混凝土斜塔斜拉橋的設計

李 鑫 （安徽省城建設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230051）

1 工程概況

六安市城南公園管道橋是一座跨越淠河總干渠的景觀橋梁，該管道橋兼顧行人和兩根直徑1.2m的自來水管道通行，橋梁跨徑布置為：39m+88m，全長127m。橋面寬11.4m。主梁采用混凝土單箱三室截面。混凝土塔柱采用雙肢矩形實心截面。混凝土塔柱與主梁成60°夾角布置。橋梁造型新穎，寓意深遠；與城南公園整體景觀協調性較好，建成后將成為城南公園區域重要節點性景觀建筑。橋梁總體布置如圖1所示。

圖1 六安市城南公園管道橋橋型總體布置圖

2 總體設計

2.1 主要技術標準

①橋面寬度：總寬11.4m；橫向布置為2.5m人行道 (含人行道欄桿)＋1.7m索塔拉索區＋3.0m管道敷設區(含人行道欄桿)＋1.7m索塔拉索區＋2.5m人行道(含人行道欄桿)。

②設計荷載：人群3.5kN/m；管道荷載參照給水排水標準圖集取值；結構體系升溫按25℃；體系降溫-25℃考慮。

③通航標準：規劃Ⅵ級限制性航道（橋下通航凈空按Ⅵ級航道（1）進行控制）；淠河總干渠通航凈空對應于正交斷面不小于30m×4.5m（寬×高）；通行凈空不小于4.5m。

④地震烈度：工程所在場地抗震烈度為7度，地震動峰值加速度為0.10g，本橋按7度進行抗震設防。

⑤設計水位：最高通航水位51.24m，百年一遇水位為51.92m。

2.2 主梁

主跨和邊跨主梁均采用單箱三室的閉口箱結構，主梁高度為1.803m(含3mm鋪裝)，全寬11.4m。橋面設置雙向1.5%橫坡，橫坡采用頂底板平行傾斜設置；箱梁約8m設置一道橫隔梁，橫隔梁厚度為30cm；箱梁頂底板厚為25cm；中間兩個腹板厚45cm，邊上兩腹板厚30cm；兩側邊支點各設置一道端橫梁，3#墩頂橫梁兼顧壓重作用，橫梁為4m，1#墩頂橫梁為2m。主塔與主梁相交段范圍內，主梁采用實心截面。主梁結構布置見圖2所示。

圖2 六安市城南公園管道橋橫斷面布置圖

橋梁為塔梁固結斜塔斜拉橋，是兩跨連續剛構體系，塔梁墩基礎固結。上部結構由塔、梁和拉索組成。塔身和主梁均為預應力混凝土構件。其中主梁按預應力混凝土A類構件設計。

2.3 主塔

塔身立面后傾30°，縱橋向塔身寬3.5m，與主梁相交處漸變為11m，橫橋向塔身上下厚度均為1.7m，塔結構高50m；兩個塔身通過8道橫梁連接為整體，橫梁尺寸為1.5m×3.0m（高×寬）。塔柱和橫梁均為實心截面。

2.4 下部結構

因造型和結構需要，本橋主梁、主塔與主墩連結成一體，局部圓弧過渡。主墩承臺厚3.5m，下接9根Φ1.5m鉆孔灌注樁，樁基長度為20m。1#、3#邊墩采用樁柱式墩柱，即1.0m墩柱接1.2m樁基，1#墩樁基長度為15m，3#墩樁基長度為18m，鉆孔灌注樁基均為嵌巖樁；梁兩端設置人行踏步供行人通行。

2.5 拉索

主跨拉索與水平面夾角為25°，在梁上的索距為8m，拉索共12對，邊跨4對，主跨8對。采用91φ7、121φ7兩種高強度低松弛鍍鋅高強鋼絲成品束，抗拉標準強度1770MPa，錨具為冷鑄墩頭錨。拉索吊點位置設在主梁底部，通過錨固鋼板將索力傳遞給主梁。拉索張拉端設在塔身后側。拉索施工完畢后，錨頭用不銹鋼(或者鋁材)蓋板封閉，保持全橋外觀的整潔。

2.6 踏步結構

本橋只供行人和自來水管道通行，橋頭兩側通過設置人行踏步下橋，共設置4座踏步。踏步寬度為2.5m，兩側設置人行欄桿。踏步梁采用支架現澆。下部結構采用0.8m接1m的樁柱結構。

3 結構分析計算

3.1 有限元模型的建立

采用土木結構分析軟件Midas civil對全橋運營狀態計算分析。同時采用RM Bridge軟件對設計進行了復核計算。索塔、橋墩、混凝土主梁采用三維梁單元模擬，斜拉索采用索單元模擬。共生成節點302個，單元268個，其中索單元24個。

邊界條件：主梁在過渡墩處為豎向約束、橫向約束；主梁、橋塔及橋墩固結；索塔塔柱底和墩底按照固結模擬。有限元模型見圖3所示。

圖3 全橋有限元模型

3.2 靜力分析

通過對大橋施工階段及成橋運營階段進行計算，在考慮自重、人群、管道及自來水、溫度及靜風荷載下結構的受力及變形均滿足規范要求。斜拉索安全系數均大于2.5，滿足規范要求。

3.3 動力分析

采用主橋空間動力分析模型，進行結構動力特性分析，了解結構的動力響應特性。結構動力特性分析中特征方程求解采用子空間迭代法。全橋共提取50階模態，前6階模態計算結果見表1。

動力自由振動性狀表 表1

3.4 穩定分析

采用靜力計算模型進行穩定分析。恒載按照實際自重施加至結構，水荷載按照恒載考慮計算穩定系數。全橋共提取前8階失穩模態，前2階失穩模態計算結果見表2所示，根據結構一類穩定計算結果，結構恒載穩定安全系數均大于4，滿足規范要求。

結構失穩模態表 表2

4 結語

通過對橋梁進行靜動力及穩定性分析，受力性能滿足規范要求；為避免斜塔根部產生過大彎矩效應，采用適當增加幾根背索平衡結構受力，可供該類橋梁今后的設計參考。拉索的受力對全橋的結構安全影響大，施工過程中應嚴格控制拉索的張拉力及張拉順序，成橋運營后拉索的維護和監測應得到足夠的重視，確保大橋安全運營。