门式独塔自锚式悬索桥总体设计

文/邓锦平 谢雪峰 华龙海 黄思勇

1 工程概况

赤水湾大桥位于河北省涉县赤水湾景区，上跨清漳河，道路等级为城市次干道，设计速度40 km/h，汽车荷载为城-A级；设计洪水频率为100 a一遇，桥位处地震动峰值加速度为0.1g，地震动反应谱特征周期为0.4 s。

2 桥型选择

2.1 基本原则

1）在满足桥上使用功能和桥下泄洪、防洪要求的前提下，力求桥梁造型新颖，选用技术上可靠、经济上合理和施工上可行的方案。

2）在考虑满足结构受力安全性的同时，还要充分重视景观设计，力争造型美观，在总体上与周围环境协调、配合，将大桥建设成为标志性建筑。

3）考虑百年一遇的洪水控制桥面最高标高并且控制桥面纵坡在2%以下，以利于非机动车上下桥。

2.2 方案选择

清漳河河谷地貌的显著特点是河漫滩宽度较大且桥位西侧紧邻219 县道与将军大道的平交口，受地形的限制，桥梁距河底不能高太多。综合建设方需求及桥位特点，对独塔自锚式悬索桥、下承式钢桁架拱桥、独塔斜拉桥3 个方案进行了综合比较，最终选择独塔自锚式悬索桥作为本桥的实施方案，桥塔采用庄重的中式门塔造型，整体颜色采用红色，见图1。

图1 桥梁效果

3 设计要点

3.1 桥型布置

主桥为独塔双索面自锚式悬索桥，跨径布置为129 m+40 m+40 m+30 m，全长239 m，边跨设有一个辅助墩。桥梁上跨主河槽后与现状刘张公路平交，主跨侧不具备设置锚跨条件，因此主缆在主跨侧直接锚固在钢箱梁上。

为降低工程造价，主跨129 m 加劲梁采用分离式钢箱梁断面，40 m+40 m 边跨及30 m 锚跨采用混凝土整体式箱梁断面，钢混凝土结合面设置在主跨内距主塔中心线3.5 m处。见图2。

图2 桥型立面布置

3.2 主梁

主梁顺桥向总体布置：125.4 m（钢箱梁）+3.5 m（预应力混凝土段）+40 m（预应力混凝土梁边跨）+40 m（预应力混凝土梁边跨）+30 m（预应力混凝土梁锚跨）。

主跨加劲钢梁顶面宽32 m，标准断面为4个封闭式箱形截面，两侧外挑2.8 m悬臂，设1.5%的桥面横坡，梁底水平，桥梁中线处梁高2.0 m。吊杆横桥向间距为18 m，锚固于钢箱梁之间的吊点横梁上[1]。见图3。

图3 钢梁横断面

边跨为2×40 m 预应力混凝土连续箱梁，道路设计中线处梁高1.97 m，采用单箱八室断面，混凝土箱梁腹板与主跨钢梁腹板一一对应。箱梁顶板宽32 m，底板宽26.4 m，两侧悬臂各长2.8 m，与主跨钢梁外轮廓保持一致，桥面横坡通过调整腹板高度实现。边跨连续梁箱梁顶板厚22 cm，底板厚20 cm，跨中腹板厚50 cm，支点处腹板加厚至70 cm。每个吊杆处均设置吊点横梁，宽0.8 m，预应力混凝土结构。

主缆锚固在主梁上，巨大的缆力通过锚固构造传递到整个箱梁断面，因此锚固构造为本桥的关键构造[2]。

主跨主缆锚固构造采用格构式全钢结构形式，为保证必要的锚固空间，锚固区钢箱梁梁高增大为2.5 m。梁端14.8 m长梁段采用整体式钢箱断面。主缆后锚板为100 mm的抗层状撕裂钢板，锚板斜置与主缆中线正交。在锚板后面设置十字交叉的格栅板，与钢箱梁腹板及顶底板焊接。见图4。

图4 格构式全钢锚固构造

边跨主缆锚固在混凝土箱梁上，锚垫板与锚固端板之间沿主缆轴线距离为5 m。两板之间设置φ245 mm×10 mm 索股预埋钢导管，在桥梁左右侧对称布置。主缆入梁部位采用梁体开槽的做法，根据散索套与散索鞍基座结构尺寸的不同以及入梁角度的不同分别设置不同的槽口尺寸。

根据局部分析计算模型，钢箱梁锚固区总体应力状况均满足规范要求，其中锚固区是应力较大的区域。

为保证钢箱梁与混凝土之间的可靠连接，平衡结合段处的弯矩、剪力，在钢混结合处设置一块60 mm厚的抗层状撕裂钢板。过渡段钢箱梁采用“U”肋上加焊“∏”形加劲的方式，过渡段箱梁长5.3 m，顶板厚20 mm，底板厚20 mm，腹板厚20 mm。

为保证混凝土梁及钢梁之间的剪力传递，同时防止钢板与混凝土之间的剥离，在钢箱梁顶、底板上加焊PBL传剪板，腹板延伸段设有PBL剪力键，边腹板和承压钢板上布置了圆柱墩头剪力钉[3]。见图5。

根据实体分析模型，钢混结合段的钢箱梁部分的整体应力水平一般在50 MPa以下，在PBL板与横隔板以及腹板与横隔板局部焊接接缝处会出现应力集中现象，出现149 MPa 的集中应力。混凝土段除去边界段因为约束的影响导致应力集中外，均处于6 MPa 以下。钢混结合段的混凝土与钢板连接的角点处存在应力集中现象，出现6 MPa左右的拉应力，钢混结合段的其余部位的应力水平均在3 MPa以下。结构设计时在应力集中部位增开振捣孔，确保该处混凝土的振捣密实。

图5 钢混结合段构造

3.3 缆索系统

1）主缆。全桥共设2 根主缆，横桥向的中心间距为18 m。主缆计算跨度为121 m+73 m，综合考虑全桥的刚度并尽量减小主缆锚固对梁产生的上拔力，通过比选[4]，主跨主缆理论垂度为9.68 m，矢跨比为1/12.5，边跨主缆理论垂度为3.049 m，矢跨比为1/23.94。主缆采用预制平行钢丝索股，每股由127 根直径为5.4 mm 镀锌高强钢丝组成，钢丝标准抗拉强度≮1770 MPa，单根索股平均无应力长度约228 m，最长索股质量5.3 t。每根主缆由19 股索股组成，主缆空隙率在索夹内取18%，索夹外取20%，索夹外主缆直径为296.6 mm。

2）吊杆。因本桥主缆直径较小，吊索不宜采用钢丝绳，而采用了平行钢丝，顺桥向间距8 m。每一个吊点（一个索夹）设1根吊索。吊索上端与索夹采用销接式连接，下端与主梁的连接采用了锚于吊杆横梁上的套筒承压式。

3）主索鞍。采用全铸式结构，鞍槽内设竖向隔板，厚5 mm；鞍槽总宽320 mm。在索股全部就位后，顶部用锌块填平，再将鞍槽侧壁用拉杆夹紧。座板顶面在鞍座两侧设有纵向导向肋，保证索鞍顶推不发生偏转。

4）索夹及散索套。均采用上下对合的结构形式，用高强螺杆连接紧固。

3.4 主塔设计

主塔为钢筋混凝土门式结构，由下、中、上塔柱及上、下横梁5 部分组成，均采用C50 混凝土。塔高（从承台顶面算起）为57.58 m、桥面以上塔高为45 m，主塔塔柱设计为等截面直塔柱，单侧主塔横桥向宽为11.2 m、顺桥向宽为6.0 m。主塔侧面布置有直径10 cm、间距3 m的通风孔，通风孔向外、向下倾斜。

自承台顶至下横梁顶为下塔柱，高10.13 m，单侧主塔横桥向等宽11.2 m、顺桥等向宽6.0 m，采用单箱单室截面，壁厚为2 m，塔柱底设置2.0 m实体段。

下横梁顶至上横梁顶为中塔柱，中塔柱高37.95 m。自上横梁顶往上14.25 m，单侧塔柱由下塔柱的单箱单室截面变化为4个2 m×2 m的实心小柱，小柱最外侧角点与下塔柱对齐。小塔柱上设置有2 m厚横隔板，横隔板之上，主塔截面又恢复至单箱单室的截面形式。其中，主缆下的内侧塔柱壁厚为2 m，塔柱外侧壁厚0.8 m，顺桥向塔柱壁厚0.7 m。小塔柱上方的横隔板中设置有人孔，塔柱日常检修可通过设置于塔壁的爬梯由此进入主塔内部。

上塔柱高9.5 m，为主塔景观装饰区，塔顶景观装饰采用钢结构。

3.5 下部结构

桥位处河床质属第四季沉积物，河漫滩冲积物由砾石层和砾石砂层组成，夹有少量含砂黏土，地基承载力比较好。桥梁基础采用钻孔灌注桩，桩尖置于卵石层中，采用摩擦桩设计。桥台采用钢筋混凝土U型桥台与清漳河主河槽挡墙顺接。

3.6 抗震设计

根据CJJ 166—2011《城市桥梁抗震设计规范》，悬索桥属于甲类桥梁，要求在E1地震作用下基本无损伤；在E2地震作用下，只可发生混凝土裂缝开裂过大，截面部分钢筋进入屈服等轻微损伤，地震后不需修复或简单修复可继续使用。

赤水湾大桥为纵向漂浮体系，其纵向刚度较小，纵向地震反应较大，需要设置粘滞阻尼器来减少结构的地震反应，保护主要受力构件[5]。

在塔梁交接处设置两个阻尼力为3200 kN、行程±150 mm的粘滞阻尼器后，桥塔弯矩及剪力均明显减小，塔顶和梁端位移也明显减小。

4 施工组织

自锚式悬索桥采用先梁后缆的施工顺序，主梁安装时采用支架安装，可利用桥位处的临时道路作为支架的基础[6]。主桥施工顺序：主梁、主塔施工→缆索系统施工准备工作→安装塔顶施工门架及起重系统→安装索鞍下座板→吊装主索鞍→架设施工猫道→安装牵引系统及导向滚轮→架设主缆索股→调整主缆线形及锚跨拉力→紧缆→安装索夹、散索套→转换改挂猫道→安装并张拉吊杆→索夹螺栓紧固→桥面二期恒载施工→安装张拉吊杆、桥面二期恒载施工期间分阶段顶推主索鞍→索夹螺栓紧固→主索鞍锁定→缆索系统防护→安装主缆缆套及检修道→安装主索鞍鞍罩→密封鞍罩及锚跨锚室→进行缆索系统的统一防护涂装→安装景观照明及避雷设施等→拆除猫道。

5 结语

结合建设条件、地形、水文、地震等条件，赤水湾大桥设计时对该桥的主梁、主塔、主缆及其锚固方式、抗震性能进行了分析研究，为今后类似桥梁的设计提供技术参考。