洋塘大橋雙主肋式寬體混凝土斜拉橋總體設計

摘要 斜拉橋由于其出色的跨越能力與景觀效果被廣泛運用，但其結構在力學上屬高次超靜定結構，受力復雜。洋塘大橋主橋采用（115 m+115 m）獨塔雙索面斜拉橋，主梁采用寬幅雙主肋式預應力混凝土梁，索塔為H形鋼筋混凝土結構，斜拉索采用空間扇形雙索面布置。該文介紹了該橋的總體設計，并通用有限元軟件進行了全橋結構施工及運營階段靜力分析，結果表明：結構設計滿足相關規范要求，該文研究成果能為相關設計人員在研究類似橋梁時提供一定設計思路和經驗參考。

關鍵詞 混凝土斜拉橋；雙主肋式；H形橋塔；有限元計算

中圖分類號 U448 文獻標識碼 B 文章編號 2096-8949（2024）19-0053-04

0 引言

斜拉橋因其卓越的跨越能力和獨特的景觀效果，在橋梁工程中得到了廣泛應用。隨著城市化進程的加速和交通需求的持續增長，道路的車道數量不斷增加，促使橋梁設計趨向于更寬的橋面。在這一背景下，寬體斜拉橋憑借其強大的跨越能力和高承載力，成為現代橋梁設計中的一個關鍵選擇。然而，隨著橋面寬度的增加，橋梁的受力特性也發生了顯著變化，這為橋梁的設計和施工帶來了新的挑戰。該文以洋塘大橋為研究對象，通過深入分析其設計實踐，旨在為寬體斜拉橋的設計提供理論依據和實踐指導。

1 工程概況2pLoDpEnwZUpjGUr4bZ5OA==

洋塘大橋位于距離浙江省桐廬縣老城區2.2 km處，為桐廬縣“五橫八縱”框架路網其中一縱（舞象山路）的一座橫跨分水江的大橋，是連接起洋塘區塊及浮橋埠區塊，促進桐廬各大組團高效連接的一條便捷交通要道。大橋工程區總體屬浙西中山丘陵區地貌單元，橋址區屬河流沖、洪積相河漫灘型河谷，河谷寬闊，河面寬約360 m，兩岸谷坡大致平緩、對稱。

洋塘大橋主橋采用（115 m+115 m）獨塔雙索面斜拉橋，左岸引橋采用5×32.5 m先簡支后橋面連續T梁橋，右岸引橋采用（30 m+32.5 m+28 m+28 m）預應力混凝土箱梁，橋跨總長607.04 m。

2 主要設計標準

（1）設計基準期100年，設計工作年限100年；

（2）道路等級：城市主干道；

（3）設計車速：40 km/h；

（4）車道數：雙向六車道，兩側設置非機動車道及人行道；

（5）汽車荷載：城—A級；人群荷載按《城市橋梁設計規范（2019版）》（CJJ 11—2011）10.0.5取值；

（6）航道標準：Ⅴ級航道，雙孔單向通航40×8 m，最高通航水位11.230 m；

（7）設計洪水位：16.080 m（設計洪水頻率P=1/100）；

（8）抗風：W1風作用水平的設計風速取10年重現期基本風速24.2 m/s，W2風作用水平的設計風速取100年重現期基本風速29.4 m/s，場地的地表類別B類；

（9）抗震設防：地震基本烈度6度， 基本地震動峰值加速度0.05 g。

3 總體方案

3.1 總體布置

根據橋位地形和河道通航要求，洋塘大橋主橋跨徑布置為（115 m+115 m），采用獨塔雙索面斜拉橋，塔、梁、墩固結體系，主橋立面布置圖見圖1。標準橫斷面布置：0.25 m（欄桿）+2.0 m（人行道）+3.0 m （非機動車道）+2.0 m（索區）+ 0.5 m（防撞護欄）+11.5 m（機動車道）+0.5 m（中央防護欄）+11.5 m（機動車道）+0.5 m（防撞護欄）+ 2.0 m（索區） +3.0 m（非機動車道）+2.0 m（人行道）+0.25 m（欄桿）=39m。

3.2 景觀構思

洋塘大橋以“鐘靈毓秀”為景觀設計理念，體現桐廬歷史悠久、人文薈萃，人杰地靈的特點。索塔的設計將飛翔的鳥，向上攀登、勇往直前的精神力量與擬人動態作為設計的初衷，結合橋梁雙塔柱結構形式，展現橋梁在悠悠山水間的雄壯有力，堅韌挺拔。橋塔形式似“門”，將橫撐方案利用“門”的古漢字造型元素，進行景觀設計，使得上橫梁與塔橋整體性更加和諧，將桐廬文化與橋梁文化相結合，體現“門迎天下”的胸懷與豪情。

4 結構設計

4.1 主梁設計

主梁采用寬幅雙主肋式預應力混凝土梁，有效減輕主梁的自重，使整個橋梁構造都更為輕盈和柔軟，其截面形式也明顯簡單于封閉箱形截面[1]。主梁標準寬度39 m，兩側挑臂設15 cm后澆帶，中心梁高2.8 m，梁頂設置1.5%雙向橫坡，主肋中心高2.601 m，主梁橫斷面布置詳見圖2。兩道主肋中心線間距為26.5 m，肋寬2.0 m，靠近索塔16 m范圍內梁肋線性加寬至3.4 m，邊跨現澆段肋加寬至3.0 m。主梁兩主肋之間用橫梁與橋面板相連，橋面板厚28 cm，橫梁厚0.3 m，間距與拉索間距相同，均為6 m。寬幅雙主肋式截面抗扭能力較封閉箱形截面弱，剪力滯效應較突出 [2]。塔梁結合段和邊跨現澆段主梁由雙主肋式斷面線性漸變為箱形斷面，以降低偏載作用引起的梁端扭轉剪應力。主梁采用C55混凝土。

4.2 索塔設計

4.2.1 塔柱外形

索塔采用H形索塔，主、副塔相結合的結構形式，索塔構造見圖3。主索塔總高度為83.492 m，橋面以上索塔高度65 m，塔柱橫橋向內傾角度為1.62°，中心間距為23.802～28.648 m。副塔柱布置于主塔外側、中塔柱及下塔柱范圍內，橋面以下副塔與主塔交角為22.76°，橋面以上交角為165.55°。

4.2.2 塔柱構造

塔柱總高81.492 m，分為上、中、下塔柱及副塔。下塔柱高度為7.47 m，采用矩形實心截面，順橋向寬度7.50 m、橫向寬度4.1～4.6 m。中塔柱高度為47.567 m，采用箱形截面，順橋向寬度5.90 m、橫橋向寬度3.0 m，順橋向壁厚1.0 m、橫橋向壁厚1.65 m。上塔柱高度26.455m（其中塔冠高6.955m），采用鋼-混凝土的組合截面，鋼錨箱四周側板設剪力釘與塔柱混凝土側壁相結合，鋼錨箱縱橋向寬4.6 m、橫橋向寬1.2 m，混凝土側壁順橋向厚0.9 m、橫橋向厚0.65 m。塔柱四角均設置30 cm×30 cm的凹槽裝飾條。副塔采用矩形實心截面，斷面寬3.0 m，高1.5 m。索塔采用C55混凝土。

4.2.3 索塔錨固區

從方便斜拉索定位、降低工程造價等方面考慮，將斜拉索在索塔上的錨固形式設置為兩種，其中上塔柱采用內置式鋼錨箱錨固，中塔柱采用預應力混凝土錨固結構錨固。鋼錨箱采用Q345qC鋼材，側板厚35 mm，端板厚30 mm，支撐板與承壓板直接傳遞索力采用40 mm，錨下墊板厚80 mm。鋼錨箱側板為主受力拉板，且板厚大，為防止層狀撕裂，要求厚度方向性能不低于Z15的性能要求。

4.2.4 索塔基礎

索塔采用啞鈴形承臺，鉆孔灌注樁基礎。兩承臺間采用系梁相連，承臺厚度4.0 m，平面尺寸15.0 m×15.0 m。單承臺對應樁基礎為4排共14根直徑1.8 m的鉆孔灌注樁，按嵌巖樁設計，持力層為中風化凝灰巖層。承臺采用C40混凝土，樁基礎采用C30混凝土。

4.3 斜拉索設計

斜拉索采用空間雙索面形式，縱向立面按扇形布置，橫向略微內傾斜。全橋共34對索，塔上索距2～2.5 m，梁上索距6 m。斜拉索采用防腐型平行鋼絲束拉索體系，鋼絲采用φ7 mm熱鍍鋅平行鋼絲，標準強度為1 770 MPa。全橋共采用7種規格斜拉索，分別是PESC7—121、139、151、187、199、211和PES7—223。斜拉索錨具采用冷鑄鐓頭錨，為施工方便，斜拉索兩端均采用張拉端錨具。

5 計算分析

5.1 計算模型

采用通用有限元計算軟件MIDAS/CIVIL建立橋梁空間桿系有限元模型，對主橋結構進行分析計算。斜拉索采用桁架單元模擬，其余構件均采用梁單元模擬。主梁與下橫梁共節點，索與塔、索與梁之間連接均采用彈性連接的剛接模擬。樁底固結、樁側土約束根據“m法”[3]計算得到的地基彈性系數，采用節點線彈性支承模擬。

模型主要劃分為以下施工階段：（1）基礎、索塔及0號塊施工；（2）主梁各懸臂節段澆筑及掛索張拉施工；（3）主梁合龍；（4）成橋調索；（5）橋面附屬結構施工。

5.2 主要計算結果

5.2.1 主梁

（1）施工階段：

整個施工過程中，在預應力和構件自重、施工荷載作用下，主梁截面邊緣最大壓應力為14.74 MPa，最大拉應力為0.4 MPa。假定施工過程中，混凝土拆模的強度為成橋狀態的85%，主梁配筋率為1.25%，截面預壓區邊緣混凝土壓應力σt cc≤0.7fck’ =21.12 MPa，截面預拉區邊緣混凝土拉應力σt ct≤1.15ftk’=2.67 MPa，fck’、ftk’分別為施工階段混凝土軸心抗壓強度、軸心抗拉強度標準值，主梁施工階段應力均滿足規范[4]要求。

（2）運營階段：

承載能力極限狀態最不利荷載組合下，主梁的最大正彎矩發生在1/4跨截面附近，彎矩設計值為γ0Md=204 650.4 kN·m<抗彎承載力設計值Mu=292 788.7 kN·m；主梁最大負彎矩發生在塔梁固結處截面附近，彎矩設計值為γ0Md=124 467.2 kN·m<抗彎承載力設計值Mu=231 686.8 kN·m；主梁最大剪力發生在邊支點處，剪力設計值為γ0Vd=21 261.0 kN<抗剪承載力設計值Vu=51 826.5 kN；主梁下正面抗彎承載力和斜截面抗剪承載力均滿足規范[4]要求。

在正常使用極限狀態最不利荷載組合下，主梁上、下緣均不出現拉應力，主梁上緣最大壓應力為14.4 MPa，主梁下緣最大壓應力為15.4 MPa，均滿足規范[4]要求。

主梁撓度采用有限元方法計算，汽車荷載（不計沖擊）作用下全跨最大的撓度29.1 mm，跨中最小的撓度?60.5 mm，跨中正負撓度絕對值之和89.6 mm<計算跨徑L/500 =230 mm，滿足規范[5]要求的容許變形值。

5.2.2 索塔

根據索塔截面及配置鋼筋變化情況，選取塔梁交接處截面、主塔根部截面進行承載力驗算。承載能力極限狀態下最大彎矩工況對應的軸力組合最為不利，索塔關鍵控制截面強軸（縱橋向）、弱軸（橫橋向）的最大彎矩工況對應的軸向力設計值和抗壓承載力如表1所示，均能滿足規范[4]要求。

按持久狀況正常使用極限狀態的要求，進行塔柱的裂縫寬度驗算，頻遇組合下橋塔壓應力基本在2.0 MPa以上，不出現拉應力，塔柱不會因受力開裂，滿足規范[4]要求。

5.2.3 斜拉索

承載能力極限狀態下斜拉索最大應力為847 MPa<斜拉索的抗拉強度設計值fpd=1 200 MPa，滿足規范[5]要求。

5.2.4 整體穩定性分析

對施工階段和成橋運營階段進行了彈性屈曲穩定分析。在施工階段的裸塔狀態，結構的穩定安全系數最大，為99.5；在施工階段的最大單懸臂狀態時，結構的穩定安全系數最小，為34.0；成橋以后，各種荷載作用下的穩定安全系數為35.2；各階穩定段安全系數均大于4.0，滿足《公路斜拉橋設計規范》（JTG/T 3365-01—2020）[5]要求。

6 結論

洋塘大橋主橋采用（115 m+115 m）雙主肋式寬體混凝土斜拉橋結構，塔、梁、墩固結體系。大橋的索塔采用H形鋼筋混凝土結構，主梁采用寬幅雙主肋式預應力混凝土梁，斜拉索采用空間扇形雙索面布置，索塔基礎則采用了啞鈴形承臺和鉆孔灌注樁的組合。采用有限元軟件進行了全橋結構施工及運營階段靜力分析，結果表明結構設計滿足相關規范要求。

參考文獻

[1]龍磊，肖磊，龔睿民.大跨雙主肋式斜拉橋面板受載抗裂性能仿真分析[J].湖南交通科技，2015（4）：113-116.

[2]楊曉沖.雙主肋寬體斜拉橋施工階段主梁剪力滯效應研究[D].西安：長安大學，2020.

[3]公路橋涵地基與基礎設計規范：JTG 3363—2019[S].北京：人民交通出版社，2019.

[4]公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范：JTG 3362—2018[S].北京：人民交通出版社，2018.

[5]公路斜拉橋設計規范：JTG/T 3365-01—2020[S].北京：人民交通出版社，2020.

收稿日期：2024-06-14

作者簡介：詹遠輝（1985—），男，碩士，高級工程師，主要從事橋梁工程設計及復雜結構橋梁研究工作。