区较长的斜塔斜拉桥，刚构体系是较好的选择。

（2）本工程根据主塔受力特点，高低塔之间采用混凝土箱梁，其余部位采用钢主梁，使得结构受力合理，工程经济性好。

（3）本设计提出部分斜拉桥的概念，即主梁承担部分荷载以弥补塔因景观要求尺寸增大有限的不足是无背索斜拉桥设计的尝试。

（4）本桥采用高低塔无背索空间斜拉桥，是桥梁结构与桥梁美学结合的有效尝试。

（5）桥梁为空间拉索受力结构，限于篇幅，单独成文分析。

经过计算与分析，本桥结构体系是安全可行的，体现了新颖优美的桥梁艺术理念，拓展了斜拉桥结构及建筑型式。

[1]林元培.斜拉桥[M].北京：人民交通出版社，1994.

[2]刘士林，梁智涛，侯金龙，孟凡超.斜拉桥[M].北京：人民交通出版社，2002.

[3]梁志广，李建中，石现峰.斜拉桥施工初始索力的确定[J].工程力学，2000,17(3):121-126.

[4]陈开利，余天庆，习刚.混合梁斜拉桥的发展与展望[J].桥梁建设，2005,35(2):1-4.

U448.27

B

1009-7716（2017）01-0058-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.016

2016-10-08

裴涛（1981-），男，河北唐山人，高级工程师，从事工程管理工作。