双斜塔无背索斜拉桥桥塔设计

武余波

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司;公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

六安市寿春西路桥西岸起于六安市景观大道，与景观大道十字平交，向东跨越淠河，与淠河北路十字平交。根据建设部门规划，寿春西路桥定位为城市大型景观桥梁，景观设计需做到“一桥一景、亦桥亦景”，建成后桥梁需成为城市地标性建筑，提升城市形象的名片，成为一道靓丽的城市风景。

按照桥梁定位及设计目标要求选取了“V”形塔无背索斜拉桥，该方案构思巧妙、造型新颖，不同角度均有较强的空间景观效果，侧视两塔肢如张开双臂，欢迎八方来客，平视拉索交叉设计，体现了淠河两岸协同发展、共同繁荣，正视为“V”字造型，如图1所示，象征“VICTORY”，胜利之门。

图1 “V”形塔无背索斜拉桥总体效果

道路等级为城市主干道，主桥采用(108+70)m“V”型双斜塔双索面斜拉桥；主梁采用钢-混梁，梁高3.0 m，宽度47.0 m；塔柱采用矩形塔，主塔上塔柱高70 m，副塔上塔柱高50 m，下塔柱高约18.5 m，塔柱顺向倾角58°，主塔横向倾角10.7°，副塔横向倾角13°。主跨及边跨侧均设置8对斜拉索，斜拉索采用竖琴型布置，梁上索距9.0 m，塔上索距3.0 m。主墩基础为承台接群桩，桩基为20根直径2.0 m钻孔端承桩。塔、梁均采用支架施工，主桥结构总体布置如图2所示。

图2 主桥总体布置(单位：cm)

1 桥塔设计

1.1 材料选取

首先确定主塔材料，常规斜拉桥主塔可采用混凝土塔、钢塔，对于斜塔无背索斜拉桥，塔柱重量主要由单侧索力平衡，若塔柱采用钢塔，重量较轻，平衡塔柱重量索力极小，极小索力的拉索对主梁竖向支承作用几乎可忽略不计，不利于主梁受力，所以大部分无背索斜塔斜拉桥索塔均采用重量较大的混凝土塔以利用平衡主梁，提高斜拉索效率，本桥最终仍选择采用混凝土塔方案以提高拉索效率。

1.2 施工可行性

对于本桥双向倾斜索塔，塔高主要受施工因素影响，当塔高较高时，斜拉索倾角较大，效率较高，但双向倾斜的高索塔稳定问题较大[1]，施工措施费大量增加[2]，且塔柱刚度较小，施工定位及变形控制难度都成倍增加，考虑施工影响，塔柱高度不宜太高，经吸取国内类似斜塔无背索斜拉桥设计经验，综合考虑斜拉索倾角及塔柱施工因素，最终选取主塔上塔柱高度70 m，副塔上塔柱高度50 m。

1.3 桥塔设计

顺向塔柱倾角主要受斜拉索效率影响，相同塔柱截面尺寸，塔柱倾角越大，平衡塔柱重量斜拉索索力越大，效率越高，但过大的塔柱倾角不利于施工及结构整体景观比例，经综合比选，本桥塔柱顺向倾角最终选取58°。塔高确定后，塔柱横向倾角即可确定，本桥主梁较宽，按线路功能要求，机非分隔带宽度需达到4.0 m，改有利条件为塔柱空间提供了“免费”的锚索区范围，塔柱及斜拉索置于机非分隔带位置既不影响行车安全亦无须增加费用。横向倾斜对索塔受力极为不利，使塔柱产生较大的横向弯矩，该横向弯矩必须在结构受力允许范围，经综合考虑，主塔横向倾角最终确定为10.7°，副塔倾角最终确定为13°，因考虑主、副塔拉索需穿越对方索塔交叉布置，为避免冲突，副塔稍矮，横向倾斜角度稍大。

索塔尺寸一方面需重点考虑结构受力需要，顺向受力方面，增大索塔尺寸利于提高拉索索力，增大拉索效率，但增大索塔尺寸后横向易产生较大的弯矩，不利于横向受力，塔柱尺寸需综合考虑纵、横两方向受力；同时，塔柱尺寸受结构整体布局影响，尺寸较大时结构显得笨重，严重影响结构协调，美观。经技术、美观两方面综合考虑，塔柱最终尺寸为横桥向主、副塔宽度分别为2.0 m、2.8 m，顺桥向主副塔均采用变截面，由塔顶2.5 m宽度变化至塔根5.0 m宽度。

2 拉索设计

斜拉桥拉索分布主要有竖琴形和扇形两种形式，大跨斜拉桥一般采用扇形布置，小跨斜拉桥一般采用竖琴形布置，竖琴形斜拉索用量稍大，但景观效果较好。

两种布置方式受力情况如图3、图4所示。

图3 竖琴形布置受力图示

图4 扇形布置受力图示

参考国内外类似桥梁设计[3-6]，当拉索竖琴型布置于整个塔身时，每一节段塔身重量均可由拉索平衡，塔身受力较为合理，产生较小的弯矩，顺向主要以受压为主。当拉索扇形布置时，大部分拉索锚固于塔顶部位，塔柱下侧无索区无相应斜拉索平衡，塔身不但受轴向压力，而且存在较大弯矩，且本桥塔横向亦为倾斜，横桥向为竖向梁式受力，产生较大的横向弯矩，塔身受轴压、纵、横向弯矩作用，受力较为复杂，构造亦难处理。有鉴于此，考虑塔身受力，国内外较多斜拉桥均采用竖琴型布置，本桥经比选论证后亦采用竖琴型布置，主塔设置8对斜拉索，副塔亦设置8对斜拉索，梁上索距9.0 m，塔上索距3.0 m，斜拉索倾角21.5°，副塔下端3对斜拉索主要锚固于塔根位置，对梁体受力影响较小，但有对副塔受力及变形调整极为有利，便于改善副塔受力。

3 结束语

寿春西路桥为六安市标志性建筑，大型景观斜拉桥，方案构思巧妙，造型独特，空间立体感较强；本文从材料选择、施工可行性、结构受力合理性等角度进行了了主桥塔柱设计、拉索设计细部方案论述，经技术、经济、施工、美观等各方面详细比较后提出了桥塔方案，确定了桥塔造型，该造型传力明确、构造合理，景观较佳。该桥分析设计思路可为后续同类型桥梁设计提供参考。