某非对称独塔斜拉桥总体设计

何成焕,肖 杰，杨立坡

(1.东莞滨海湾新区管理委员会，广东 东莞 523000；2.广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广东 广州 510635；3.天津市政工程设计研究总院有限公司，天津 300341)

非对称独塔斜拉桥的跨径不对称性，更好地适应了城市中小宽度的河道布置，利用主跨作为通航孔，边跨则可以根据桥址建设条件在0.5L～L范围内选择，既缩减了主桥建设规模，工程更加经济合理，同时非对称结构可以在造型上更加新颖独特，因此越来越成为城市景观桥的重要桥型。非对称桥梁在变形及受力规律也与常规桥梁有所差异，本文将以某非对称独塔斜拉桥为研究背景，着重对桥梁的总体、结构体系以及各主要构件进行详细设计，得到该类型桥梁的主要受力特点，可为类似斜拉桥设计提供参考和验证。

1 工程概况

徒骇河大桥(如图1所示)位于聊城经济技术开发区北部，为现状中华路北延工程跨徒骇河的关键性节点工程。

桥梁与徒骇河斜交角度约为40°，河道斜长约为280 m，主桥采用独塔斜拉桥，跨径布置为151.1 m+91.1 m(如图2，图3所示)；中华路跨越滨河大道位置，滨河大道下挖，设置三孔箱体，箱梁全宽为22.2 m。主桥与箱体之间为异形结构，采用无梁板桥。

2 主要技术标准

1)道路等级及设计速度：城市主干路，设计速度60 km/h。

2)桥梁设计使用年限：100 a。

3)荷载标准：城-A级；人群：3.5 kN/m2。

4)桥梁宽度：标准段全宽46 m：2.25 m(人行道)+3.5 m(非机动车道)+1.5 m(拉索锚固区)+0.5 m(护栏)+15 m(行车道)+0.5 m(中央护栏)+15 m(行车道)+0.5 m(护栏)+1.5 m(拉索锚固区)+3.5 m(非机动车道)+2.25 m(人行道)(如图4所示)。

5)地震基本烈度7度，地震动峰值加速度：0.15g。

6)桥下通航净空：中型游艇，徒骇河通航净空为40 m×4.5 m。

3 总体设计

3.1 总体布置

桥梁跨径布置为151.1 m+91.1 m，边中跨比为 0.6。由于较小的边中跨比布置，主梁采用混合梁方案，即主跨采用钢梁，减轻自重，增大跨越能力，边跨采用混凝土箱梁进行配重，钢混凝土混合段设置在主跨距离桥塔6.9 m位置。

在距离边过渡墩39.6 m，即0.435L位置设置辅助墩，以增加边跨的刚度，同时有效改善其受力。

拉索按照扇形布置，其中边跨尾端拉索加密。钢梁跨拉索间距为8 m。混凝土跨拉索间距为5 m和4 m。钢梁跨边墩无索区长度为11.6 m，占跨比为0.08。

边跨过渡墩距离地面高程较低，导致该处无法做高低盖梁连接主桥主梁与引桥现浇板梁。采用梁端设置牛腿解决上述问题。现浇板梁提供635 t重量，亦可对过渡墩起到压重作用。

根据抗震计算[1-3]，过渡墩处设480型伸缩缝，其中桥跨中心线距离主桥梁端及引桥梁端分别为22 cm和4 cm，如图5所示。

主塔处箱梁宽34.5 m，非机动车道和人行道设置在主塔悬臂的平台上，与主梁结构分离，见图6。

考虑主塔桥面距离承台顶较小，该处不采用横梁方案，通过设置牛腿来支承主梁。支座间距为31.3 m。

主塔为钢箱截面形式，左、右塔高分别为103 m和118 m。左右两塔塔座接独立的承台群桩基础。

3.2 结构支承体系

对桥梁支承体系进行了以下3种方案的对比(如表1所示)。

1)塔墩梁固结体系。2)半漂浮体系(仅设竖向支承，纵向未约束)。3)半漂浮体系(固定支座，设竖向及纵向约束)。

表1 不同结构体系结构响应

计算表明，在正常运营阶段，半漂浮体系(固定支座)下，塔底弯矩、梁端及塔顶纵向位移均表现最优。塔墩梁固结体系下则索塔塔底内力最大。

地震作用下，在不考虑减隔震支座参与作用下，索塔内力：半漂浮体系(固定支座)体系>>半漂浮体系(纵活动)体系；梁端和塔顶位移：半漂浮体系(固定支座)体系<<半漂浮体系(纵活动)体系，计算结果见表1。

最终，结合运营阶段受力和地震影响，拟采用的结构体系为：正常使用情况下，塔梁采用纵向约束(即固定支座)，不仅可以有效控制梁端及塔顶的位移，而且主塔受力也较合理；在地震作用下，通过设置合理的减震支座体系(阻尼发生作用)，有效降低塔底弯矩及水平力。

3.3 结构减隔震方案

限于篇幅，仅讨论纵向合理的抗震方案。对于中等跨径的独塔斜拉桥，常用的减震方案有黏滞阻尼器和钢阻尼两种[4-5]，对上述两种减隔震方案下结构的地震响应进行对比分析：

1)纵向固定支座+纵向钢阻尼(桥塔处设置)。

计算比较分析了支座屈服力为2 000 kN～8 000 kN等不同参数以及纵向活动和纵向固定支座下的结构响应，图7为支座阻尼不同屈服刚度下塔底弯矩结果。

计算表明，由于低塔效应(即桥面与承台的距离较塔顶与承台距离比较小)随着纵向钢阻尼刚度增加，其塔底弯矩呈现先减小后增加的趋势，在屈服力为5 500 kN时，塔底弯矩最小。进一步对屈服强度为4 500 kN，5 000 kN和5 500 kN下的结构响应进行对比分析，综合考虑结构受力、梁端位移(控制在20 cm以内)以及阻尼刚度(支座成本)，选取屈服强度为5 000 kN为钢阻尼设计参数。

2)纵向固定支座+黏滞阻尼(桥塔处设置)。

以梁端位移控制在20 cm及以内作为设计参数，阻尼系数c=3 000时，梁端纵向位移为20.1 cm，基本满足要求。

图8为粘滞阻尼不同阻尼系数下塔底弯矩值。计算表明，黏滞阻尼的速度指数变化对塔底弯矩影响不大。速度指数增加，塔底剪力有所减少，位移略有增加，选取α=0.3时，对阻尼系数参数进行比较分析。计算表明，随着阻尼系数增加，塔底弯矩呈现先减小后增加的趋势，与钢阻尼减隔震装置趋势一致。当阻尼系数c=2 000时，综合塔底弯矩最小，但梁端位移也会超过20 cm。最终，综合塔底弯矩、梁端和塔顶纵向位移等因素，黏滞阻尼器选择参数c=3 000，α=0.3。

3)方案比较。

钢阻尼方案和黏滞阻尼方案的计算结果如表2所示。

表2 钢阻尼方案与黏滞阻尼方案计算结果

两种减隔震方案的塔底弯矩及水平力差别不大，但钢阻尼器方案在控制塔顶及梁端位移效果更优[6]。

黏滞阻尼器是速度相关，剪断瞬间速度为零，阻尼器无法实现对地震力的有效控制；而阻尼力取决于位移，固定支座剪断瞬间位移为零，剪断力可平稳过渡到阻尼器。

综上所述，最终确定桥梁减震支座体系为固定支座和桥塔处设钢阻尼器方案为推荐方案。

4)小结。

运营阶段，桥梁结构的约束体系类似于连续梁桥支座体系，确保结构体系为几何静定，结构安全可靠。抗震阻尼器不参与受力。

E1地震时，支座限位耗能螺栓被剪断，非线性钢阻尼部分参与工作，位于弹性变形或处于较低的塑性变形工作阶段。地震后，仅需对耗能部件进行维护和更换即可，必要时，需要对支座进行较小位移的复位。上述原则基于E1地震水平力若由支座承担，则下部基础规模将增加约806 m3，约下部基础总体规模的10%，同时边跨连接墩依然出现负反力。

E2地震时，钢阻尼发生较大的塑性变形，但地震力小于阻尼设计力，阻尼不发生断裂。

3.4 索塔

1)索塔线型分析。

索塔为钢塔，横桥向两塔柱在桥面以上以圆曲线形式朝中间并拢，在塔顶附近设横梁。索塔在桥面以下不设横梁，采用牛腿形式支撑桥面系。

计算表明，通过调整钢塔曲线半径，使得桥塔上半段曲线与拉索合力力臂最小，从而减少拉索产生桥塔外侧受拉弯矩，同时外侧弯矩减小，也必然使得横梁水平力减小，最终塔中和塔底应力均有效减小。

不同圆曲线索塔方案见图9，索塔方案计算结果见表3。在综合桥塔景观及受力因素，最终选取桥塔曲线半径R=350 m。

表3 不同圆曲线索塔

索塔为钢结构，其中左塔高105.121 m，右塔高120.121 m。索塔标准段截面外轮廓尺寸为3 000 mm×3 000 mm，采用单箱单室截面形式；从承台底至21.21 m范围内，桥塔外轮廓采用变截面形式，由上至下采用3 000 mm×3 000 mm(纵向×横向)变化至8 000 mm×3 000 mm(纵向×横向)，塔座设钢-混结合段。

3.5 主梁

由于边主跨跨径比较小，本项目采用钢混组合梁方案，主跨采用钢梁-UHPC薄层轻型组合梁结构，以减轻自重，增大跨越能力；边跨采用预应力混凝土梁增加边跨刚度，并起到重量平衡作用。

主梁采用单箱四室大挑臂断面形式，钢梁与混凝土梁的腹板对齐布置。钢梁梁高3 m(结构中线处)，顶板设置5 cm厚UHPC薄层，组成钢梁-UHPC薄层轻型组合梁结构；混凝土梁梁高3 m，顶板厚30 cm，底板厚25 cm，边腹板需要锚固拉索，厚180 cm；中腹板厚60 cm。箱梁横向悬臂长 575 cm。箱内标准横隔板间距为5 m和4 m，与斜拉索锚固点对应。横隔板在跨中处厚40 cm，在拉索锚固点处厚60 cm。

钢混结合段设置在主跨距离桥塔中线6.9 m位置，钢混结合段长度为2 m，接头传力体系采用填充混凝土后承压板式。在钢梁过渡段中，顶板、底板U肋设置倒T型加劲板进行过渡。为使钢梁与混凝土梁紧密结合，采用纵向预应力钢绞线进行预压连接。

3.6 拉索

拉索采用直径7 mm的低松弛高强度平行镀锌钢丝，钢丝标准强度为1 670 MPa。全桥共34对拉索，扇形布置。全桥拉索根据受力不同，共采用六种不同规格拉索，其中最大规格拉索型号为PES(C)7-163，最小规格拉索型号为PES(C)7-109。拉索与主塔及主梁均采用钢锚箱锚固形式，张拉端设置在主梁处。

3.7 下部结构

索塔基础采用16根直径1.8 m 钻孔灌注桩基础，桩长80 m，矩形布置，横桥向桩间距5 m，纵桥向桩间距4.5 m。

辅助墩墩柱采用矩形片墩，墩柱尺寸为4.5(横向)m×2.8(纵向) m，基础采用4 根直径1.8 m钻孔灌注桩基础，桩长48 m，矩形布置，横桥向桩间距5 m，纵桥向桩间距4.5 m。

边、主跨过渡墩柱采用矩形片墩，墩柱尺寸为4.5(横向) m×2.8(纵向) m，基础采用4根直径1.8 m 钻孔灌注桩基础，矩形布置，横桥向桩间距5.5 m，纵桥向桩间距4.5 m。边、主跨过渡墩桩长分别为48 m 和55 m。

3.8 施工方案

施工方案采用河中搭设施工临时支架施工主梁和主塔，再对称张拉拉索的方案。主梁的施工顺序是先浇筑部分混凝土梁段及钢混结合段附近钢梁，再浇筑剩余节段混凝土梁段，最后拼装钢梁节段形成整体。

4 结语

1)现代城市建设中，非对称独塔斜拉桥因为其较好的经济性以及塔柱可塑造景观造型，使得成为标志性城市景观桥梁采用较多的桥型。2)对于非机动车和人行道较宽的城市斜拉桥，采用大挑臂的箱梁结构可以有较好的经济性，同时对桥面较宽的桥梁，拉索横向锚固在箱梁外侧腹板处，有效减小了拉索横向锚固点距离，提高了桥梁横向刚度。3)对于中等跨径、地震烈度7度区的独塔斜拉桥，半漂浮体系具有较好的运营阶段受力性能，同时可通过合理设置减隔震支座来降低地震效应，宜优先选用。4)本项目正常使用情况下，塔梁采用纵向约束(即固定支座)，不仅可以有效控制梁端及塔顶的位移，而且主塔受力也较合理；在地震作用下，固定支座销子剪断，钢阻尼器发挥其减震消能作用，有效降低了地震对下部结构的作用。运营阶段支座纵向约束，亦能减小钢阻尼在运营阶段反复作用可能产生的疲劳破坏风险。5)本桥已于2021年6月28日正式通车，目前运营状态良好。