独塔不对称斜拉桥——谷河特大桥结构设计分析

毛攀，方正东 （1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088）

1 总体设计

桥梁平面位于圆曲线（起始桩号为K30+253，终止桩号为K31+569，半径6000 m，右偏），桥梁纵断面设计主要考虑的因素有航道的通航净空尺度要求、大堤净空要求、最高通航水位、路线纵坡、台后填土高度等。

拟建桥梁航道高程控制。航道等级为天然和渠化河流Ⅵ级航道，设计最高通航水位28.68 m，按照通航净空高度控制在设计最高通航水位以上不小于8.00 m 的要求，因此通航孔范围内梁底高程在运营情况下不得低于36.68 m。

主桥为独塔不对称斜拉桥，跨径布置为130 m+95 m。桥梁横断面布置为1.25 m（锚索区）+0.50 m（护栏）+11.75 m（行车道）+0.50 m（护栏）+1.00 m（中分带）+0.50 m（护栏）+11.75 m（行车道）+0.50 m（护栏）+1.25 m（锚索区），因此全宽为29.00 m。

主梁为组合梁，钢主梁采用“工”字型，桥面板预制，通过湿接缝现浇形成整体；塔柱采用矩形塔，高97.4 m，主跨及边跨侧均设置12 对斜拉索。过渡墩采用柱式墩接盖梁，塔柱及桥墩采用承台接群桩基础，桩基采用钻孔灌注桩，按摩擦桩设计。

2 结构设计

2.1 主纵梁设计

主梁是由“工”字型纵、横梁及小纵梁通过各种形式连接而组成的钢结构框架。桥面系采用预制混凝土桥面板，湿接缝采用现浇收缩补偿混凝土，架设于钢梁之上，通过与钢梁的剪力钉连接，形成组合梁结构，主梁全断面宽度为29.0 m，工字梁高度为3.0 m，两钢纵梁梁肋间距为28.1 m。

全桥断面上共设置两片钢纵梁，根据结构受力分布、运输安装设备及方案、现场实际条件及架梁工艺与计划安排等因素，全桥纵梁共划分为7 类（编号为A～F），标准梁段长9.6 m。钢纵梁腹板外侧均设置有纵向加劲肋，断面全高3.0 m，塔梁结合段增加至4.0 m。

横梁两端支承在两片钢纵梁上，计算跨度为27.2 m，横梁均采用“工”字型断面，标准段横梁上翼缘板宽度600 mm、厚度30 mm，下翼缘板宽度600 mm、厚度50 mm，腹板厚度16 mm，标准间距3.2 m。

横梁和桥面板在安装过程中由于跨度较大，为保证其上部受压区的稳定和方便桥面板的施工，在两主纵梁间设置了三道全桥通长的小纵梁。小纵梁上翼缘钢板宽度600 mm、厚度16 mm，下翼缘板宽度400 mm、厚度12 mm，腹板高度300 mm、厚度10 mm。

拉索系统在主梁上的锚固形式采用锚拉板结构，锚拉板位于钢梁顶板处，通过焊接与钢梁顶板形成整体。

图1 谷河特大桥主桥桥型布置图（单位：cm）

图2 谷河特大桥主桥效果图

桥面板通过主梁顶部的剪力钉与钢梁结合成整体，剪力钉在横梁上的排列考虑到桥面纵向预应力筋布置的不同，分别排列。剪力钉设置在普通钢筋间距中间并避开预应力筋管道。全桥剪力钉均为工厂焊接，部分桥面板钢筋所在区域的剪力钉需工地焊接，如剪力钉位置与钢筋位置冲突，可适当移动剪力钉位置。剪力钉的检验、焊接工艺、焊接质量检验及生产焊接控制均应满足有关规范要求。

2.2 桥面板设计

钢梁上混凝土桥面板全宽29.0 m，支承在钢主梁的边主梁、小纵梁及横梁组成的梁格体系上，横梁每隔3.2 m 设置1 道，2 道主纵梁间设置3 道小纵梁，桥面板横向按4 块预制。桥面板设计为与上述梁格体系相结合的预制混凝土构件，现浇湿接缝形成整体，混凝土桥面板与钢主梁通过布置于钢梁边主梁、小纵梁及横梁顶面的圆柱头焊钉结合后共同受力。混凝土桥面板分为预制和现浇两部分，现浇部分为预制板间现浇缝，钢梁、小纵梁顶现浇带。为减少混凝土收缩徐变对结构产生的不利影响，要求预制板存放时间不少于6 个月，现浇接缝及现浇混凝土桥面板采用C55 补偿收缩混凝土，预制板与钢梁接触部分在钢梁边缘粘贴宽6.5 cm、厚1 cm 的橡胶条。预制混凝土面板沿桥中心线对称布置，板厚26cm，桥面横坡由支承预制桥面板的钢梁边主梁与小纵梁间高差形成。为提高钢梁上现浇新旧混凝土之间的纵向抗剪能力，预制板边缘开有锯齿状剪力槽，并要求作凿毛处理。预制板间横向现浇接缝宽度0.47 m、边主梁现浇带宽0.77 m、小纵梁顶现浇带宽0.47 m，桥面板现浇部分应注意养护，连续养护时间不少于14 天，防止出现干缩裂纹。过渡墩附近，混凝土桥面板纵向布置有预应力筋，预应力采用φs15.2-7mm 预应力钢束，预应力束在桥面板湿接缝混凝土强度及弹模均达到90%且养护不少于7 天后方可张拉。预制桥面板采用支架安装，在拼装完成后的钢梁上架设预制桥面板，现浇接缝连成整体与钢梁结合，共同受力。

2.3 主塔设计

主塔全高（承台顶面算起）97.4 m，包括上、下塔柱及上、下横梁。主塔肢按普通钢筋混凝土结构设计，上、下横梁按预应力混凝土结构设计。

塔柱顺桥向净宽6.0 m，上塔柱塔肢横向净宽3.5 m，下塔柱横向净宽由3.5 m 渐变为5.0 m。塔柱为矩形断面，塔柱中心为空，角点处均设有倒角，拉索锚固系统设置于上塔柱，上塔柱纵向塔壁厚度为1.2 m，横向塔壁厚度为1.0 m，下塔柱为实心矩形截面。主塔与主梁固结，下横梁为箱型断面，按预应力混凝土结构设计。上、下横梁预应力筋均锚固于塔柱外侧，采用深埋锚工艺。主塔设置人孔，塔内设置人行爬梯供养护期间检修用。塔内斜拉索锚固采用钢锚箱锚固形式，斜拉索于塔内张拉。

2.4 斜拉索、钢锚箱设计

主、边跨各设置12 对斜拉索，主跨斜拉索梁上标准索距9.6 m，边跨锚索间距6.4 m，斜拉索采用标准强度1860 MPa 钢绞线体系，根据索力不同分别采用AM250-55、61、73 束钢绞线。拉索主梁锚固形式采用锚拉板，拉索主塔锚固形式采用钢锚箱，同时设置环向预应力，张拉端设置于塔端，斜拉索安全系数不小于2.5。斜拉索应具有索力测知设备，以便在施工过程及成桥运营过程中测知索力变化情况，且索力测知设备应具有可靠稳定性，具有在斜拉索的寿命期内可调整和可更换性；斜拉索需由制造厂家成套供货，成套产品包括斜拉索、锚具、减震器、防雨罩、防护罩等，所有构件必须经严格的质量检验；斜拉索生产厂家应提供拉索静载试验报告、动载试验报告、疲劳试验报告。

斜拉索塔端锚固形式为钢锚箱，钢锚箱作为受力结构主要承受作用于其上的一组斜拉索的水平分力，钢锚箱锚固于塔柱内壁上，单个塔肢设置12 套钢锚箱。拉索的平衡水平分力直接作用于钢锚箱，不平衡水平分力则作用于预埋钢板及剪力钉传至塔柱内壁，由塔柱承受；竖向分力由剪力钉传到塔身，全部由塔柱承受。上下钢锚箱之间及塔壁预埋钢板上下之间采用螺栓连接的方式。

2.5 主塔基础及过渡墩墩柱、基础设计

主塔采用塔接群桩基础，承台方形，长16.7 m，宽16.7 m，其下布置9 根直径2.5 m 的根式钻孔灌注桩基础，按摩擦桩设计。

过渡墩采用双柱式矩形墩，横向宽3.0 m，顺向尺寸2.2 m，墩顶设置L型盖梁，墩下为哑铃型承台接群桩基础，承台长7.4 m、宽7.4 m、厚3 m，承台下为4根直径1.8 m 的钻孔灌注桩基础，桩基按摩擦桩设计。

3 结构计算

3.1 主要技术参数

3.1.1 主要材料参数

①桥面铺装：沥青混凝土，容重

25kN/m3。

②钢材：Es=2.1×105MPa。

③钢绞线：fpk=1860MPa、Ep=1.95×105MPa。

3.1.2 计算荷载

①恒载：一期恒载包括主梁、桥面板自重，二期恒载包括铺装、护栏等。

②活载：公路-Ⅰ级，考虑车道偏载作用。

③温度荷载：整体升温32.0℃，整体降温33.7 ℃。

④风荷载：2.67 kN/m。

⑤支座沉降：取0.01 m，各种沉降的组合取最不利效应。

3.2 静力计算

3.2.1 计算模型

采用MIDAS CIVIL 建立空间有限元模型，全桥共1382 个节点、1564 个单元，吊杆及系梁钢束采用桁架单元模拟。计算模型如图3所示。

图3 全桥计算模型

图4 纵梁竖向挠度（单位：mm）

3.2.2 计算结果

①结构刚度

根据计算结果，在活载作用下，主梁最大下挠度值为-83 mm，最大上拱值为24 mm，主梁最大挠度值为107 mm，小于L/600=217 mm，满足规范要求。

②主梁应力

基本组合作用下，钢纵梁应力如图5、图6 所示。纵梁上缘最大压应力为202 MPa、下缘最大压应力为224 MPa，均小于钢箱梁容许应力设计值。

图5 纵梁上缘应力（单位：MPa）

图6 纵梁下缘应力（单位：MPa）

③吊杆承载力

承载能力极限状态下吊杆的最大拉力接近于5446 kN，具体吊杆内力分布如图7所示。最大拉力吊杆设计值为61根15.2 mm直径的1860钢绞线，1000×5446/（140×61）≈638 MPa＜1005 MPa（设计值），满足规范要求。

图7 承载能力极限状态吊杆内力（单位：kN）

4 结论

本文主要对130 m+95 m 的独塔不对称斜拉桥——谷河特大桥的结构设计进行介绍。在设计阶段结合斜拉桥总体设计和结构构造设计要求，选择的合理的受力体系，使结构受力简明合理。并对桥梁进行有限元计算分析，确保结构的强度刚度稳定性符合受力需要，满足规范要求，为同类型的桥梁结构设计提供参考。