漳州开发区双鱼岛大桥主桥设计

漳州开发区双鱼岛大桥主桥设计
陶小兰;李涛;姚建军
【摘要】Main bridge of Shuangyudao Bridge in Fujian Zhangzhou Development Zone is a 36m +2×66m +36m cable-stayed bridge with single pylon and double cable planes, and its girders are fish-belly prestressed concrete continuous box girders, cable pylon is twin-dolphin gate-typed steel tower, piers are in elliptic shape and bored pile foundation is adopted. This paper introduces design of all major structures, analyzes stresses on girder, cable pylon, stayed cable and steel anchor box of the bridge by establishing finite-element integral and local computational models and introduces its construction scheme.%福建省漳州开发区双鱼岛大桥主桥为36 m+2×66 m+36 m独塔双索面斜拉桥,主梁采用鱼腹式预应力混凝土连续箱梁,索塔为双鱼门型钢塔,桥墩为椭圆造型,采用钻孔灌注桩基础.介绍该桥各主要结构的设计,通过建立有限元整体计算模型及局部计算模型对该桥主梁、索塔、斜拉索、钢锚箱的受力进行分析并对其施工方案进行介绍.
【期刊名称】《公路交通技术》
【年(卷),期】2013(000)002
【总页数】5页(P48-52)
【关键词】斜拉桥;结构设计;钢锚箱;钢塔;有限元
【作者】陶小兰;李涛;姚建军
【作者单位】招商局重庆交通科研设计院有限公司,重庆400067
【正文语种】中文
【中图分类】U448.27
在全球化“趋同”的浪潮下，景观桥梁设计应具有个性，避免“放之四海而皆准”的雷同效果。

因此，在景观桥梁设计中反映城市特色、体现地域文化、展示时代风貌就显得尤为迫切[1]。

福建省漳州开发区双鱼岛大桥为景观桥梁工程，景观设计在项目中占很大比重。

要使桥梁自身成为地标性建筑，就必须在外观上与周边环境有明显的区分，其结构也需要有足够的体量才能表现出标志特征，这就要求结构能够单独成为区域环境的焦点[2－3]。

1 工程概况
双鱼岛大桥工程位于福建省漳州市招商局漳州经济技术开发区中心位置，其起于南炮台和高尔夫球场间的南滨大道，与南滨大道南段平交;止于双鱼岛主干道，与主干道平交。

该桥全长1010.8 m，包括北引道、北引桥、主桥和南引桥。

北引桥采用6×30 m+5×30 m预应力混凝土连续梁桥，南引桥采用5×30 m预应力混凝土连续梁桥。

主桥为连续塔梁固结体系独塔双索面斜拉桥，跨径布置为36 m+2×66 m+36 m，共204 m。

桥面纵坡采用0.8%和2.5%的组合，其中主桥纵坡在主塔两侧均为2.5%，并处于半径5000 m的圆弧竖曲线上，平面设计全桥均位于直线段上。

主桥总体布置见图1。

为与双鱼岛形状相呼应，该桥桥塔采用抽象化的双鱼造型，形成“双鱼明珠”的设计主题。

双鱼之上，高顶明珠，犹如双鱼戏珠，使明珠更显珍贵。

2 主要技术标准
道路等级:城市次干路;预留双向有轨电车道。

设计车速:40 km/h。

桥梁标准横断面布置:近期，2×(3.5 m人行道+2.5 m自行车道 +4.0 m绿化带
+0.5 m路缘带+(2×3.75)m车行道)+1.0 m中分带=37 m;远期，2×(3.5 m人行
道+2.5 m自行车道+0.5 m分隔带+3.5 m有轨电车道+0.5 m分隔带
+(2×3.75)m车行道)+1.0 m中分带=37 m。

设计基准期:100年。

通航等级:不通航。

3 结构设计
双鱼岛大桥主桥跨径布置为36 m+2×66 m+36 m，系独塔双索面斜拉桥。

主梁
采用鱼腹式预应力混凝土连续箱梁。

索塔采用双鱼门型钢塔。

桥墩采用椭圆造型，钻孔灌注桩基础。

索塔处主梁与上塔柱为固结，与主墩采用铅芯减隔震支座支承。

其余桥墩处均设置铅芯减隔震支座支承，并设置防落挡块。

3.1 主梁
主梁采用预应力混凝土箱梁结构，鱼腹式外形，梁高2.2 m。

拉索区主梁宽39 m，其余宽37 m。

根据该桥的实际情况，远期设计需在桥梁中间部位设置有轨电车道，故设计时将左右箱室由桥面板连成整体，每侧为单箱3室断面。

主梁标准横断面
示意见图2。

主梁各箱室内均设2道纵腹板，标准板厚50 cm，支点处加厚至120 cm，顶、底板标准板厚分别为28和26 cm，支点处加厚至48和46 cm。

主梁在过渡墩处设置150 cm宽端横梁，中墩处设置200 cm宽中横梁，在斜拉索位置设计100 cm 宽横梁以传递拉索内力，在与索塔结合部位设置1道600 cm宽的变高度箱梁，
以将主梁内力传递给索塔及基础。

索塔处横梁为变高度箱梁结构，宽600 cm，高500～600 cm。

因与主梁相接，
故顶板厚220 cm，底板厚80 cm，腹板厚80 cm。

该桥结构体系为连续塔梁固
结体系，故为保证横梁与塔柱的连接，在横梁内布置了大量竖向和横向预应力钢束，
与主梁纵向预应力钢束一起形成三向预应力体系[4]。

图1 主桥桥型布置
图2 主梁标准横断面示意
3.2 索塔
该桥采用双鱼门型钢塔，由主墩、上塔柱及斜撑3部分组成。

钢塔与主梁固结后
通过支座支撑于主墩之上，上塔柱高56 m，塔肢总宽31 m。

双塔肢之下均对应
设置独立的混凝土实心主墩，主墩截面采用圆弧与直线相结合的形式，顺桥向塔壁为半径540 cm的圆弧形，横桥向为直线，截面尺寸为4.5 m×6.0 m，主墩(包括底座)高7.4 m。

为使主墩底部荷载均匀传递到承台，改善主墩根部受力，承台上
部设置厚1.5 m的圆形墩座。

3.2.1 上塔柱
为保证外观效果及便于施工，上塔柱采用钢塔，总高度56.0 m，塔肢内、外侧均
为半径108 m的圆弧。

采用圆弧与直线相结合的变截面形式，顺桥向采用了半径
4 m的圆弧，上塔柱尺寸由底部的2.8 m×3.6 m渐变到顶部的1.1 m×2.0 m。

每个塔肢分成6个吊装节段，节段长7.0～11.3 m，并按外侧腹板径向划分。

根据节段的位置与长度，标准节段内设2～3个横隔板。

节段间的连接为翼板和腹板，采用全断面溶透焊接(单面焊双面成型);纵向加劲肋系采用高强度螺栓连接，以便于施工和拼装定位。

钢塔通过钢塔座与主梁横梁连接而成为整体。

钢塔座埋入横梁深3 m，采用加劲板、PBL件及精轧螺纹钢将塔座与横梁连接[5－6]。

3.2.2 斜撑
由于上塔柱较高，故有必要设置左右侧塔柱的连接，以增强受力整体性，改善塔柱受力。

综合外观造型及受力需要，采用了双斜撑，并形成海豚造型。

考虑施工因素，斜撑采用单箱单室钢结构。

为满足外观效果需要，斜撑由数种曲率半径圆弧曲线组合而成，截面为圆弧与直线相结合的等截面形式，顺桥向采用了半径3.0 m的圆弧，截面尺寸为1.5 m×1.5 m。

斜撑共分成6个吊装节段，节段长5.6～11.1 m。

根据节段的位置与长度，节段内设1～5个横隔板。

节段间的连接为翼板和腹板，采用全断面溶透焊接(单面焊双面成型);纵向加劲肋系采用高强度螺栓连接，以便施工和拼装定位。

3.2.3 钢锚箱
钢锚箱为斜拉索锚固结构，其被设置于上塔柱中，承受斜拉索的水平力。

每个塔肢设置4个钢锚箱，所有斜拉索均锚固其上。

钢锚箱均水平放置，各锚固1对斜拉索。

钢锚箱由受拉腹板和锚固构造组成。

每对斜拉索面内的平衡水平力由钢锚箱承受，部分不平衡水平分力通过受拉腹板传递给塔壁承受，竖向分力通过腹板传递到塔身。

在锚头区域，设置横向加强钢板，以使钢锚箱与塔壁形成横桥向钢梁形式，改善钢塔翼板的承载力[7]。

钢锚箱采用整段式设计，位置不同，其长度也不同，为2.63～3.25 m;高度为1.5和1.6 m。

锚垫板、锚板是主要承压构件，板厚分别为80和60 mm。

在锚板下设置锚下加劲板，板厚40 mm。

腹板是主要承拉构件，板厚40 mm。

3.3 斜拉索
斜拉索采用1770 MPa平行钢丝斜拉索，双索面平行布置。

斜拉索在主梁上的间距为10～11 m，在索塔上的间距约为7.0 m。

每个索面共4对斜拉索，全桥共16根斜拉索。

斜拉索采用双防腐系统(包括镀锌和高密度聚乙烯外保护层)或多防腐系统，以保证其在设计寿命期内免遭腐蚀。

3.4 桥墩及基础
主桥中墩及过渡墩均采用椭圆形实心花瓶墩，墩底截面尺寸为2.6 m×4 m;墩顶截面尺寸中墩为2.6 m×6.5 m，过渡墩为3.6 m×6.5 m。

承台采用矩形承台，厚度均为2.5 m。

基础为4根直径1.5或2.0 m的钻孔灌注桩，根据不同的受力情况
及地质条件分别采用摩擦桩和端承桩设计。

桥墩截面形式见图3。

图3 桥墩截面示意
4 结构计算分析
鉴于双鱼岛大桥为独塔双索面斜拉桥，主梁采用分离式双箱整体式结构，主塔采用钢塔，故针对该桥的结构特点，主要介绍主梁、主塔以及钢锚箱结构的计算分析结果。

4.1 主梁结构计算分析
该桥结构静力计算分析是采用结构计算软件TDV软件建立空间杆件单元模型进行。

根据桥梁的实际施工过程和施工方案，计算时划分为10个施工阶段，考虑自重、
2期荷载、温度、汽车荷载、轨道交通荷载等在内的多种计算荷载，并按规范要求进行荷载组合。

计算结果显示，在施工期间和运营阶段最不利荷载组合下，主梁结构截面应力和强度均能满足规范要求。

对于主梁而言，因采用了分离式双箱整体式结构，设计时配置了横向预应力，使得箱梁的横向受力情况较为复杂。

因此，计算时是根据实际施工顺序对主梁横向进行计算。

计算结果显示，在施工阶段和运营阶段主梁的应力均能满足规范要求。

4.2 索塔计算分析
对索塔结构主要进行成桥阶段、运营阶段和极限风荷载作用3种荷载工况的计算。

计算结果显示:
1)施工期间及成桥阶段，索塔外肢最大压应力为110.9 MPa，最大拉应力为44.8 MPa;塔柱内肢最大压应力为84.6 MPa，最大拉应力为80.4 MPa。

成桥阶段，塔柱横桥向变形最大值为26 mm，竖向变形最大值为17 mm。

2)运营阶段，外塔肢最大压应力为135.7 MPa，最大拉应力为53.6 MPa;内塔肢
最大压应力为102.4 MPa，最大拉应力为96.9 MPa。

3)极限风荷载作用下，外塔肢最大压应力为146.2 MPa，最大拉应力为61.8 MPa;
内塔肢最大压应力为118.4 MPa，最大拉应力为108.9 MPa。

另外，索塔的稳定性也非常重要。

经分析，该桥索塔在裸塔阶段的稳定性系数为92.5，成桥状态的稳定性系数为75。

4.3 钢锚箱计算分析
斜拉索锚固区结构受力复杂[8]，其计算是该桥设计的重点和难点之一。

该桥桥塔为钢结构箱形塔，主塔拉索锚固区采用钢锚箱结构，各斜拉索索力较大，且钢锚箱为空间异形布置，钢锚箱区域处于复杂的三向受力状态[9－10]，因此需对此区域进行分析研究。

钢锚箱几何模型见图4。

为减小边界条件对计算结果的影响，建立主塔－拉索结构系统，将钢锚箱局部模型定位于整体系统中，计算模型见图5。

计算模型中，索塔采用梁单元，拉索采用杆单元，钢锚箱及附近索塔采用板壳单元。

图4 钢锚箱几何模型注:N1～N9为腹板。

图5 钢锚箱局部计算模型
设计中，除对钢锚箱分别进行对称加载、单侧加载作用下应力及变形分布的计算分析外，还对钢锚箱对称加载下的稳定性进行了分析。

主要计算结果如下。

1)钢锚箱对称加载:钢锚箱结构受力最不利为N2板。

应该注意到，该板在1.5倍最大索力作用下，两侧出现屈服，且屈服区域随着荷载增加迅速扩张。

在荷载小于1.6倍最大索力时，钢锚箱结构基本处于弹性工作范围。

2倍最大索力作用下，构件较大范围屈服，锚下N2板顺桥向最大位移为2.9 mm。

2)钢锚箱单侧加载:单侧1000 t索力作用下，索塔顶部最大位移量为21.6 cm，塔壁应力最大为254.9 MPa。

钢锚箱腹板N1板最大应力为329.3 MPa，N2板末端与N1板相接处局部有屈服，但范围非常小。

N2板应力最大，锚下最大应力为325.5 MPa。

3)钢锚箱对称加载稳定性分析:1.6倍最大索力作用时，考察点顺桥向位移为4.2
mm;2倍最大索力作用时，考察点顺桥向位移为7.5 mm，随后位移增长变快。

5 施工关键技术
双鱼岛大桥主梁采用搭设支架施工，可先打入钢管桩形成临时墩，再在其上架设贝雷梁等形成支架，然后再铺设模板等形成主梁施工平台。

每联主梁分成数个施工节段进行浇筑。

承台采用钢板桩围堰施工。

桥墩利用整体无拉杆钢模板施工。

该桥索塔结构较为复杂，钢塔施工采用工厂分节段制作，运至现场分节段吊装的施工工艺。

施工时采用龙门架对钢塔节段进行吊装，同时在索塔横梁上搭设支架以支撑塔柱。

6 结语
双鱼岛大桥在综合考虑了周边环境、使用功能、经济技术和社会效益等多方面因素后确定采用斜拉桥形式，其鱼腹式主梁外型与双鱼型索塔相呼应，造型别致，具有较好的景观效果。

在结构设计上采用主梁与索塔相固结的方式传递主梁内力，异型索塔采用钢锚箱方式锚固斜拉索，桥塔塔座处采用承压板加分散板的方式处理，从而较好地解决了钢与混凝土的连接问题。

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