戒指造型多塔部分斜拉桥技术研究

华 波 张忠良

(中国市政工程西北设计研究院有限公司 武汉 430056)

九江市八里湖大桥位于八里湖新区，是城市向西的门户桥梁，也是九江市主干道——长虹西大道上横跨八里湖的1座特大型城市桥梁。

桥位处湖面宽约1 300 m，桥面距离湖面高度12 m。从桥梁景观效果考虑，主桥长度确定为430 m，桥型方案采用三塔(戒指形塔)部分斜拉桥。

桥梁全长1 620.9 m，孔跨布置为15×32.7 m(东岸引桥)+(80.55 m+2×132 m+80.55 m)(主桥)+19×32.7 m+3×28 m(西岸引桥)。主桥桥面总宽35.6 m，双向6车道。主桥桥型布置见图1。

图1 主桥桥型布置图(单位：m)

本桥桥型为三塔部分斜拉桥，桥面以上塔高26 m，桥面以下塔高13.9 m，斜拉索竖向倾角17.10°～29.80°。部分斜拉桥也称矮塔斜拉桥，其受力特点介于常规斜拉桥和连续梁桥之间，由于主塔较矮，斜拉索较短，方便施工，在100～300 m跨径范围内具有经济优势。为尽可能提高斜拉索的倾角，发挥拉索效率，通常采用塔内设置整体式集中索鞍，将索塔视为斜拉索的转向点。多塔斜拉桥的受力特点较常规斜拉桥复杂，和常规斜拉桥相比,多塔斜拉桥具有塔多联长的布置形式, 其主要构件索、塔、梁受活载效应和温度效应的影响均会有所增大，如何采用经济的加劲方式提高结构刚度并以合理的构造措施规避温度效应成为多塔斜拉桥结构设计的关键[1-2]。

本桥兼具多塔斜拉桥和部分斜拉桥的特点于一体，设计难点在于选择合理的支撑体系满足结构刚度、降低温度效应和活载效应的需要，同时因主塔造型奇特，需仔细研究主塔的受力情况，确保工程安全。

1 主桥结构体系

从支承体系上看，常规斜拉桥常用的结构体系为漂浮体系、支承体系、塔梁固结体系和刚构体系，而本桥介于常规的斜拉桥与梁式桥之间，是斜拉桥和梁式桥的组合结构体系，一般多采用刚构体系和塔梁固结、塔墩分离体系[3]，见图2。

图2 常用支撑体系

本桥采用三塔结构形式，温度跨径较长(边塔处温度跨径为264 m)，且桥面以下塔墩较矮，仅约14 m。经计算分析，在温度和混凝土收缩徐变作用下，如果采用刚构体系，则边塔塔柱受力极大，难以满足设计要求；如果采用塔梁固结、塔墩分离体系，由于桥面较宽，竖向荷载较大，可达1.2×106kN，现行的支座产品难以满足塔墩处的承重要求。通过对本桥结构受力进行计算、分析比较后，选用了常规斜拉桥中经常采用的刚构-支承体系，见图3。

图3 刚构-支承体系示意图

刚构-支承体系中塔处塔梁墩固结，以增加结构体系的纵向刚度、减少结构位移，边塔处墩梁之间设支座连接，以减少边塔的温度、收缩内力，同时边塔的支座承重大幅度降低，仅需要竖向承载力2.25×106kN的普通支座即可满足使用要求。

2 戒指型主塔

主桥因景观需要采用与常规斜拉桥主塔外形不同的戒指型主塔空间结构见图4。

图4 主塔结构示意图(单位：cm)

空间结构对设计和施工均提出了较高要求。采用空间造型的塔柱，每个截面的尺寸和空间位置均不相同，增加了结构外形控制和塔顶斜拉索定位的难度，设计中比较了混凝土和钢2种主塔材料，考虑到本桥索塔造型复杂，钢结构加工、拼装将十分繁琐，且钢结构与混凝土结构连接处的构造和受力也较复杂，后期维修费用较高，最终选用混凝土主塔材料形式。

主塔外形呈“戒指”造型，桥面以上塔高26 m，采用长轴25 m、短轴18.2 m的半椭圆曲线；桥面以下高度13.9 m，采用半径37.13 m圆曲形。塔柱顺桥向独立布置2片，在塔顶、索区、支座处连接成整体。塔柱顺桥向净距塔底为1.0 m，塔顶为1.4 m。塔柱截面尺寸塔顶为2.0×1.4 m，塔底为5.5×1.8 m。单个主塔布设12根直径2.2 m钻孔灌注桩。

由于上塔柱的椭圆造型，桥面处塔的横向达到最宽，该处与塔底横向弯矩均较大，中塔因塔梁固结，通过上下塔柱相交处设置的预应力混凝土中横梁可抵消大部分弯矩；而边塔由于仅设竖向支座，未设中横梁，经有限元结构分析，边塔下塔柱受力非常大，最大轴力Nd=101 175 kN，对应弯矩Md=248 408 kN·m。

塔柱有限元模型及计算内力见图5。

图5 边塔弯矩分布图(单位：kN·m)

下塔柱巨大的横向弯矩皆因为了兼顾桥梁整体景观而未设置横向系梁导致，设计时曾考虑采用体外拉杆，但因运营后的养护维修和更换较困难而放弃。为了抵抗巨大的塔柱横向弯矩，采用在下塔柱布置竖向体内预应力钢束方案。经计算，下塔柱单侧体内需布置5束15-Φs15.2钢绞线，具体构造措施见图6。

图6 下塔柱预应力构造(单位：cm)

3 主梁

根据部分斜拉桥的受力特点，由于主塔较矮，斜拉索倾角小，通过斜拉索张力能为主梁提供强大的轴向压力和一定的竖向弹性支撑，因而可以有限地降低主梁高度。上部结构的恒、活载主要通过主梁的竖向抗弯刚度承担，斜拉索仅起辅助作用，结构的整体受力性能更接近于梁式桥[4-5]，因此，目前国内外的混凝土矮塔斜拉桥均采用变高度预应力混凝土箱梁，且选择箱室布置在中央的整箱截面，以增加主梁的竖向抗弯刚度。如：漳州战备桥、兰州小西湖桥、江珠高速荷麻溪大桥、日本木曾川桥等。

本桥由于桥面距离水面高度较低，即使采用变高度主梁，视觉仍然会对整体景观造成压迫感。为满足景观效果要求，经过与变高度混凝土主梁的综合比较，选用等高度混凝土主梁；另外，因桥面较宽，结合主塔造型，斜拉索布置在桥梁两侧，主梁采用边箱截面形式，见图7。

图7 主梁断面图(单位：cm)

边箱式主梁梁高2.7 m，横隔梁间距4.5 m，桥面板厚28 cm。主塔根部无索区长18.75 m，边跨无索区长21.2 m，中跨无索区长13.5 m。

边箱式主梁能够提供足够的竖向刚度，同时能够有效地减轻结构自重，但相对于普通整体式箱形主梁，由于边箱梁强大的抗扭转能力使得结构横向受力更为复杂。为研究主梁的横向受力，取5个横隔梁间距梁段为分析对象，采用空间有限元程序midas Civil，建立空间实体有限元模型，计算模型见图8。

图8 主梁有限元模型

通过对桥面最不利活载布置工况的模拟加载，箱梁横向受力分析结果见图9。

图9 主梁横向应力分布

由计算结果可知，主梁在张拉完横向预应力后，边箱左右侧顶板横桥向出现0.4 MPa的正截面拉应力，跨中顶板均为压应力；横隔板边箱附近桥面板最大主拉应力为0.2 MPa，边箱抗扭承载能力满足要求。

4 结论

1) 对多塔部分斜拉桥桥型，选择合理的支撑体系，能够充分发挥主梁的竖向抗弯能力、减小纵向温度效应，有效降低主梁高度，兼顾了技术经济和桥型美观要求。

2) 通过对戒指造型主塔的结构受力分析发现，塔柱在桥面弧线曲率变化处和下塔根部受力复杂，可通过采用工程措施(如增设中横梁或施加预应力等)使结构受力满足需要，必要时应进行精细化的空间实体分析，同时给施工带来了一定的难度。

3) 加劲主梁在满足结构竖向承载的情况下可选择等截面箱梁，能够减轻结构重量。