椒江二橋主橋索塔設計

鄭本輝

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市200092）

椒江二橋主橋索塔設計

鄭本輝

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市200092）

浙江省臺州市椒江二橋主跨480 m，采用雙塔五跨半封閉鋼箱組合梁斜拉橋結構形式，是浙江省臺州市的一座重要的公路橋梁。重點介紹了該橋索塔方案選擇、考慮臺州地區強臺風的索塔受力分析、索塔錨固結構設計以及施工方案設計等情況，著力解決索塔抗風、防船撞、斜拉索錨固等難題，確保結構安全、合理。希望本橋的設計經驗能對廣大同行有所幫助。

臺州；椒江二橋；斜拉橋；索塔；鋼錨梁；設計；臺風；施工

0 引言

椒江二橋是浙江省臺州市內75省道跨越椒江的一座重要的公路橋梁。橋梁全長1665 m，主橋長900 m，主跨480 m。根據橋位處的自然、地質條件以及通航要求，最終設計采用雙塔五跨半封閉鋼箱組合梁斜拉橋結構體系。主橋結構布置如圖1所示。由于橋梁所處位置為臺風高發地區，設計風速高達45 m/s，主橋索塔最終選擇采用有利于提高抗風性能的鉆石形索塔。本文將對索塔方案選擇、考慮強臺風荷載的索塔受力分析、索塔錨固結構設計以及施工方案加以詳細介紹。

1 索塔設計的主要控制性因素和塔型選擇

橋塔設計主要考慮以下控制因素：

（1）需要適應特大跨斜拉橋的結構特點。椒江二橋主橋跨徑達到480 m，屬于特大跨徑斜拉橋。索塔作為主橋的主要承重構件，除了承受恒載和正常使用活載、溫度等作用之外，風荷載、地震力、波浪力、船撞力都是重要的設計控制因素。索塔設計需要綜合考慮這些因素，確保結構安全、可靠。同時要考慮斜拉索的集中錨固、張拉，做到構造合理、施工便利。

（2）需要適應椒江入海口位置的復雜地質條件。椒江入海口位置地質情況復雜，有超過40 m厚的淤泥層，其他土層承載力也相對較差，理想的樁基持力層中風化巖層埋深標高在-130 m左右。因此在橋塔方案選擇時需要盡可能選擇基礎規模相對較小的塔型，如鉆石形塔、花瓶形塔等，不宜采用基礎規模較大的A形塔、倒Y形塔。

（3）需要適應椒江入海口位置的復雜氣象條件。臺州位于我國的臺風多發區。設計風速為45 m/s，幾乎為國內橋梁設計之最。因此在橋塔方案選擇時需要盡可能選擇抗風性能好的空間索面塔型，如鉆石形塔、花瓶形塔等，不宜采用平行索面的H形塔。另外要對索塔進行專項研究，擬定合理的索塔斷面，減少橋塔的渦振效應。

（4）需要適應椒江入海口位置的復雜航運條件。椒江入海口航運繁忙，經過通航論證，設計通航萬噸雜貨輪。索塔設計需要確保具有一定的防船撞能力。

在綜合考慮上文相關因素后，在初步設計階段考慮了三種索塔塔型方案，見表1。其中花苞塔為國內首創。

經過初步設計專家評審，一致認為鉆石形塔造價最省、施工簡便、工藝成熟，傳力路徑明確，確定為最終的實施方案。

2 索塔設計

如圖2所示，索塔采用鉆石形鋼筋混凝土結構，總高152.76 m。從上至下分為塔頭、上塔柱、下橫梁、下塔柱、塔座五個部分。其中塔頭高25 m，上塔柱高91.56 m，下塔柱高36.2 m；下塔柱橫橋向外側面的斜率為1/4.213，內側面的斜率為1/2.843；上塔柱橫橋向斜率為1/6.474。上塔柱截面順橋向寬度由7.5 m漸變到8.5 m，橫橋向寬度為4.5 m。下塔柱截面順橋向寬度由8.5m漸變到11.5 m，橫橋向寬度由4.5 m漸變到8 m。索塔在橋面以上高度為107.992 m，高跨比為0.225，塔底左右塔柱中心間距20.00 m。

圖1 椒江二橋主橋總體布置圖（單位：mm）

表1 三種塔型綜合比選

圖2 索塔總體布置圖（單位：mm）

上塔柱為斜拉索錨固區，采用鋼錨梁與環向預應力結合的結構方案。在上、下塔柱轉折處設置下橫梁抵抗橫橋向水平力。塔柱采用空心箱形斷面，為改善索塔景觀效果同時減少風荷載作用，塔柱外側均設兩級的倒角。上塔柱錨固區塔壁厚度為橫橋向0.8 m，順橋向1.2 m，中間設鋼錨梁；上塔柱非錨固區壁厚為橫橋向1.2 m，順橋向1.4 m；下塔柱塔壁厚度均為1.2 m。

索塔基礎采用鉆孔灌注樁加承臺的結構形式，單個索塔基礎采用30根樁徑由2.8 m變到2.5 m的超長嵌巖樁，最大樁長139 m，為國內橋梁之最。之所以采用超長嵌巖樁是基于該地區復雜的地質條件，經過計算比選，采用嵌巖樁相對摩擦樁可以大大減小橋梁基礎規模，降低承臺自重產生的附加荷載，造價相對摩擦樁節省約2億元。

為了滿足抗震及萬噸輪防船撞的需要，索塔樁基參照蘇通大橋的設計思路，將鉆孔樁施工鋼護筒作為永久構件參與受力。另外索塔承臺外的施工鋼套箱兼做防船撞鋼套箱，有效減小船撞對索塔和船舶本身的傷害。

3 索塔受力計算分析

椒江二橋索塔施工階段及成橋使用階段主要受力計算的主要荷載工況組合如下：

（1）正常使用階段荷載組合。

a.恒載。

b.恒載+活載。

c.恒載+活載+溫度+基礎變位+常規風（與汽車荷載組合）。

d.恒載+基礎變位+極限風。

e.恒載+基礎變位+地震荷載。

f.恒載+基礎變位+船撞荷載。

（2）施工階段荷載組合。

a.裸塔+施工階段風荷載。

b.最大雙懸臂+施工臨時荷載+施工階段風荷載。

c.最大單懸臂+施工臨時荷載+施工階段風荷載。

d.主橋合攏+施工臨時荷載+施工階段風荷載。

除以上工況外，還考慮了遠期使用階段斷索、換索的不利工況以及施工期間落梁的不利工況。主要選取鉆石形索塔四個不利截面進行驗算，分別為下塔柱底部截面、上塔柱底部截面、上塔柱中部截面、上塔柱頂部截面。

索塔設計采用了Midas軟件進行空間三維分析，并采用ANSYS實體模型進行校核。經計算，由于臺州地區風荷載（設計風速45 m/s）遠大于其他地區，使用階段主要控制工況為恒載+極限風（含考慮抖振）工況。施工期間主要控制工況為最大雙懸臂+施工臨時荷載+施工階段風荷載（含抖振）。最終設計受力最大的上塔柱頂部斷面采用了雙排32的束筋，其他控制斷面基本采用單排32的束筋。并且要求在施工期間保留最上面一道臨時支撐，直到主梁合攏后方可拆除。

4 索塔錨固結構設計

4.1 錨固方案比選

主塔的拉索錨固段是將一個斜拉索的局部集中力安全、均勻地傳遞到塔柱的重要受力構造。采取何種方式錨固與拉索的布置、拉索的根數和形狀、塔型和構造等方面密切相關。本項目在設計過程中，對錨固結構進行了專題研究。根據椒江二橋橋塔的形式及拉索的構造特點，有三種錨固方式可以選擇：鋼錨箱、鋼錨梁和環向預應力（見表2）。

在三種錨固形式中，鋼錨箱方案明顯不適合本橋的塔柱尺度。環向預應力有著造價低、后期維護簡單的優點。但結合國內以往的經驗，環向預應力的性能如何往往取決于施工質量，人為因素比較大。而且高空作業，質量檢測也比較困難。因此將可靠性更高的鋼錨梁結合環向預應力粗鋼筋的方式作為最終的推薦方案。

4.2 錨固結構設計

鋼錨梁作為斜拉索錨固結構，設置在塔頭和上塔柱中，承受斜拉索的平衡水平力。鋼錨梁共19節，分四類，各錨固一對斜拉索。鋼錨梁由受拉錨梁和錨固構造組成。根據總體計算各階段索力，A8～A26（J8～J26）共19對斜拉索均可采用鋼錨梁結合預應力粗鋼筋方式錨固，A1～A7（J1～J7）僅采用預應力粗鋼筋方式錨固，預應力鋼筋采用JL32 mm精軋螺紋粗鋼筋。

相關布置圖、平面圖、立面圖如圖3～圖5所示。

5 索塔施工方案及實施情況

圖3 鋼錨梁總體布置圖

圖4 鋼錨梁平面圖

圖5 鋼錨梁立面圖

索塔施工主要采用勁性骨架結合爬模施工的施工方案。由于下塔柱外傾，上塔柱內傾，施工期間分別設置一道平衡拉桿和三道臨時橫撐以改善索塔施工期間的受力狀態。具體施工步驟及現場照片見表3。

表3 索塔施工過程及照片記錄

鋼錨梁錨固施工步驟為：

（1）在索塔和鋼筋混凝土牛腿施工時，牛腿頂面預埋鋼板，鋼板與牛腿間通過剪力釘連接。

（2）索塔和牛腿的混凝土達到強度后，張拉塔內預應力粗鋼筋。

（3）分別吊裝鋼錨梁左右兩部分到指定位置，在塔上完成栓接。

（4）安裝斜拉索，張拉斜拉索到指定噸位（張拉噸位由施工監控單位提供，報由設計、監理同意后實施）后再對鋼錨梁底板和牛腿頂部預埋鋼板之間進行最終固定。

6 結語

椒江二橋作為浙江省的重點工程、臺州市的標志性建筑，所處地理位置建橋條件極其復雜，對設計人員提出了很高的要求。設計中吸取了國內外大跨徑斜拉橋梁設計的寶貴經驗和教訓，著力解決索塔抗風、防船撞、斜拉索錨固等難題。利用有限元軟件對成橋和施工階段的各部分構件進行了驗算，確保結構安全、合理。該橋于2014年1月建成通車，建成三年多來使用情況良好（見圖6）。本橋索塔的設計經驗也將為國內類似橋梁的設計起到借鑒作用。

圖6 椒江二橋實景照片

[1] 上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司，同濟大學建筑設計研究院，臺州市交通勘察設計院.椒江二橋（椒江大橋復線）及接線工程可行性研究報告[R]，2008.

[2] 同濟大學建筑設計研究院，臺州市交通勘察設計院.椒江二橋及接線工程初步設計[R]，2008.

[3] 同濟大學建筑設計研究院，臺州市交通勘察設計院.椒江二橋及接線工程施工圖設計[R]，2009.

[4] JTG D60—2004，公路橋涵設計通用規范[S].

[5] JTG/T D65-01—2007，公路斜拉橋設計細則[S].

U442.5

B

1009-7716（2017）11-0073-05

2017-07-18

鄭本輝（1976-），男，吉林長春人，高級工程師，從事橋梁設計工作。

10.16799/j.cnki.csdqyf h.2017.11.021