橢圓形鋼塔雙索面獨塔斜拉橋設計

楊智貴

（廣州市市政工程設計研究總院有限公司，廣東 廣州 510080）

1 工程概述

靈新大道工程位于南沙區珠江街、萬頃沙鎮，是一條西北至東南走向的道路。起點接二涌半番中公路，沿線跨越三涌~十八涌，下穿南沙港快速路，經百萬葵園、南沙濕地，終點至十八涌半。全長約16.6 km。

十七涌橋位于靈新大道K15+418.7處，跨越萬頃沙十七涌，橋軸線與航跡線正交。航道等級為內河IX級航道，單孔雙向通航，通航孔凈寬不小于28.2 m，凈高不小于3 m，通航水位采用洪水重現期5 a一遇洪水位5.966 m。

2 橋梁總體設計

2.1 需求定位

靈新大道改擴建工程屬于廣東省重點建設項目，道路連接自貿試驗區明珠灣起步區、南沙樞紐、萬頃沙保稅港加工制造業區塊，同時也為粵港深度合作區、南沙站綜合交通樞紐提供交通支撐。其建設對解決區域交通問題、促進沿線經濟發展有著非常重要的作用。根據規劃，靈新大道是南沙新區南部重要的生態景觀廊道。該工程結合區域發展規劃、環境景觀、地方歷史文化特色等，按高標準、精細化建設全線跨河涌橋梁，全面提升道路景觀標準，展現區域地方文化特色，打造城市文化新名片。

2.2 地形地貌

橋位處地勢平坦，河涌水系發達，較好地保持了傳統嶺南水鄉的地貌。

2.3 總體設計要點

2.3.1 平縱橫布置

橋梁平面根據總體路線走向確定，位于半徑為1 500 m的圓曲線上。橋梁南北側縱坡均為4.0%，豎曲線半徑為1 800 m。橫斷面考慮車道、人行道、拉索布置等，橋梁全寬45.5 m，滿足交通需求。

2.3.2 孔跨布置和橋型方案

橋梁為橢圓形鋼塔雙索面獨塔斜拉橋，跨徑布置為（40+60+40）m，邊中跨比為0.667。主跨60 m跨越萬頃沙十七涌，滿足通航凈空要求，見圖1、圖2所示。

圖1 橋梁橋型布置圖（單位：m）

圖2 橋梁效果圖

2.3.3景觀亮點設計

該橋的亮點在于采用拱輔斜拉橋結構，通過橢圓的“光門”橋塔造型，將視野導向廣闊的天地，寓意著當地經濟的騰飛。該橋的景觀效果已獲得業主認可。

3 橋梁結構設計

3.1 結構體系

該橋為部分斜拉橋，墩梁采用支座連接，塔梁分離。支座選用摩擦擺支座，規格有7 000 kN、20 000 kN兩種，橋塔附近支座可約束主梁縱向變形，其余位置主梁可沿縱向自由活動。全橋共設置16對拉索，拉索水平力沿主梁軸向傳遞。

3.2 主墩

主墩采用流線型雙柱墩，墩柱尺寸2.0 m×2.0 m，柱間設裝飾橫梁，橫梁采用門拱造型，橫梁寬1.3 m，高1.5~2.3 m。墩頂布置20 000 kN摩擦擺減隔震支座。

承臺為工字型承臺，厚度3.0 m，承臺下設4根直徑1.8 m的樁基礎，按嵌巖樁設計。

主墩構造見圖3所示。

圖3 主墩構造圖（單位：m）

3.3 主塔及基礎

主塔為變截面橢圓傾斜拱形結構，橢圓長軸85.90 m，短軸50.50 m。主塔在橋面以上部分為鋼結構，橋面以下至主塔承臺為鋼筋混凝土結構。索塔橫截面為不對稱六邊形，豎向外輪廓線條為橢圓造型。索塔于橋面以上部分斜高48 m，以下混凝土塔斜高11.1 m，索塔傾斜角度70°。

下塔柱連接承臺，承臺厚度3.5 m，承臺下設4根直徑1.8 m的群樁基礎，承臺相對于塔底設橫向向外1.0 m的偏心，以抵消部分塔柱的不平衡彎矩。

主塔及基礎構造見圖4所示。

圖4 主塔及基礎構造圖（單位：m）

3.4 混合塔鋼混結合段

鋼混結合段作用是保證鋼塔與混凝土塔剛度協調，保證傳力順暢，不出現應力集中和突變。該橋塔鋼混段采用承壓式連接，混凝土塔柱范圍沿四周均布28根φs15.2-17鋼束，提供軸向壓力，保證在承載力極限組合下混凝土段及鋼混結合面處全截面受壓。

結合段橋塔鋼板厚40 mm，沿縱向設置鋼板肋條，肋條厚24 mm，伸入混凝土3.9 m，外露2.4 m，伸入混凝土部分設置φ60 mm鋼筋孔，孔內穿φ25 mm鋼筋形成PBL剪力鍵。鋼塔與混凝土塔之間設置28 mm鋼板作為承壓板，通過預應力與混凝土塔連接成整體。

3.5 主梁

主梁采用C50混凝土，跨徑組合40 m+60 m+40 m，截面形式為等高魚腹式箱梁，梁高2.7 m，中支點橫梁位置局部加高1..5 m，主梁高跨比1/22.2。梁高自中心向外側以2%的人字橫坡變化，梁底水平。

主梁頂板寬45.5 m，共分10個箱室，中間箱室寬4.5 m，邊箱室寬3.25 m。主梁頂、底板厚0.25~0.45 m，腹板厚0.45~0.65 m，拉索區位于主梁最外側，寬1.5 m。

主梁按A類預應力構件設計，主梁鋼束規格分別為φs15.2-12、15、17、18、21，分布在主梁腹板、中支點頂緣、跨中底緣位置。

主梁橫斷面圖見圖5所示。

圖5 主梁橫斷面圖（單位：cm）

3.6 斜拉索

拉索與主梁夾角為23.1～76.3°，主跨側梁上索距為8 m，設拉索9對，邊跨側梁上索距為3 m，設拉索7對。拉索采用整束擠壓式鋼絞線，鋼絞線標準抗拉強度為fpk=1 860 MPa。斜拉索外裹熱擠雙層PE防護套，外層PE設置雙螺旋線，以提高抵抗風振、雨振的能力。斜拉索在索塔端用叉耳式錨，在主梁端采用冷鑄錨。拉索規格有GJ15-5、15-7、15-9三種，拉索設計安全系數大于2.5[4]。

4 整體結構計算

4.1 模型及參數

所示模型，根據橋梁實際幾何尺寸，材料類型，施工順序采用有限元軟件MIDAS建立梁格模型進行分析。該模型共計2 729個單元，2 129個節點。（見圖6）

圖6 全橋計算模型圖

4.2 主要計算結果

4.2.1 主梁腹板內力

基本組合下主梁腹板內力結果見圖7所示。

圖7 基本組合下主梁內力結果圖示（單位：kN/m）

由圖7可知，基本組合下，邊腹板中支點處彎矩最大值為37 300 kN·m，中腹板中支點處彎矩最大值為44 260 kN·m，效應比值為1∶1.186，寬箱室腹板內力分布具有明顯的不均勻性。

4.2.2 主梁應力

主梁按A類構件驗算，頻遇組合下，主梁頂、底緣均未出現拉應力，滿足規范要求（見圖8）。其中：頂緣最小壓應力為1.6 MPa（中支點頂緣），底緣最小壓應力為1.0 MPa（邊支點底緣）。標準組合下，主梁最大壓應力11.1 MPa（中支點底緣）＜0.5 fck=0.5×32.4=16.2 MPa，均滿足規范要求。

圖8 頻遇組合下腹板應力結果圖示（單位：MP a）

4.2.3 主塔應力

基本組合下，鋼塔段最大應力為94.8 MPa，小于Q355C鋼容許應力值，下塔柱混凝土段最大拉應力為4 MPa（見圖9）。下塔柱段共設置24束17孔鋼絞線平衡拉應力，保證拱腳全截面受壓。

圖9 基本組合下主塔應力結果圖示（單位：MP a）

4.2.4 拉索應力

該橋拉索與主梁夾角為23.1～76.3°，主跨側設拉索9對，邊跨側設拉索7對。主跨側拉索最大拉應力500.4 MPa，邊跨側拉索最大拉應力504.5 MPa，拉索設計安全系數大于2.5，均滿足規范要求（見圖10）。

圖10 基本組合下拉索應力結果圖示（單位：MP a）

4.2.5 必須加強局部效應的研究

隨著國內交通運輸事業的不斷發展，中等跨徑寬箱斜拉橋越來越多，寬橋空間效應明顯，需重點關注軸力滯、剪力滯、彎扭耦合、橫向計算等問題的研究，以能更好地指導設計。

5 結語

該橋作為靈新大道重要節點工程，其設計遵循“景觀、功能”的原則，將橋塔設計為“光門”的造型，盡顯橋梁柔性之美。整體結構在功能和形式上和諧統一，均衡穩定，給南沙區注入了新的生機與活力。通過對大橋上、下部構造尺寸進行嚴謹的設計，并且通過仿真軟件的驗算分析，各項指標均滿足規范要求，可為同類型橋梁設計、計算提供參考。