独塔双索面曲线斜拉桥方案设计

图 3 塔柱与梁上锚固点相对位置示意
由于空间索面和主梁平曲线的综合影响，斜拉 索横向水平分力产生的塔柱弯矩较大，内侧塔柱控 制断面的横向弯矩约为 102 600 kN·m，外侧塔柱控 制断面的横向弯矩约为 200 170 kN·m。 外侧塔柱受 力最为不利，强度不能满足要求，应采取措施降低 塔柱横向弯矩 ，主 要 考 虑 的 措 施 有 3 种 ：（1）加 宽 钢箱梁，主梁锚固点外移，减少主梁锚固点与塔中 心线间的偏位，可以降低索塔弯矩 ；（2）在 塔 内 施 加竖向预应力， 以抵消斜拉索水平分力产生的弯 矩；（3）前 2 种方法综合使用。 表 1、表 2 为计算结 果汇总表。
通常斜拉桥主梁可采用钢箱梁、叠合梁、混合 梁及混凝土梁等几种形式。 混凝土梁具有造价低、 刚度大、后期养护简单等优点，但是混凝土梁施工 速度慢，斜拉索索距小，景观效 果 不 好 ［2］，本 桥 桥 面 宽，采用混凝土梁易引起开裂。 且索塔的横向受力 是整个结构的薄弱环节，应尽可能降低索力，减小 斜拉索径向力对塔柱的不利影响，因此应选择自重 小的主梁形式。 而钢箱梁自重小，施工速度快，质量 可靠。 由于钢箱梁诸方面的明显优势，推荐采用钢 箱梁方案。
考虑构造和施工要求，主梁划分为 A、B、C、D、E 共 5 种类型，共 25 个梁段，其中 A 梁段为 0# 段梁 段，B、C 为索塔区加强段、D 为标准节段，E 为梁端 节段，桥梁中心线位于半径 3 400 m 的平曲线上，标 准节段在桥梁中心线处长 12.8 m。 梁段之间的连接 采用全断面焊接方式。 2.3 索塔横向受力研究
表 1 内侧塔柱控制断面恒载工况下计算结果
壁厚 1m
壁厚 1.2m 壁厚 1.5m
措施
弯矩值/ （kN·m）
σ压 max/
σ拉 max/
σ压 max/
σ拉 max/
σ压 max/
σ拉 max/
MPa MPa MPa MPa MPa MPa
无 102 600 8.74 -0.54 8.32 -0.33 7.86 -0.31
1 1 870 4.19 4.02 4.07 3.91 3.84 3.70
2
6.67 6.67 6.21 6.21 5.66 5.66
3
5.38 5.38 5.10 5.10 4.72 4.72
4 27 070 5.33 2.88 5.13 2.85 4.85 2.69
注：1 为梁对称加宽 2 m，主梁共加宽 4 m；2 为施加 50 000 kN 预应力，以抵消斜拉索产生的弯矩；3 为梁对称加宽 1 m， 施加 25 000 KN 预应力；4 为梁对称加宽 1.5 m，主梁共加宽 3 m。
主梁断面含风嘴全宽 48 m，不含风嘴宽44.3 m， 箱梁高度4 m。 箱梁设 3 道纵隔板，主体结构为单箱 4 室截面。 箱梁顶、底面平行布置，顶面单向 2%横坡由 梁体绕设计高程点旋转而成。 主梁标准断面如图 1 所示。
由于箱梁内外侧拉索面外角度不同，内外侧外 腹板倾斜角度也不同。
图 1 主梁标准横断面图
从图 3 所示的塔柱和斜拉索梁上锚固点的相 对位置示意图中可以看出，主梁的圆曲线使得主梁 外侧锚固点逐渐偏离塔柱中心线，而主梁内侧锚固 点逐渐靠近塔柱中心线。 圆曲线的外矢距（E 值）为 2.933 m。
表 2 外侧塔柱控制断面恒载工况下计算结果
壁厚 1 m 壁厚 1.2 m 壁厚 1.5 m
措施
弯矩值/ （kN·m）
σ压 max/
σ拉 max/
σ压 max/
σ拉 max/
σ压 max/
σ拉 max/
MPa MPa MPa MPa MPa MPa
无 200 170 13.2 -4.95 12.4 -4.44 11.7 -4.19
1 99 540 8.61 -0.40 8.19 -0.20 7.73 -0.19
2
9.23 9.23 8.43 8.43 7.55 7.55
1 概述
本桥为一座跨海特大桥，主桥采用独塔双索面 斜拉桥，跨径布置为 150 m+150 m，桥面宽 40.5 m。 主梁采用流线型扁平封闭钢箱梁， 主塔为 H 形混 凝 土 塔 ， 索 塔 总 高 度 为 90.3 m， 桥 面 以 上 高 度 为 70.6 m，高跨比为 0.47。
根据工程所处的地理位置和建设条件，本工程 具有以下特点：
体系、塔梁固结体系、刚构体系。 对于独塔钢箱梁斜 拉桥而言，刚构体系和支承体系较合适。
刚构体系的特点是塔梁墩相互固结，这种体系 的优点是既免除了大型支座又能满足悬臂施工的 稳定要求；结构的整体刚度比较好，主梁挠度小。 由 于本桥采用钢箱梁和混凝土索塔，存在钢箱梁与混 凝土索塔下横梁的钢混连接问题，接头处是结构特 性和材料特性突变处，容易形成结构的弱点，处理 不当极易出现问题，导致混凝土开裂，影响结构的 耐久性。 另外，钢梁和混凝土梁 2 种材料的收缩系 数不同，结构刚度也不同，直接影响到桥面铺装使 用的耐久性；若采用 2 种铺装形式，还存在不同铺 装 的 衔 接 问 题 ［3］。
第 7 卷第 3 期 2010 年 6 月
现代交通技术 Modern Transportation Technology
Vol.7 No.3 June 2010
独塔双索面曲线斜拉桥方案设计
戴 捷，周彦锋，王立新，韩大章
（江苏省交通规划设计院有限公司，江苏 南京 210005）
摘 要：介绍了一座独塔双索面曲线斜拉桥方案设计的内容，包括结构体系选择、主梁类型选择、索塔横向受力 研究及斜拉索索形选择等。为确保结构安全，建立有限元模型进行了详细的静、动力分析，结果表明斜拉桥各部 分构造合理可行。 关键词：斜拉桥；有限元；双索面；独塔；方案设计 中图分类号：U442.54 文献标识码：A 文章编号：1672－9889（2010）03－0032－05
而支承体系采用在下横梁顶面设置支座及挡 块，约束主梁的横向、纵向及竖向位移。 结构受力明 确，可计算求得支承反力，并对钢箱梁相应部位进 行加劲，计算理论成熟，可靠性好，结构安全度高。 并且主梁为全钢箱梁构造， 通过长效油漆防腐体 系，可确保结构的耐久性。
对于结构设计而言，受力应越明确越好。 因此 从方案的可靠性、安全性、耐久性等角度出发，选用 支承体系的结构形式。 2.2 主梁类型选择
（2）桥位处设计风速大 桥位处基本风速达到了 41.2 m/s， 桥梁的抗风 稳定性和安全性是设计必须解决的问题。 特别是在 低风速情况下塔柱易发生涡振，而涡激振动能激发 竖向和扭转 2 种振型，发生扭转失稳和颤振，对行 车人产生不舒服的感觉，而且经常诱发涡流的振动 将导致结构构件在承受相应的脉动力时引起疲劳。 因此设计过程中，应采用数值风洞技术，选取气动 性能好的断面，减少动风荷载对结构的不利影响。 （3）主桥平、纵、横参数复杂 本桥位于 3 400 m 半径的平曲线上， 桥梁纵坡 平缓，相邻两个纵坡分别为-0.627%和 0.504%。 设 置超高，横坡为 2%。 应采取措施处理桥面排水以及 单向坡钢箱梁设计等问题。 （4）海洋环境侵、腐蚀严重 桥址区常年气温较高，湿度大，季候风强烈，海 水含盐度高，涨、落潮的干湿侵、腐蚀效应，海洋大 气的侵、 腐蚀作用对大桥的使用寿命有较大影响。
Scheme Design of a Curvilinear Cable-stayed Bridge with Single-tower and Double-cable Planes
Dai Jie，ZhouYanfeng，Wang Lixin，Han Dazhang （Jiangsu Provincial Communication Planning and Design Institute Co.，Ltd，Nanjing 210005，China）
3
7.95 7.95 7.32 7.32 6.60 6.60
4
6.67 6.67 6.21 6.21 5.66 5.66
5 44 720 8.66 4.68 8.06 4.36 7.41 3.91
注：1 为梁对称加宽 2 m，主梁共加宽 4 m；2 为施加 100 000 kN 预应力，以抵消斜拉索产生的弯矩；3 为梁对称加宽 1 m，施 加 75 000 kN 预应力；4 为梁对称加宽 2 m，施加 50 000 kN 预应力；5 为梁对称加宽 1.5 m，施加 40 000 kN 预应力。
作者简介：戴捷（1973-），男，江苏阜宁人，高级工程师，主要从事桥梁设计作。
第3期
戴 捷，等：独塔双索面曲线斜拉桥方案设计
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合理的结构设计和有效的防侵、腐措施，是确保结 构在设计使用寿命年限内结构安全和正常使用的 前提条件。
2 方案研究
2.1 结构体系选择 斜拉桥常用的结构体系包括：飘浮体系、支承
从计算结果看， 外侧塔柱较内侧塔柱受力更 为不利，在梁对称加宽 2 m 的情况下，内侧塔柱 的横向弯矩基本能消除，而外侧塔柱仍存在将近 100 000 kN·m 的弯矩， 可通过施加 50 000 kN 预应 力的方式消除（预应力筋力臂为 2 m），或者通过配 置普通钢筋的方式抵抗横向弯矩。 梁对称加宽 2 m 后增加钢材用量 660 t，约增加造价 920 万元，且钢 箱梁全宽将达到 49 m。 设计中考虑尽量减少钢箱梁 的宽度，以降低造价，改善钢箱梁的横向受力，且塔 柱弯矩应尽可能通过普通钢筋承受，尽量减少预应 力度。 经综合考虑，钢箱梁采用对称加宽 1.5 m，且 外侧塔柱内配置 40 000 kN 竖向预应力， 恒载及风 荷载作用下的横向弯矩通过配置普通钢筋的方式 来承受。
索塔采用 H 形索塔，由左、右 2 根塔柱和下横 梁以及索塔附属结构设施（避雷设施，航空警示灯 等）组成。 索塔总高度为 90.3 m，索塔在桥面以上高 度为 70.6 m，高跨比为 0.47。 索塔顺桥向宽度由塔 顶的 6 m 直线变化至塔底的 8 m； 横桥向宽度由塔 顶的 4.5 m 直线变化至塔底的 5.5 m，塔柱采用箱形 断面。 索塔在主梁底设一道下横梁，横梁采用箱形 断面，宽 7.68 m，高 5 m。 索塔构造如图 2 所示。