独塔双跨自锚式悬索桥设计与分析

3. 671 2467. 0L2源自5. 243 35769. 0
C2
5. 244 1919. 5
L3
5. 339 36420. 6
C3
7. 106 1936. 0
L4
5. 448 37169. 2
C4
9. 263 1922. 5
L5
5. 569 37998. 2
C5
11. 714 1930. 2
L6
5. 702 38911. 1
2. 2 索塔及基础 悬索桥上部结构荷载主要通过吊索及主缆转移给索塔
传至基础，索 塔 将 承 受 主 缆 施 加 的 巨 大 竖 向 压 力。 故 索 塔 选型为 3m × 2m 矩形混凝土实心塔柱。每根塔柱依次下设 变截面钢筋混凝土桥墩、矩形承台及 7 根 φ1. 8m 的钻孔灌 注桩。为了保 证 主 梁 横 向 刚 度，主 梁 横 向 中 心 下 加 设 等 截 面钢筋混凝土桥墩、矩形承台及 4 根 φ1. 8m 的钻孔灌注桩。 索塔及基础结构图如图 3 所示。
起。本文给出了 A 点强迫位移引起附加弯矩计算方法。 （ 2） 考虑梁端转角及支反力修正后梁端相对转角及
支反力差值均有减小。本文给出了修正公式。 （ 3） 桥面连续内拉杆应力主要由竖向活载产生。汽
车制动力及温度作用引起的应力很小，可以忽略不计。 （ 4） 桥面连续切缝后可以显著降低其最大弯矩。
（ 2） 桥面连续不切缝时最大弯矩为 41. 9k N·m，采用 两端切缝后最大弯矩为 25. 1 kN·m，降低 40% 。
高基本相同，温度零点在桥中心，即 3# 墩处。计算得到 1# 墩 顶连续 受 拉 力 最 大，其 值 为 15. 7kN，拉 杆 （ 1# 钢 筋 ） 应 力 为 2. 0MPa。 3. 4 计算结果汇总
（ 1） 按 简 支 梁 计 算 两 梁 梁 端 相 对 转 角 为 1. 871 × 10 － 3 ，支反力差值 42. 1kN； 考虑桥面连续后梁端相对转角为 1. 545 × 10 － 3 ，支反力差值 38. 1kN，分别减少 17. 4% 、9. 5% 。
钢丝索股编排而成。每股索股又由 127 丝 φ5. 1mm 高强镀 锌平行钢丝组成，采用预制平行索股法（ PPWS 法） 架设。塔 顶设主索鞍，鞍槽底部为圆弧线槽，出口处槽底和侧壁的端 部，倒圆角以保护主缆钢丝。
全桥共 32 根吊索，顺桥向普通吊索中心间距 5m，桥塔 两侧吊索距主塔中心距为 6. 0m。靠近端横梁处的 4 根吊索 采用 φ82mm 刚性吊索，材料选用镀锌 40Cr 钢； 其余吊索采 用 73φ7mm 高强度镀锌钢丝成品索，并 设 置 双 层 PE 保 护 层。吊索上端 与 索 夹 采 用 叉 耳 板 销 接，下 端 锚 固 于 横 梁 底 部，在 与 主 梁 结 合 处 设 置 防 水 罩，下 锚 头 采 用 防 腐 油 脂 处 理，并在索管内注入发泡材料。
具有代表性。
向外横坡，人行道设置 1. 0% 向内横坡。桥型立面图如图 1
1 工程概况
所示。
FK#2-3 公路桥跨越哈尔滨市松北发生渠，上部结构在 2. 1 主梁
半径 2500m 的竖曲线上，呈东西走向。该桥的主要技术标
主梁具有斜 交 及 大 宽 跨 比 等 弯 扭 耦 合 的 结 构 特 点，因
准为： 双向 6 车道城市主干路，两侧各设宽度为 4m 的人行 此主梁结构设计时必须保证结构能够提供足够的纵向及横
师，研究方向： 桥梁结构。
马志芳等： 独塔双跨自锚式悬索桥设计与分析
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者配重来平衡上拔力。 FK#2 － 3 公路桥主梁采用具有较好抗弯及抗扭刚度的
预应力混凝土箱梁结构。主梁为单箱 7 室断面，中心梁高 2m。箱梁顶板宽 36m，底板宽 31m，翼缘悬臂长 2. 5m。箱梁 宽跨比达 0. 67，空间效应显著。为了增加主梁横向刚度、减 小吊索锚固处局部内力效应，在主梁中共设置 16 道中间横 梁、1 道桥墩支座处横梁和 2 道端横梁。横梁中并设置横向 预应力筋。端 横 梁 的 设 置 既 能 提 高 主 梁 横 向 刚 度、平 衡 主 缆竖向分力又能 充 当 主 缆 锚 固 载 体、避 免 主 缆 锚 下 应 力 集 中现象。主梁横断面如图 2 所示。
选 型 为 独 塔 双 索 面 混 凝 土 自 锚 式 悬 索 桥，斜 交 角 度 为 69. 09°。兼顾结构受力、方便施工以及客观斜交角等因素，
座混凝土自锚式悬索桥。FK#2 － 3 公路桥在满足城市景观 建设要求的同时，具有独塔双跨、斜交及大宽跨比等弯扭耦 合的结构特 点，在 设 计 中 须 予 以 足 够 重 视。 与 比 较 多 见 的
以及结构新颖和造型美观等优点，在中小跨径桥型中，特别 是城 市 桥 梁 建 设 中 已 经 成 为 非 常 具 有 竞 争 力 的 备 选 桥型［1 ～ 3］。
基准温度为 10°C。 2 桥梁结构设计
基于地址条 件 差 及 对 城 市 景 观 建 设 的 要 求，上 部 结 构
打造“松江湿 地、北 国 水 城 ”的 哈 尔 滨 市 松 北 灌 排 体 系 及水生态环境建设工程中的发生渠 FK#2 － 3 公路桥即是一
参考文献
［1］ 王伯惠 . 桥梁接缝和桥面连续问题［J］. 东北公路，1991，（ 1） ： 59 － 65.
［2］ 叶见曙 . 结构设计原理［M］. 北京： 人民交通出版社，1997. ［3］ JTGD60 － 2004，公路桥涵设计通用规范［S］. . ［4］ 范立础 . 桥梁工程（ 上册） ［M］. 北京： 人民交通出版社，2001.
初始平衡状态分析是指悬索桥在主梁等结构的自重作 用下产生变形后 达 到 平 衡 状 态，满 足 设 计 要 求 的 垂 度 和 跨
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低温建筑技术
2012 年第 12 期（ 总第 174 期）
径的条件下，计 算 缆 索 系 统 线 形 和 内 力 的 分 析。 初 始 平 衡 状态分析是对运营阶段进行线性、非线性分析的前提，所以 应尽量使初始平衡状态分析结果与设计目标一致［6］。
2. 3 缆索系统 该桥上下游各设一根主缆，每根主缆由 19 股预制平行
3 结构分析 由于该桥上 部 结 构 空 间 效 应 显 著，需 要 采 用 梁 格 法 理
论或者实体 有 限 元 法 进 行 分 析。 相 比 之 下，梁 格 法 在 实 用 方面更具优 越 性。 其 基 本 思 想 是 用 等 效 的 纵、横 梁 格 代 替 桥梁上部结构，将 分 散 在 板 式 或 箱 梁 每 一 区 段 内 的 弯 曲 刚 度和抗扭刚度集 中 于 最 邻 近 的 等 效 梁 格 内，实 际 结 构 的 纵 向刚度集中于纵 向 梁 格 构 件 内，横 向 刚 度 集 中 于 横 向 梁 格 构件内。因此，准 确 模 拟 纵、横 梁 的 抗 弯 刚 度、抗 扭 刚 度 和 抗剪刚度是梁格法的关键［4］。
L11 6. 000 40937. 4
C11
14. 491 1923. 0
L12 5. 851 39917. 2
C12
11. 752 1922. 7
L13 5. 707 38930. 2
C13
9. 305 1928. 4
L14 5. 574 38017. 7
C14
7. 145 1935. 2
L15 5. 452 37182. 8
C6
14. 463 1924. 1
L7
5. 846 39895. 9
C7
17. 509 1859. 4
L8
5. 994 40914. 1
C8
20. 826 2236. 4
L9
7. 421 42218. 3
C9
20. 836 2236. 9
L10 7. 429 42244. 5
C10
17. 528 1858. 5
为了保证缆 索 系 统 运 营 期 内 正 常 使 用 功 能，延 长 其 使 用寿命，须进行严格的防腐设计。其设计原则为： 对于安装 后不可进行现场 维 护 的 锚 固 构 件，其 防 腐 设 计 应 能 确 保 在 整个使用寿命期 间 不 需 要 维 护 仍 可 有 效 使 用 ，对 于 可 以 现 场维护的锚固构件，其防腐系统的设计寿命至少 25 年。主 索 鞍、散 索 套 及 索 夹 进 行 喷 锌 处 理，锌 层 厚 度 不 小 于 0. 2mm，以及相应的锚固构件均进行镀锌处理。索夹对接 缝： 无橡胶垫块的内侧缝应压注密封膏； 有垫块的内侧缝以 及索夹两侧 与 主 缆 接 触 的 缝 隙 用 防 水 密 封 膏 填 满 至 无 凹 槽。吊索采用双防腐系统（ 包括镀锌和高密度聚乙烯外保 护层） 。主缆断面以及防腐设计大样如图 4 所示。
（ 3） 桥面连续不切缝时由 A 点强迫位移引起的附加 弯矩为 37. 8 kN·m，占最大弯矩的 90% ； 采用两端切缝时附 加弯矩为 25. 1kN·m，占最大弯矩的 100% 。桥面连续弯矩 主要为由 A 点强迫位移引起的附加弯矩组成。
（ 4） 桥面连续拉杆应力为 151. 2MPa，其中竖向活载应
C15
5. 273 1918. 7
L16 5. 342 36431. 1
C16
3. 689 2461. 8
L17 5. 247 35776. 3
各段主缆以及吊索编号
力为 146. 8MPa，汽 车 制 动 力 应 力 为 2. 4MPa，温 度 应 力
2. 0MPa。可见，拉杆应力主要由竖向活载产生。 4 结语
（ 1） 桥面连续内最大弯矩主要是由 A 点强迫位移引
［收稿日期］ 2012 － 09 － 10 ［作者简介］ 聂玉东 （ 1968 － ） ，男，黑龙江桦南人，高级工程
道； 公路 － Ⅰ级汽车荷载； 设计行车速度为 60km / h； 地震动 向的抗弯和抗扭刚度。并且考虑到主缆的竖向分力在锚固
峰值加速度为 0. 05g，相应地震基本烈度Ⅵ度； 桥下净空需 端部会对主梁产生向上的上拔力，通常需设置拉压支座或
欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁
桥梁最终设计方案采用塔梁固结、塔墩分离的结构 体 系。 桥跨布置为 54m + 54m，主梁设置双向 1. 1% 纵坡，桥宽为 36m，横向布置为 4. 0m（ 人行道） + 2. 0（ 索区） + 24m 机动车
双塔三跨自锚式悬索桥相比，该桥在自锚式悬索桥中十分 道 + 2. 0m（ 索区） + 4. 0m（ 人行道） 。车行道设置双向 1. 5%
成桥状态主缆线形计算采用分段悬链线理论，在 MIDAS / Civil 模型中使用“悬索桥分析控制”功能实现。通过 有限元空间模型计算出缆索系统的初始平衡状态见表 1。
表1
缆索系统初始平衡状态
无应力 主缆
长度 /m
轴力 / kN
吊杆
无应力 长度 /m
轴力 / kN
L1
7. 970 35073. 6
C1
采用梁格法理论时，为了保证纵向抗弯刚度等效，各个 纵梁截面的中性轴应与整体截面的中性轴高度一致。但实 际操作起来十分困难。本文通过“惯性矩平行轴定理”［5］进 行抗弯惯性矩修正来避免这个问题。即： Iy = Iy0 + A0 ·d2 。 主梁截面纵向梁格划分方法示意图如图 5 所示。
采用 MIDAS / Civil 有限元软件建立全桥空间模型进行 相关计算分析。全桥结构梁格离散模型如图 6 所示。 3. 1 初始平衡状态分析
理论对该桥进行整体分析，为同类桥型设计及分析提供参考。
【关键词】 自锚式悬索桥； 斜交； 独塔双跨； 大宽跨比； 结构设计
【中图分类号】 U442. 5
【文献标识码】 B
【文章编号】 1001 － 6864（ 2012） 12 － 0056 － 03
自锚式悬索桥凭借着无需庞大锚碇的特有结构特点， 满足最高水位 114. 5m 以上 3m 净空，宽度不小于 30m； 设计
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低温建筑技术
2012 年第 12 期（ 总第 174 期）
独塔双跨自锚式悬索桥设计与分析
马志芳， 黄才良， 荆友彰
（ 大连理工大学建设工程学部， 辽宁 大连 116024）
【摘 要】 哈尔滨发生渠 FK#2 － 3 公路桥是一座混凝土自锚式悬索桥，该桥具有独塔双跨、斜交以及大宽跨
比等结构特点，在设计中须予以足够重视。介绍其主要结构设计思想，并且基于 Midas / Civil 软件采用梁格法空间