独塔自锚式悬索桥总体计算分析
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某 桥 设 计 为 独 塔 自 锚 式 悬 索 桥， 主 跨 布 置 为 115m+115m，桥面标准宽度为 29.8m，主梁采用钢 - 混 凝土组合梁结构。桥梁总体布置图及主梁断面布置图， 如图 1、图 2 所示。
图 1 桥梁总体布置图
1 技术标准 （1）设计基准期：100 年。（2）道路等级：城市
· ·ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ24
| 研究成果 | Research Findings
2019 年第 14 期
独塔自锚式悬索桥总体计算分析
李殊
（上海千年城市规划工程设计股份有限公司，上海 200082）
摘 要 ：文章介绍了跨径为 115m+115m 独塔自锚式悬索桥的总体布置与结构设计；采用 MIDAS CIVIL 软件进行总体计算， 详细介绍了静力分析、抗风分析、弹性稳定分析、抗震分析等工况，相关指标均满足规范要求；对桥的受力特点做了总结， 指出其中的不足之处；并对自锚式悬索桥的发展进行了展望。 关键词：钢 - 混凝土组合梁；独塔；自锚式悬索桥；结构设计；MIDAS CIVIL 软件；计算分析
1/273，悬索桥加劲梁位移限值为计算跨径的 1/250，满 足规范要求 [3]。计算表明，纵梁竖向刚度偏柔。建议进
一步进行车桥耦合分析，保证车行舒适度满足使用要求。
主塔塔柱在标准组合下，主塔最大压应力为 7.6MPa， 小于 0.5fck=16.2MPa；塔柱根部裂缝宽度达 0.15mm， 小于 0.2mm 的限值；主塔上下横梁在短期组合正应力、 斜截面抗裂、标准组合正应力、标准组合压应力、承载
力均通过计算满足规范要求。
主缆中心处索股的无应力长度为 261.231m；正常 使用过程中，主缆最大轴力为 51600.5kN，最小轴力为 40339.1kN；活载作用下，主缆最大轴力为 3706kN。主 缆应力验算安全系数最小值为 2.65，大于 2.5。桥塔处 第一根吊索应力验算安全系数为 3.08，标准吊索应力验 算安全系数为 3.6，边吊索应力验算安全系数为 5.4，均 大于 3.0。索夹强度安全系数数值为 3.64 ～ 6.97，大于 3.0；索夹抗滑移安全系数数值为 3.65 ～ 5.46，大于 3.0； 主鞍座的抗滑移安全系数 2.14，大于 2.0。部分计算结 果如图 5、图 6 所示。
设置 4 个纵向阻尼器，单个阻尼器阻尼常数 c 为 2000， 阻尼指数 ζ 为 0.3。主塔处设活动支座，过渡墩处设纵 向活动支座。主塔处设置横向抗风支座。
（2）主梁。该桥主梁采用钢 - 混凝土组合梁结构。 梁高 3.193 ～ 4.283m，标准断面处全宽为 29.8m。组合 梁钢梁主要材质为 Q370qD、Q420qD，为主纵梁、中横 梁、端横梁、挑梁和小纵梁组成的双主梁梁格体系。
图 3 计算模型（未消隐）
图 5 基本组合下钢结构应力包络图（MPa）
图 4 计算模型（消隐）
成桥状态下，钢结构应力值最大值为 145MPa；在 基本组合下，钢结构应力为 56 ～ 256MPa；钢结构应力 均计算通过，但基本组合下主塔处主梁下缘压应力大小 为 256MPa，应力较大，接近设计规范容许值。主塔处 主梁下缘设计采用板厚为 50mm，焊接难度高，设计施 工过程中应充分考虑，保证焊接质量和工程安全。活载 作用下跨中钢结构顶缘应力幅值为 85MPa，底缘应力幅 值为 140MPa，活载应力幅值较大，主梁较柔。组合梁 混凝土桥面板短期组合下裂缝宽度最大值为 0.177mm， 均小于 0.2mm，基本组合下内力均小于抗力，满足规范 要求 [2]。
（4）吊索。吊索采用预制平行钢丝束，钢丝束外
图 2 主梁断面布置图
作者简介：李殊（1987—），男，本科，工程师，研究方向： 桥梁设计。
挤包双护层 PE 进行防护。钢丝采用 109 根直径为 5.0mm 镀锌高强钢丝，钢丝标准抗拉强度不小于 1670MPa。
2019 年第 14 期
· · Research Findings | 研究成果 |
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（5）主塔。主塔采用框架结构。塔柱全高 75.0m， 分别由上、下塔柱、主塔横梁及塔顶鞍罩几部分组成。 塔柱采用钢筋混凝土结构，横梁为预应力混凝土结构。 材料采用 C50 混凝土。
（6）基础。每个塔柱下基础采用 9 根直径 2.2m 钻 孔灌注桩，全桥共 18 根。桩基按摩擦桩设计，桩底持 力层为圆砾。承台厚 4.5m，平面尺寸为 14.8×14.8m。 承台采用 C35 混凝土，桩基采用 C35 水下混凝土。
次干路。（3）设计荷载：汽车，城—A 级；人群荷载按《城 市桥梁设计规范》CJJ11-2011 规范选用。（4）设计基 本风速：31.4m/s。（5）抗震设防标准：地震基本烈度 7 度， 地震动峰值加速度为 0.10g。（6）环境类别：结构混凝 土耐久性的基本要求按Ⅲ类环境类别设计。
2 结构设计 （1）结构体系。主桥采用双跨连续体系，主塔处共
3 静力分析 该桥总体计算采用有限元分析软件 MIDAS CIVIL
进行分析，桥面系采用双主梁空间梁格形式，两纵梁间 通过横梁相连，纵横梁重叠部分的自重计算时予以扣除， 主缆在加劲梁上的散索点及锚固点处增设刚臂，吊点与 横梁间直接采用节点连接。为了与后续的抗震分析共用 计算模型，分析模型中模拟了索塔及边墩桩基。全桥计 算模型如图 3、图 4 所示。
（3）主缆。主缆采用预制平行钢丝索股，每束由 91 根直径为 5.4mm 高强钢丝组成，钢丝标准抗拉强度 不小于 1770MPa。主缆索夹内直径为 346mm，索夹外 直径为 350mm，孔隙率分别为 18% 和 20%。全桥共 2 根主缆，每根主缆由 37 股索股组成，两主缆横桥向中 心距离 28.2m。
中图分类号：U448.25
文献标志码：A
文章编号：2096-2789（2019）14-0024-04
悬索桥的发展历史悠久，中国古代的吊桥是悬索桥 的雏形。早在公元前 250 年，李冰在都江堰修建了竹索 吊桥，直到近、现代时期，在德国莱茵河上还出现了一 种特殊体系的悬索桥——自锚式悬索桥 [1]。近几年，国 内设计的自锚式悬索桥日新月异，特别在城市桥梁设计 中，自锚式悬索桥在景观设计中越来越受重视。
图 1 桥梁总体布置图
1 技术标准 （1）设计基准期：100 年。（2）道路等级：城市
· ·ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ24
| 研究成果 | Research Findings
2019 年第 14 期
独塔自锚式悬索桥总体计算分析
李殊
（上海千年城市规划工程设计股份有限公司，上海 200082）
摘 要 ：文章介绍了跨径为 115m+115m 独塔自锚式悬索桥的总体布置与结构设计；采用 MIDAS CIVIL 软件进行总体计算， 详细介绍了静力分析、抗风分析、弹性稳定分析、抗震分析等工况，相关指标均满足规范要求；对桥的受力特点做了总结， 指出其中的不足之处；并对自锚式悬索桥的发展进行了展望。 关键词：钢 - 混凝土组合梁；独塔；自锚式悬索桥；结构设计；MIDAS CIVIL 软件；计算分析
1/273，悬索桥加劲梁位移限值为计算跨径的 1/250，满 足规范要求 [3]。计算表明，纵梁竖向刚度偏柔。建议进
一步进行车桥耦合分析，保证车行舒适度满足使用要求。
主塔塔柱在标准组合下，主塔最大压应力为 7.6MPa， 小于 0.5fck=16.2MPa；塔柱根部裂缝宽度达 0.15mm， 小于 0.2mm 的限值；主塔上下横梁在短期组合正应力、 斜截面抗裂、标准组合正应力、标准组合压应力、承载
力均通过计算满足规范要求。
主缆中心处索股的无应力长度为 261.231m；正常 使用过程中，主缆最大轴力为 51600.5kN，最小轴力为 40339.1kN；活载作用下，主缆最大轴力为 3706kN。主 缆应力验算安全系数最小值为 2.65，大于 2.5。桥塔处 第一根吊索应力验算安全系数为 3.08，标准吊索应力验 算安全系数为 3.6，边吊索应力验算安全系数为 5.4，均 大于 3.0。索夹强度安全系数数值为 3.64 ～ 6.97，大于 3.0；索夹抗滑移安全系数数值为 3.65 ～ 5.46，大于 3.0； 主鞍座的抗滑移安全系数 2.14，大于 2.0。部分计算结 果如图 5、图 6 所示。
设置 4 个纵向阻尼器，单个阻尼器阻尼常数 c 为 2000， 阻尼指数 ζ 为 0.3。主塔处设活动支座，过渡墩处设纵 向活动支座。主塔处设置横向抗风支座。
（2）主梁。该桥主梁采用钢 - 混凝土组合梁结构。 梁高 3.193 ～ 4.283m，标准断面处全宽为 29.8m。组合 梁钢梁主要材质为 Q370qD、Q420qD，为主纵梁、中横 梁、端横梁、挑梁和小纵梁组成的双主梁梁格体系。
图 3 计算模型（未消隐）
图 5 基本组合下钢结构应力包络图（MPa）
图 4 计算模型（消隐）
成桥状态下，钢结构应力值最大值为 145MPa；在 基本组合下，钢结构应力为 56 ～ 256MPa；钢结构应力 均计算通过，但基本组合下主塔处主梁下缘压应力大小 为 256MPa，应力较大，接近设计规范容许值。主塔处 主梁下缘设计采用板厚为 50mm，焊接难度高，设计施 工过程中应充分考虑，保证焊接质量和工程安全。活载 作用下跨中钢结构顶缘应力幅值为 85MPa，底缘应力幅 值为 140MPa，活载应力幅值较大，主梁较柔。组合梁 混凝土桥面板短期组合下裂缝宽度最大值为 0.177mm， 均小于 0.2mm，基本组合下内力均小于抗力，满足规范 要求 [2]。
（4）吊索。吊索采用预制平行钢丝束，钢丝束外
图 2 主梁断面布置图
作者简介：李殊（1987—），男，本科，工程师，研究方向： 桥梁设计。
挤包双护层 PE 进行防护。钢丝采用 109 根直径为 5.0mm 镀锌高强钢丝，钢丝标准抗拉强度不小于 1670MPa。
2019 年第 14 期
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（5）主塔。主塔采用框架结构。塔柱全高 75.0m， 分别由上、下塔柱、主塔横梁及塔顶鞍罩几部分组成。 塔柱采用钢筋混凝土结构，横梁为预应力混凝土结构。 材料采用 C50 混凝土。
（6）基础。每个塔柱下基础采用 9 根直径 2.2m 钻 孔灌注桩，全桥共 18 根。桩基按摩擦桩设计，桩底持 力层为圆砾。承台厚 4.5m，平面尺寸为 14.8×14.8m。 承台采用 C35 混凝土，桩基采用 C35 水下混凝土。
次干路。（3）设计荷载：汽车，城—A 级；人群荷载按《城 市桥梁设计规范》CJJ11-2011 规范选用。（4）设计基 本风速：31.4m/s。（5）抗震设防标准：地震基本烈度 7 度， 地震动峰值加速度为 0.10g。（6）环境类别：结构混凝 土耐久性的基本要求按Ⅲ类环境类别设计。
2 结构设计 （1）结构体系。主桥采用双跨连续体系，主塔处共
3 静力分析 该桥总体计算采用有限元分析软件 MIDAS CIVIL
进行分析，桥面系采用双主梁空间梁格形式，两纵梁间 通过横梁相连，纵横梁重叠部分的自重计算时予以扣除， 主缆在加劲梁上的散索点及锚固点处增设刚臂，吊点与 横梁间直接采用节点连接。为了与后续的抗震分析共用 计算模型，分析模型中模拟了索塔及边墩桩基。全桥计 算模型如图 3、图 4 所示。
（3）主缆。主缆采用预制平行钢丝索股，每束由 91 根直径为 5.4mm 高强钢丝组成，钢丝标准抗拉强度 不小于 1770MPa。主缆索夹内直径为 346mm，索夹外 直径为 350mm，孔隙率分别为 18% 和 20%。全桥共 2 根主缆，每根主缆由 37 股索股组成，两主缆横桥向中 心距离 28.2m。
中图分类号：U448.25
文献标志码：A
文章编号：2096-2789（2019）14-0024-04
悬索桥的发展历史悠久，中国古代的吊桥是悬索桥 的雏形。早在公元前 250 年，李冰在都江堰修建了竹索 吊桥，直到近、现代时期，在德国莱茵河上还出现了一 种特殊体系的悬索桥——自锚式悬索桥 [1]。近几年，国 内设计的自锚式悬索桥日新月异，特别在城市桥梁设计 中，自锚式悬索桥在景观设计中越来越受重视。