浅析拱形桥塔斜拉桥设计

黄晟

摘 要 与传统斜拉桥桥塔不同，本斜拉桥采用拱形桥塔。本文以该桥为例，介绍半椭圆拱形塔斜拉桥的设计。针对结构的特点建立空间有限元模型，结构计算分析表明：该桥各主要构件受力、刚度及整体稳定性均满足规范要求。该桥的成功建设可为同类桥梁设计和施工提供范例。

关键词 斜拉桥;拱形桥塔;π型截面;桥梁设计

1工程概况

本项目位于安徽省临泉县城南新区，是临泉县城未来发展的主要方向，以高品质居住、公共服务为主的城市新区。

桥梁位于县城南北向中轴线主干道上，是南向入城的门户。桥梁跨越公园景观水系，景观要求较高。

桥梁采用独塔斜拉桥，跨径组合：2×84m，橋塔采用拱形结构，截面为多边形，从根部到塔顶截面逐渐变化，塔与梁固接。拱形门整个结构线性流畅，结构美观，有拱门迎宾的感觉，桥梁建成后，与公园景观相融合，必将成为临泉地标性建筑[1]。

2主要技术标准

（1）道路等级：城市主干道;

（2）设计行车速度：60km/h;

（3）设计荷载：城—A级，人群荷载为4.0kN/m;

（4）桥梁横断面布置：3.0m人行道+4.5m非机动车道+4.0m拉索区+23.0m机动车道+4.0m拉索区+4.5m非机动车道+3.0m人行道，全宽46m;

（5）设计洪水频率：防洪排涝水位33.7m;

（6）桥梁结构设计基准期：100年;

（7）设计安全等级：I级;

（8）地震设防标准：地震动峰值加速度为0.05g，对应地震基本烈度为6度。桥梁设计按照7度设防;

（9）通航条件：不通航。桥下可满足公园小型游船通行[2]。

3桥梁结构设计

3.1 桥梁总体设计

桥梁全长175m，主桥采用2×84m预应力混凝土斜拉桥，塔梁固接，桥塔采用椭圆形拱形塔，主梁采用π型截面，桥面全宽46m，桥梁与河道正交。桥下净空满足公园小型游船和人行绿道通过要求。

3.2 桥梁结构设计

（1）主梁。桥梁上部结构主梁采用π型截面，双边梁中心处高度2.568m，标准段宽度3.0m，主梁分别在端支点和中支点加宽处理，主梁宽度从3.0m变化到5.5m。

全桥横梁分为三种，主墩处中横梁、桥台处端横梁及拉索区中横梁，横梁顶面1.5%横坡。主墩处中横梁横桥向长度46m，高度4.0m，宽度4.0m，底面水平;桥台处端横梁横桥向长度46m，高度2.77m，宽度1.8m;拉索区中横梁横桥向为倒梯形，顶面宽度46.0m，底面宽度38.0m，顺桥向厚度0.55m。桥面板厚度28cm厚，为单向板。

主梁按照全预应力构件设计，横梁按照预应力A类构件设计。

（2）主塔。主塔采用拱形独塔，布置在两侧分隔带上，塔高54.5m，塔身设置鞍座以便拉索顺利通过，主塔顺桥向从根部5.5m变化至塔顶的3.5m，横桥向宽3.5m，塔间距离27.0m，塔上斜拉索理论竖向间距2.0m，横向双排布置。

（3）斜拉索及鞍座。本桥拉索布置为空间双索面，两侧双排布置共计52对拉索，主桥梁上基本索距5.8m，塔上索距为2.0m。拉索倾角为26.4度～55.6度。

鞍座采用矩形分丝管形式。

（4）下部构造。桥墩采用矩形实体墩，纵桥向桥墩尺寸5.5m，横桥向单支墩厚4.5m，双墩间距27.0m，墩高6.5m;墩下为承台接群桩基础，承台厚度5.0m，顶部1m厚度为棱台，顶面尺寸为6.5m×6.5m，下面4m为等截面，平面尺寸为18.6×18.6m;承台下为16根直径2.0m钻孔灌注桩基础，桩基按摩擦桩设计。

桥台采用常规的U型，盖梁为矩形断面。桥台承台厚2.0m.桥台承台下接14根直径为1.5m钻孔灌注桩基础，桩基按摩擦桩设计。

（5）支座和伸缩缝。支承采用球型钢支座，支座型号为QZ 150000GD/DX、QZ 12500DX/SX。

伸缩缝采用单元式多向变位梳齿板伸缩缝，伸缩缝型号为KF160。

（6）桥面铺装。桥面铺装为4cm厚细粒式改性沥青+6cm厚中粒式沥青混凝土+8cm厚C40防水砼。

（7）接地防雷系统。塔顶安装一套主动式早期预放电避雷系统。

（8）抗震措施。桥台和主墩梁底处设侧向抗震挡块。在伸缩缝处，梁与台、梁与梁之间设置缓冲橡胶块。

4结构分析计算

4.1 模型建立

采用Midas来验算分析主桥纵向受力情况。

采用桥梁博士来验算分析主塔横梁、拉索区中横梁、桥台处端横梁。其中拉索区横梁区分最大和最小索力计算。

4.2 主要计算结论

计算按有关规范对各种作用进行不同组合，对结构的持久状况承载能力极限状态、持久状况正常使用极限状态、短暂状况构件的强度和刚度分别进行了计算，结果表明，桥梁各项指标均满足《规范》要求。主要指标如下：

（1）主梁承载能力极限状态验算。正截面承载能力极限状态下满足强度要求，主梁（半跨）弯矩及抗力包络图如下：

（2）主塔验算。基本组合作用下主塔弯矩包络图如下：

主塔最不利截面计算配筋率0.2%，设计配筋率0.33%。最大裂缝0.145mm。

5结束语

本桥拱形桥塔在结构上仿生于“蛋壳受力”的力学原理，提炼于生活中简单事物，赋予桥梁设计之中。针对结构的特点进行计算分析，该桥各主要构件均满足规范要求。该桥的成功建设可为同类桥梁设计提供范例。

参考文献

[1] 周先念.桥梁方案比选[M].上海：同济大学出版社，1997：51.

[2] 刘志林，王似舜.斜拉桥设计[M].北京：人民交通出版社，2006：101.