独塔双边箱梁斜拉桥总体设计

任政 张超

中铁二院工程集团有限责任公司 四川 成都 610031

独塔斜拉桥因其具有较大的跨越能力和良好的景观效果得到了广泛运用[1]。近年来城市中修建独塔斜拉桥也越来越多，不同于公路桥梁，城市桥梁修建边界复杂，景观需求高，落墩困难，净空受限等外部边界对城市桥梁设计提出了较高要求[2]。本文以广州某独塔斜拉桥为例论述了该桥的总体设计，解决了多项重点难点问题，包括净空受限下采用较小梁高的双边箱主梁设计，狭窄落墩空间里的主塔设计，静动力不同受力需求的合理约束体系的设置，塔墩兼顾景观与受力的镂空设计思路，以及淤泥质土深厚分布的软弱基坑设计方案。本桥为典型受限边界下的城市桥梁，设计中的各种难点可为类似桥梁提供参考。

1 工程概况

广州庆盛枢纽区块为南沙自贸区七大板块之一（功能定位：现代服务业国际合作区），区块位于广州市南沙区东涌镇内，约8平方公里。横一路为城市主干路，双向六车道，设计速度50km/h。横一路主桥为（2×135）m独塔双索面预应力混凝土斜拉桥 ，桥宽28.5m。跨越石排涌、京珠高速、地铁4号线，3组高压输油输气管线，为横一路工程中的重要节点。主桥跨径布置见图1。

图1 独塔斜拉桥总体布置图

2 主要技术标准

道路等级：城市主干道；荷载等级：城—A 级；桥梁宽度：主桥桥面宽28.5m(加上两侧风嘴，梁宽29m)；抗震设防：工程区地震基本烈度为7度，根据地震安评报告，场址地震基岩水平加速度峰值分别为：117cm/s2（100Y10%，重现期941年），167cm/s2（100Y4%，重现期2410年），抗震设防类别为甲类；抗风设计标准：基本风速U10=32.2 m/s，桥梁设计基准风速(主梁基准高度处) Ud=40.8m/s，施工阶段抗风风险系数取0.84。

3 桥梁总体设计

3.1 桥跨布置

本桥位于直线上，跨越石排涌、京珠高速、地铁四号线高架桥、3组高压输油输气管。方案阶段对大跨连续梁、独柱塔单索面斜拉桥、H型塔双索面斜拉桥进行了比选，大跨连续梁及独塔塔单索面斜拉桥因桥下净空受限不予采纳，最终确定了双索面斜拉桥方案。全桥分为西引桥、主桥、东引桥。全桥跨径布置为25+(25+2×20+25)+4×25+4×25+(2×135m)+5×25+25m，主桥采用2×135m独塔双索面预应力混凝土斜拉桥，采用半飘浮体系，塔墩固结、塔梁分离，主梁在索塔下横梁上设置竖向支承，交界墩上设置竖向支承。桥型布置见图1。

3.2 桥面布置

主桥横断面布置为：1.5m（检修道）+0.5m（防撞护栏）+11.5m（桥面行车道净宽）+0.5m（防撞护栏）+0.5m+0.5m（防撞护栏）+11.5m（桥面行车道净宽）+0.5m（防撞护栏）+1.5m（检修道）=28.5m。

4 结构设计

4.1 主梁

主梁采用预应力混凝土双边箱梁，标准梁段中心梁高2.7m，双边箱宽8.5m，箱室内顶板厚0.3m，箱室外顶板厚0.3m，直腹板厚0.4m，底板厚0.35m；边跨18-19号梁段腹板加厚至0.6m。主梁采用后支点挂篮悬臂浇筑，标准悬浇段长6m，边跨端部现浇段长7.14m，跨合龙段长2.0m。主梁横梁厚度0.4m，为了满足横向布置预应力的需要，通过马蹄形式过渡，箱内横梁设置检修过人孔。中横梁厚2m，边跨端横梁厚2m。主梁标准段典型横断面图见图2。

图2 主桥标准段典型横断面图

4.2 桥塔

索塔采用花瓶型桥塔，由下塔柱、中塔柱、上塔柱、上横梁和下横梁组成，塔柱及横梁采用C55混凝土。索塔高83.5m，其中上塔柱高44m，中塔柱高30.2m，下塔柱高9.3m。塔柱采用矩形空心截面，四角设置100×20cm倒角，上塔柱横桥向宽3.5m、壁厚0.8m，纵桥向宽6.0m、壁厚1.2m；中塔柱横桥向宽3.5m、壁厚0.8m，纵桥向宽6.0m、壁厚1.2m；下塔柱横桥向宽38～29.9m，纵桥向宽6.0m。

上、下横梁均为预应力混凝土结构，采用矩形空心截面。上横梁纵桥向宽4m、壁厚0.9m，竖向高3～4m、壁厚0.6m；下横梁位于板墩顶，为实心截面，纵桥向宽4m、壁厚1m，竖向高2.5m，桥塔结构见图3。

图3 桥塔构造

4.3 斜拉索

斜拉索采用M280型环氧喷涂钢绞线斜拉索体系，钢绞线标准强度1860MPa。拉索体系主要构成为锚固段、自由段、过渡段三部分组成。本项目张拉端设置于索塔上，锚固段设置于主梁上，拉索采用无粘结型拉索。索塔上索距从上到下分别为17个1.75m，1个2m，1个2.5m。梁上索距横桥向为26.5m，在垂直桥面高度8m范围以内，拉索设置有防火系统。对于Z14-Z20、Y14-Y20斜拉索,在靠梁端设置外置阻尼器。斜拉索总装配图见图4。

图4 斜拉索总装配图

4.4 下部结构设计

索塔承台采用八边形截面，横桥向长33.6m，顺桥向宽12.28m，厚4.5m，封底混凝土厚度为20cm。承台采用C40混凝土，封底混凝土采用C30混凝土。索塔承台下承接了19根直径2.2m的桩基，桩间距5m，桩基采用C35水下混凝土，承台平面图见图5。

图5 承台平面图

5 结构分析

5.1 计算模型

整体计算采用大型通用有限元软件midas civil建立空间模型进行分析，主梁采用梁单元，拉索采用桁架单元，采用恩斯特修正弹模法以考虑拉索垂度效应。计算模型见图6。

图6 计算模型

5.2 计算荷载

计算荷载包括自重、二期恒载、混凝土收缩徐变、支座沉降、汽车荷载、温度作用（体系温度＋梯度温差）、风荷载（组合风、百年极限风）、制动力等作用效应。

荷载组合包括组合一：恒载；组合二：恒载＋汽车荷载；组合三：恒载＋汽车荷载＋温度＋组合风＋制动力；组合四：恒载＋百年极限风。

5.3 结构验算

(1)刚度验算：经计算，活载作用下主梁正负竖向挠度绝对值之和为0.12m＜L/500=0.27m，该桥竖向刚度满足规范要求。

(2)斜拉索验算：成桥阶段基本组合下斜拉索最大应力为763MPa≤1005MPa，斜拉索设计满足规范要求。

(3)混凝土梁验算：频遇效应组合作用下，主梁下缘最小压应力1.4MPa，主梁上缘最小压应力0.15MPa，未出现拉应力。标准值组合下，主梁下缘最大压应力为15.28MPa，上缘最大压应力为15.42MPa，最大主压应力为15.6MPa，均满足相应规范要求。

(4)索塔验算：选取主塔柱6个典型位置、位置处截面进行验算，分别进行正截面承载能力验算以及抗裂验算。计算结果表明，索塔正截面承载能力均满足要求且有一定富余，主塔柱安全系数≥1.6，同时塔柱截面作为偏压构件均能满足eo/h≤0.55，按规范可不进行裂缝宽度验算。

(5)抗震验算：采用反应谱及时程进行计算，结果表明采用减隔震设计后地震作用下结构均处于弹性状态，受力满足要求。

6 设计难点及措施

6.1 狭窄落墩空间与索塔设计

本桥索塔位于京珠高速与地铁四号线之间的狭窄地带，索塔承台平面布置困难，设计时首选独柱塔以便基础布置，但因独柱塔主梁会采用大悬臂梁，梁高较大不能满足桥下净空需求，因此只能采用双柱H型索塔，且不能像传统双柱式H型塔那样的直上直下，因为基础受限。为了解决此问题，设计时桩基采用梅花型布置，承台采用消角的八边形以减小平面尺寸。

6.2 下塔柱板墩兼顾力学与景观的镂空设计

本桥下塔柱设计时优先考虑内倾的双柱式塔肢，但因下塔柱较矮，横桥向尺寸较宽，框架效应明显，下横梁预应力钢束张拉引起很大的次内力，预应力钢束效率低，因此采用了更优的板墩方案。

板墩设计时为了兼顾景观及受力采用了镂空设计。镂空区域的大小根据Ansys软件建立实体模型进行分析，将受力较小的区域进行扣除。

6.3 下塔柱板墩顶横梁兼顾施工及运营阶的钢束张拉设计

本桥下塔墩顶2.5m高度范围内为下横梁，其不仅承受中塔肢向外的推力还承受支座传递的竖向力，属于拉弯构件，又因位于应力绕动区，受力复杂，因此根据实体计算布置了大量的预应力钢束。因挂索前下横梁受力较小，因此不能将钢束全部张拉，否则塔柱底外侧将出现较大拉应力，不能满足要求。为了兼顾施工及运营阶段的受力需要，下横梁钢束采用两次张拉，在施工至下横梁时张拉第一批钢束，然后施工至扣挂5号斜拉索时在张拉剩余钢束。

6.4 高烈度长特征周期抗震设计与静力设计不同的边界需求

本桥因位于出海口冲击平原，软土分布深厚，特征周期长，峰值加速度大，结构的更多振型周期位于反应谱曲线[3]平台段，结构地震响应强烈，抗震控制结构设计。总体设计时从抗震角度出发选取了半飘浮体系以便在塔梁之间设置粘滞阻尼器进行消能减震[4]，阻尼器要发挥作用势必要求塔梁间纵向不能固定，但这种边界对于静力工况如制动力或顺桥向风荷载作用时，梁端将产生过大位移，伸缩缝宽度需求大且容易损坏。因此为了兼顾静动力不同的边界需求创新提出了熔断球钢支座配合粘滞阻尼器方案。熔断球钢支座通过设置限力挡块以适应不同的状态需求，静力工况时支座所受的水平力较小，支座处于固定状态，地震作用时支座所受水平力较大，当水平力大于设定的阀值时限位挡块断掉，支座处于活动状态，此时阻尼器能够发挥消能减震作用。

6.5 位于既有高速路基边坡且与既有高架桥桥墩相聚较近的基坑设计

本桥桥塔位于京珠高速与地铁四号线高架桥之间的狭长地带，且桥塔承台并不顺狭长地带走向布置，承台长边与狭长地带走向间夹角为22度。承台平面西南角已进入京珠高速路基边坡范围，东北角距离地铁四号线高架桥墩6m，距离高架桥投影面外3m安全距离线仅2.1m，因此承台开挖需要进行基坑支护才能保证京珠高速路基的稳定及地铁高架桥桥墩的稳定。

本基坑长度36.1m，基坑宽度14.75m，基坑深度范围3.36～4.76m。基坑内淤泥质土分布深厚，因此采用直径1m间距1.2m的钢筋混凝土灌注桩及冠梁作为支护结构。支护桩外侧设置直径0.7m间距0.5m的单轴搅拌桩用于止水，支护桩内侧的基坑范围内设置直径0.7m间距0.5m的单轴搅拌桩用于被动区加固。

基坑南侧已进入京珠高速下穿的人行通道八字墙范围，因此基坑设计时考虑施工措施与永久结构相结合将既有八字墙拆除，新作基坑支护墙用作人行通道的八字墙，如图7。

图7 基坑支护平面

7 结论

广州横一路主桥为独塔预应力混凝土梁斜拉桥，主梁采用双边箱断面，主塔采用带镂空板墩的异形H形索塔，结构体系为半漂浮体系。经计算分析，结构的各项设计指标均满足规范要求。该桥为典型的城市桥梁，边界复杂，受控因素较多，该桥总体设计中解决了多项重点难点问题，如熔断球钢支座配合粘滞阻尼器方案解决静力、抗震不同阶段的受力需求；临近既有桥墩的软基基坑加固方案等。该桥的设计将结构美观性与受力合理性很好地结合在一起，其构造设计思路及难点重点问题可对类似桥梁提供借鉴作用。