一座预应力砼独塔斜拉桥设计

一座预应力砼独塔斜拉桥设计摘要：河北迁安市黄台湖风景区中心岛桥为预应力砼独塔斜拉桥，跨径布置为（58+98）m。

该文介绍此桥的桥型选择、结构设计及静力计算分析方法。

对边中跨跨径差别较大的独塔斜拉桥通过采用不同的主梁断面，并对边跨配重重量进行参数优化，较好地确定了合理成桥状态。

对同类桥梁设计有一定的借鉴作用。

关键词：独塔斜拉桥，设计，静力计算，配重优化Design of PRC single pylon cable-stayed bridgeHu xinAbstract：The center islands bridge is located in Qian An City of He Bei Province.The bridge is designed as a PRC single pylon cable-stayed bridge with span arrangement (58+98)m.The design concept and the method of static calculation is introduced.Two types section of the main girder and pressure weight optimization in side span are used to determine the rational dead load state.Key words：single pylon cable-stayed bridge,design, static calculation,pressure weight optimization1工程概况黄台湖是利用穿越河北迁安市东西两区的滦河上筑橡胶坝而形成的人工湖泊，是迁安市最大的生态空间。

中心岛桥指连接中心岛和迁雷公路的预应力混凝土独塔斜拉桥，跨径布置为（58+98）m，桥宽15.6m，横断面布置为2.3m（人行道+栏杆）+4m（机动车道）+3m（拉索区）+4m（机动车道）+2.3m（人行道+栏杆）。

桥梁中心线与河道中心线正交。

根据钻孔揭露，拟建场地地层为填土、第四系全新统冲洪积物。

在勘探深度范围内，自上而下可划分为四个工程地质层：第①层素填土,第②～④层卵石，第⑤层粉质粘土，第⑥层强风化片麻岩，第⑦层中风化片麻岩。

2桥型选择中心岛桥为连接中心岛与迁雷公路的桥梁，跨越黄台湖，是黄台湖六岛的进出通道。

由于本桥位于生态风景区内，桥梁景观要求高。

桥位处水面宽约100m，中心岛与迁雷公路间距约160m。

对三个桥型方案进行比选：（1）预应力砼独塔斜拉桥；（2）预应力砼连续梁；（3）多孔连拱桥。

由于独塔斜拉桥一跨跨越水域，且具有结构不对称造型，景观效果好，最终成为实施方案。

结合水面宽度及两侧接线位置，跨径布置采用（58+98）m，主跨一跨跨越水面，两侧桥台直接与中心岛及迁雷公路接顺。

本桥采用塔梁墩固接体系，边中跨比为0.59：1，共设置11对斜拉索，边跨端部设置锚索。

图1 中心岛桥立面布置图（单位：mm）3桥梁结构设计3.1主要设计技术标准（1）设计荷载：城-B级；人群荷载：3.5kN/m2。

（2）设计安全等级：二级，结构重要性系数γ0＝1.0。

（3）环境类别：Ⅰ类。

（4）地震：抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g。

3.2结构设计本桥为独塔单索面预应力砼斜拉桥，采用塔梁墩固接形式。

3.2.1主梁主梁采用预应力砼单箱双室箱梁，砼强度等级为C50。

梁高2.3m，箱顶宽15.6m，在墩梁固结处采用实体断面。

高跨比1：85.2，高宽比1：6.8，宽跨比1：13.2（跨度按2×98m计）。

为了提高抗风性能，主梁采用扁平流线形断面，由于边中跨跨径相差较大，岸跨和河跨采用了不同的断面形式。

主梁内设置横隔梁，在每个拉索锚固点及两根拉索中间均设置一道横隔梁，横隔梁厚22cm，边跨横隔梁标准间距为2.28m，主跨横隔梁标准间距为3.78m。

（1）边跨顶板厚24cm，顶板宽15.6m；底板厚45cm，宽6.1m；直腹板宽2.1m，斜腹板宽45cm。

箱梁悬臂长2.25m，悬臂端部厚20cm,根部厚40cm。

由于边中跨差别较大，边跨的底板、腹板进行了加强加厚；为取得更好的配重结果，在离桥台10m范围内，主梁改为15.6×3.3m的实心矩形断面，并在5m 范围内过渡到正常断面。

同时，边跨其余部分采用250kN/m的配重，采用空腔填实的方法，材料可采用重混凝土或烧铁球，容重不小于3.5t/m3。

图2 边跨箱梁标准断面（单位：mm）（2）主跨顶板厚24cm，顶板宽15.6m；底板厚25cm，宽6.1m；直腹板宽60cm，斜腹板宽22cm。

箱梁悬臂长2.25m，悬臂端部厚20cm,根部厚40cm。

图3 主跨箱梁标准断面（单位：mm）3.2.2索塔索塔采用一根直立的矩形混凝土柱，砼强度等级为C50。

梁上塔高46m，塔顶设置造型结构，高2.5m，同时放置避雷针。

拉索区高16.935m。

为加强美观效果，设置了500×150mm倒角。

索塔实体结构段高28.858m，断面为2.5（横桥向）×4.5（顺桥向）m；拉索区为“工”字形断面，上下翼缘高0.35m。

为方便施工，将拉索区断面分为3种类型，核心混凝土宽度分别为1.95m、2.25m、2.35m。

图4 索塔构造图（单位：mm）3.2.3斜拉索本桥斜拉索为单索面扇形索，塔上张拉，梁上锚固。

拉索采用OVM250钢绞线斜拉索，由塑料包覆保护的单根钢绞线并置组成，锚具规格为OVM250-22∽OVM250-61,Ryb=1860MPa。

主跨斜拉索在主梁上的标准索距为8m，每个断面1根；边跨斜拉索在主梁上的标准索距为5m，每个断面2根。

斜拉索在索塔上的索距为1.5m～3.5m。

拉索在塔上为交叉锚固型式，在梁上锚固至箱梁腹板底部。

塔上锚固方式可见图4，梁上锚固方式示意见图5。

图5 拉索梁底锚固示意3.2.4桥墩及桩基主墩为4.5（横桥向）×5.0（顺桥向）m的混凝土实体结构，砼强度等级为C40。

墩身高4.782m，断面上设置了600×600mm的倒角。

主墩设置15根Ф1.5m钻孔灌注桩，桩长24m，以中风化岩作为持力层。

4主要计算分析设计计算包括平面、空间的静力和动力计算以及局部分析, 本文仅介绍主桥整体纵向的静力结构分析。

计算分析采用有限元程序ANSYS及桥梁博士互相校核，本文给出ANSYS 程序分析计算成果。

结构采用空间杆系模型模拟，主梁及索塔采用空间梁单元，斜拉索采用只受拉杆单元模拟。

计算模型见图6。

墩底固结，两边支点为竖向约束，塔梁墩相交处固结。

图6 有限元计算模型4.1计算荷载及工况4.1.1主要计算荷载（1）恒载:箱梁砼：C50, 计算容重26kN /m3；索塔、桥墩砼：C50, 计算容重26kN /m3；横梁重量以集中力施加；边跨压重：250 kN/m。

（2）二期恒载：防撞栏+人行道+桥面铺装＝52 kN/m。

（3）汽车荷载：城-B级，按双车道布载。

根据规范要求进行横向折减并考虑横向偏载系数。

（4）人群荷载：3.5kN/m2。

（5）温度：整体温变按±25°计算；主梁梯度温度按规范有关规定计算；塔两侧温差按升、降温5°计；索梁温差按±15°计。

（6）收缩、徐变：按规范附录算法取用。

（7）基础不均匀沉降：以2cm 计。

4.1.2主要计算工况及荷载组合（1）持久状况（进行承载能力极限状态和正常使用极限状态计算）：恒载+收缩徐变+基础不均匀沉降+斜拉索力+汽车荷载+人群荷载+温度变化+风荷载。

（2）短暂状况（施工阶段）：恒载+收缩徐变+斜拉索力+施工荷载+风荷载。

（3）偶然状况（进行承载能力极限状态计算）：恒载+收缩徐变+基础不均匀沉降+斜拉索力+地震。

（4）活载加载工况：工况一：活载全桥满布；工况二：活载边跨满布；工况三：活载中跨满布；工况四～六：对应工况一～三活载偏载。

4.2边跨配重参数优化由于本桥边中跨比为0.59：1，为避免边支点出现负反力并确定合理的成桥状态，边跨同时采用了两种配重方式：（1）边跨端部主梁增大截面，并采用实心截面；（2）边跨空心箱梁箱室内增加配重，配重采用当地丰富的铁矿废料，配重重量由优化结果确定。

对箱室配重重量进行优化，采用通用有限元程序ANSYS自带的优化功能进行二次开发计算。

设计变量：配重线重量Q。

目标函数：恒载作用下结构弯曲应变能最小。

设主梁和索塔所积蓄的能量分别为:；。

建立目标函数：。

式中:表示索塔与主梁的能量代价之比。

最小值: min （{x})。

约束条件：索力上下限: {X}l≤ {Xj} ≤{X}u ( j = 1 ,2 , ⋯, n)截面允许应力: {S}l ≤ {Sj} ≤{S}u( j = 1 ,2 , ⋯, m)边支点竖向反力：R≥250t。

根据上述原则编制ANSYS二次开发命令流，得到相对较优的配重线重量为250 kN/m。

4.3静力分析主要结果由于计算分析结果较多，本文仅给出成桥状态（施工结束）主要结果（应力负值为压）。

图4.3.1 成桥索力（kN）图4.3.2 主梁轴力（kN）图4.3.2 主梁面内弯矩（kN•m)）图4.3.3 索塔轴力（kN）图4.3.3索塔面内弯矩（kN•m）图4.3.4主梁正应力（MPa）5结语（1）在景观要求高的地区，选择主跨一跨跨越河道，边跨直接落地的不对称独塔斜拉桥是较为合适的。

（2）本桥边中跨比例为0.59：1，跨径差别较大，采用了两种边跨配重方案：主梁端部采用实体断面并增大截面；箱室内填充配重物。

配重重量经参数优化，既保证了边支点竖向有一定的压力储备，同时又确定了合理的成桥状态。

（3）本桥斜拉索主梁端锚固在腹板与横隔梁底部，索塔端交叉锚固，斜拉索锚固区均为实体砼，砼局部受力好，不会出现局部裂缝。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。