独塔双索面曲线斜拉桥方案设计
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Abstract：This paper introduces the scheme design of a curvilinear cable-stayed bridge with single-tower and doublecable planes，which includes the selection of structural system and main beam types，the lateral force research in tower and the choice of cable shape. To ensure the structural safety ，a finite element model is established for static and dynamic analysis，the results show that all parts of cable-stayed bridge is reasonable and feasible. Key words：cable-stayed bridge；finite element；double-cable planes；single-tower；scheme design
作者简介：戴捷（1973-），男，江苏阜宁人，高级工程师，主要从事桥梁设计工作。
第3期
戴 捷，等：独塔双索面曲线斜拉桥方案设计
· 33 ·
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
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）
图 2 索塔一般构造图
· 34 ·
现代交通技术
2010年
由于索塔不设上横梁，且桥位处基本风速达到 了 41.2 m，主梁位于 3 400 m 半径的圆曲线上，塔柱 的横向受力是整个索塔结构的最薄弱的环节。
由于斜拉索梁上锚固点与塔柱的中心线顺桥 向不在一条轴线上，因此斜拉索横桥向的水平分力 对塔柱产生弯矩，加之横向风荷载的作用，使下横 梁处塔柱断面成为整个索塔的控制断面。
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。
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/
Biblioteka Baidu
σ拉 max/
MPa MPa MPa MPa MPa MPa
无 102 600 8.74 -0.54 8.32 -0.33 7.86 -0.31
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］。
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。
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
（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。
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：
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。
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
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
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。
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。
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
（1）曲线斜拉桥、H 形索塔不设上横梁 本桥位于 3 400 m 半径的圆曲线上， 斜拉索径 向力对索塔和主梁均产生不利影响，且桥梁宽度达 到 40.5 m，索塔和主梁的空间受力问题显得尤为突 出。 国内设计的曲线斜拉桥跨径不大且桥宽较窄， 一般索塔均设计成横向刚度较大的 A 形以抵抗斜 拉索径向力的影响， 增加全桥横向刚度及稳定性。 而本桥由于景观需要，设计成 H 形索塔且不设置上 横梁，如何采取构造措施确保结构的安全性是本桥 需重点考虑的内容。
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）
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
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。
作者简介：戴捷（1973-），男，江苏阜宁人，高级工程师，主要从事桥梁设计工作。
第3期
戴 捷，等：独塔双索面曲线斜拉桥方案设计
· 33 ·
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
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）
图 2 索塔一般构造图
· 34 ·
现代交通技术
2010年
由于索塔不设上横梁，且桥位处基本风速达到 了 41.2 m，主梁位于 3 400 m 半径的圆曲线上，塔柱 的横向受力是整个索塔结构的最薄弱的环节。
由于斜拉索梁上锚固点与塔柱的中心线顺桥 向不在一条轴线上，因此斜拉索横桥向的水平分力 对塔柱产生弯矩，加之横向风荷载的作用，使下横 梁处塔柱断面成为整个索塔的控制断面。
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。
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/
Biblioteka Baidu
σ拉 max/
MPa MPa MPa MPa MPa MPa
无 102 600 8.74 -0.54 8.32 -0.33 7.86 -0.31
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］。
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。
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
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9.23 9.23 8.43 8.43 7.55 7.55
（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。
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：
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。
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
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
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。
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。
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
（1）曲线斜拉桥、H 形索塔不设上横梁 本桥位于 3 400 m 半径的圆曲线上， 斜拉索径 向力对索塔和主梁均产生不利影响，且桥梁宽度达 到 40.5 m，索塔和主梁的空间受力问题显得尤为突 出。 国内设计的曲线斜拉桥跨径不大且桥宽较窄， 一般索塔均设计成横向刚度较大的 A 形以抵抗斜 拉索径向力的影响， 增加全桥横向刚度及稳定性。 而本桥由于景观需要，设计成 H 形索塔且不设置上 横梁，如何采取构造措施确保结构的安全性是本桥 需重点考虑的内容。
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）
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
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。