跨海自錨式懸索橋的設計思路探究

劉鵬飛

摘要：本文結合工程實例和現有經驗，從橋塔基礎，塔柱設計、橋塔上、下橫梁設計、混凝土加勁梁設計、纜索系統設計、抗風設計多個方面論述了跨海自錨式懸索橋的設計思路，得出先進、科學的設計思路是提升跨海自錨式懸索橋施工質量和設計方案可行性關鍵的結論，希望對相關單位有一定幫助。

關鍵詞：跨海自錨式懸索橋；設計思路；纜索系統；抗風設計

1.案例分析

某跨海自錨式懸索橋，總長度為1456.678m，道路長78.68m，橋梁全長1377.998m。由主橋、北因橋、南引橋三個結構共同組成，其中主橋采用混凝土獨塔自錨式懸索橋結構，橋跨布置為：北邊跨設置成牛腿結構+混凝土加勁梁副跨+混凝土加勁梁主跨+主跨協作跨+南邊跨牛腿，主橋全長330.3m；引橋采用整體式設計，主要采用多跨40m等梁高簡支轉連續小箱梁和標準20m空心板結構。其中主橋橋型示意圖如圖1所示：

2.跨海自錨式懸索橋的設計思路

2.1橋塔基礎設計

本工程承臺總長度為24.65m、寬度為14.48m、高度為8.6m，為提升橋臺的穩定性和質量，在中間加設了聯系梁，其高度為4.0m，寬度為6.2。基礎采用鉆孔灌注樁基礎，樁徑為2.5m，每個鉆孔灌注樁之間的距離為6.25m。單樁樁頂豎向力的設計值不能低于23500kN，在橋承臺的下方布置了12根樁，通過超聲波進行檢測，并在樁基內部統一設置4根外徑為57mm，壁厚為3.5mm的鋼管，呈四邊形布置在樁身四周。

2.2塔柱設計

案例工程，橋塔上下塔柱均采用普通鋼筋混凝土，總高度為99 548m，其中主體高度82.43m，塔頂鞍罩的高度17.118m。塔柱截面輪廓通過“菩提葉”的形狀進行設計，下塔柱橫橋厚度從原來的2.45m，降低到1.8m，內壁的厚度則從1.68m下降到1.25m。在設計設計中，為最限度上提升整個橋梁工程的施工質量和整體結構的穩定性，設置了一道厚度為50em的水平隔板，有效滿足了該工程施工建設中，對塔柱的實際需求。在隔板預留出1.2mx0.8m的過人孔，確保各項施工能順利開展。

2.3橋塔上下橫梁設計

該跨海自錨式懸索橋的上部橫梁的高度為10.07m，頂板厚度為2.0m，底板厚度為1.8m，兩側腹板的厚度為1.0m，并在橫梁中設置相應的橫隔板，厚度為1.6m。在進行上橫梁澆筑時，要適當做抬高處理，臺高量控制為33mm，則上橫梁的澆筑高度為83.303m。

下橫梁為A類預應力混凝土結構，在具體設計過程中，為最大限度上增加增加預應力對下橫梁的自身效應，需要分5個節段進行澆筑，并設置兩個合攏段。下橫梁支點處梁高5.0m，跨中處梁高3.5m。

2.4混凝土加勁梁設計

為確保自錨式懸索橋整體結構性能的穩定性，在進行加勁梁設計時，要采用分節段設計的方法。包括：標準段、北側主纜錨固塊、南側主纜錨固塊等。其中標準段采用單箱三室魚腹式設計方法進行設計，設計高度為2.5m，懸臂的長度2.846m。吊點處橫隔板厚度為40cm，吊點處橫隔縱向間距為6.0m。加勁梁A合攏段和B合攏段均采用單箱三室魚腹式斷面形式進行設計，其中A合攏段梁高為2.5m，頂板寬度為25.5m，底板寬度為20.10m，厚度均為25cm。B合攏段和A合攏段設計參數相同。加勁梁北側主纜錨固塊采用單箱三室斷面形式，總長為28.5m，梁寬由25.5m變化至30m，梁高由2.5m變化至6.5m。加勁梁南側主纜錨固塊采用單箱五室斷面形式，總長為68.5m，梁寬由25.5m變化至26.8m，梁高由2.5m變化至6.7m。根據南京水利科學研究院《橋位水域波浪潮流數學模型計算及岸灘穩定性分析》提供的基本資料并按照《海港水文規范》（JTJ 213-2000）的規定按直墻式建筑物近似計算，單位長度上的總波浪力為：

此公式中：式中：P表示單位長度上的總波浪力（kN/m）；H表示靜水面以上波壓力強度為零時的高度（m）；L表示波長（m），按下式計算：

此公式中g表示重力加速度（m/s2）；d表示水深（m）；T表示平均周期（s）；T表示水的重度（kN/m3）；d表示靜水面到河床頂面的高度（m）；d1表示靜水面到基床頂面的高度（m）。

2.5纜索系統設計

2.5.1纜索系統總體布置

該橋梁主纜由3跨共同組成，包括：副跨、主跨、主跨錨跨。在具體設計過程中，要根據橋梁周期的地形條件以及自錨式懸索橋的總體結構特性，選擇合理的跨徑。就案例工程而言，副跨理論跨徑為102.5m，主跨理論跨徑為168.0m。

2.5.2主纜構造

主纜由2根，每根61股平行鋼絲組成。主纜頂面設主纜檢修道，檢修道扶手鋼絲繩上下兩端分別錨固于索塔頂部主索鞍及散索套（鞍）防護罩結構上，中間通過固定于索夾上的立柱支撐。

2.6抗風設計

在抗風設計時，要根據基本風速，并參照《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/T D60-01-2004）的規定進行設計。

2.6.1風速計算。基本風速按照100年重現期的風速進行選取，取27.1m/s進行設計；施工階段的風速可按照30年重現期的風速進行選取，取24.2m/s進行設計。

2.6.2風荷載計算。類型相關工程施工經驗表明，作用在橋梁各構件單位長度上的風荷載可根據各構件不同基準高度上的等效靜陣風荷載按下式計算：

此公式中，PH表示橫向風力（N/m）；D表示主梁的高度（m）；Pd表示因抖振所產生的結構慣性動力風荷載；CR主梁體軸下橫向力系數；主梁的空氣靜力系數宜通過風洞試驗得到。豎向和扭轉力矩的作用宜根據風洞試驗和詳細的抖振響應分析得到。

3.結束語

本文結合工程實例，深入分析了跨海自錨式懸索橋的設計思路，分析結果表明，跨海自錨式懸索橋的設計具有很強的專業性和技術性，需要從橋塔基礎設計、橋塔塔柱設計、橋塔上、下橫梁設計、混凝土加勁梁設計、纜索系統設計、抗風設計等多個方面同時人手，才能有效提升設計效果，為后期施工建設提供真實有效的指導依據。符合目前我國橋梁事業發展的標準和實際需求，值得大范圍推廣應用。

【參考文獻】

[1]陳淮，王艷，朱倩.設計參數對剛性索自錨式懸索橋受力性能的影響分析[J].鐵道科學與工程學報，2016，13（8）：1563-1568

[2]王楨，吳海軍，周志祥，等.大跨徑自錨式懸索橋吊索索力相鄰影響分析[J].土木工程學報，2016（6）：51-60