独塔混凝土梁自锚式悬索桥设计实践

独塔混凝土梁自锚式悬索桥设计实践

李文勃

上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 上海 200092

摘要：莆田市荔港大道木兰溪大桥主桥为三跨独塔单柱单梁悬索面钢筋混凝土梁自锚式单梁悬索桥,桥跨桥梁布置宽度为(40+50+100+100+50+40)m,桥面桥梁宽度为37.8m。主桥结构采用彩钢塔梁双层固结结构体系,主梁为大跨度展翅形的双层预应力钢筋混凝土塔梁结构。本桥不仅首次成功采用了部分桥梁自锚式大型悬索桥梁的结构受力体系,在桥梁结构设计运行方面也具有一定的技术创新性,本文将通过着重详细介绍部分桥梁的结构受力控制特点和结构设计运行情况。与以往自锚式桥梁悬索桥不同,本悬索桥主桥钢缆连接采用新型预应力前锚式桥梁锚固连接方式,改善了主桥锚固区的整体受力稳定性能。

关键词 自锚式悬索桥；独塔单柱；单索面；混凝土梁

Design practice of self anchored suspension bridge with single tower concrete beam

Li Wenbo

（Shanghai Municipal Engineering DesignGeneral Institute（Group）CO.,LTD.shanghai 200092，China）

Abstract: The main bridge of Mulanxi Bridge on Ligang Avenue in Putian is a single-tower, single-column, single cable-stayed, self-anchored suspension bridge with a span of 40+50+100+100+50+40 m and a width of 37.8 m. The main bridge adopts a tower girder consolidation system and the main girder is a wing-spreading prestressed concrete structure. For the first time, a partial self-anchored suspension bridge structural system was adopted. Unlike previous self-anchored suspension bridges, the main cable of this bridge adopts pre-stress anchoring method, which improves the stress performance in the anchorage area. This paper focuses on the force characteristics and design of the bridge.

Key words: Self-anchored suspension bridge; single tower and single column; single cable-stayed; concrete girder

1. 概述

自1870年奥地利桥梁工程师团队在波兰线上建造了首座小型桥梁铁路自锚式式悬索桥以来,世界上多座自锚式铁路悬索桥陆续开工建成,如日本1990年9月建成的此江荷花铁路大桥(桥梁主跨300米)、韩国1999年9月建成的永宗荷花大桥(桥梁主跨300米)、美国2016年9月建成的旧金山-奥克兰湖南海湾湾大桥(桥梁主跨385米),中国2006年9月建成的广东佛山湖北平胜铁路大桥(桥梁主跨350米)、2013年9月建成的郑州桃花峪黄河小干大桥(桥梁主跨460米)、2017年9月建成的舟山小干二桥(桥梁主跨370米)等,目前还有世界桥梁跨度最大的小型自锚式铁路悬索桥——湖天鹅湖亚公岩桥梁复线桥(桥梁主跨600米)正在陆续施工之中。

自锚式软土悬索桥完全省去了传统地锚式软土悬索桥的全部锚架和碇支撑结构,能广泛适用于砂质软土中的地基。随着我国社会主义经济发展水平的不断提高,人们对各种桥梁主体结构的艺术需求已不仅仅局限于具有交通实用功能和具有经济实用性能的这两个基本方面,对各种桥梁结构建筑造型的艺术追求越来越高。自锚式钢梁悬索桥因其柔美的造型外观,受到越来越多大桥建设者的广泛青睐。

福建省莆田市荔港大道是一条的城市主干道，双向6车道布置，设计车速60km/h。荔港大道跨越木兰溪处为木兰溪大桥，其主桥自锚式悬索桥，荷载等级为城-A级。桥址处中风化及微风化花岗岩埋深约30～50米，岩石单轴极限抗压强度35～45 MPa。由于地质条件较好，大桥主梁采用了造价低、重量大的混凝土结构。结合当地的山水特征，大桥采用独柱单索面布置。本桥虽然跨度不大，但在结构设计方面新颖独特。

2. 桥型布置

2.1 总体布置

主桥结构为一座独塔单跨双索面钢筋混凝土梁自锚式单梁悬索桥,全段主桥仅可架设一根悬索塔柱,桥跨高度布置为40m+50m+100m+100m+50m+40m=380m,桥面的纵横向高度布置为:0.4m(人行车道栏杆)+3.5m(机非中央分隔带)+0.5m(机非防撞人车护栏)+12m(车非机动车道)+5m(人车中央机非分隔隔离带)+12m(车非机动车道)+0.5m(机非防撞人车护栏)+3.5m(机非中央分隔带)+0.4m(人行车道栏杆)=37.8m。桥面斜坡采用双向横向斜坡2.0%。大桥立面上的总体结构布置设计见如下图1,实桥整体照片展示见如下图2。

图1 主桥立面布置面（单位：cm）

图2 实桥照片

2.2 结构体系

本桥结构采用桥式塔梁竖向固结结构体系,每个塔梁墩位均分别设置两个塔梁竖向固定支座;每个桥墩连接处两个竖向支座两端均可进行纵向固定滑动,一个支座横向滑动固定,另一个支座横向固定可垂直滑动。桥墩上需要设置两个横向支撑挡块,在罕有一遇的大地震下桥墩支座柱的横向会被剪坏,横向承受地震的应力由两个挡块共同传至两个墩柱共同一起承担。该结构体系大大提高了机车主梁横向抗压和扭变形性能,减小了机车运营受力荷载下的机车主梁的局部横向抗扭变形。

2.3 施工方法

本桥主要采用先梁后缆线的施工工艺。水中支架基础浇筑采用水中围堰法浇筑施工,主梁支架采用水中支架排水法浇筑施工,分段排水浇筑以有效减小水中支架不均匀性在沉降时所产生的不良影响。桥塔结构采用重力翻模法进行施工。

3. 结构受力特点

本桥恒载下的内力示意图见图3，主梁及桥塔的弯矩包络图见图4。由图可见：

1.索塔为小偏心受压构件

由于桥跨对称布置，因此桥塔在恒载作用下弯矩为零。另外，主梁刚度较大，活载大部分由主梁传至下部结构，少部分通过主缆传至塔顶，因此索塔受到的活载水平力较小、索塔活载弯矩较小。故索塔的受力以恒载轴压为主，兼有可变荷载产生的较小的弯矩，为小偏心受压构件。结构设计中充分考虑了这个特点。

图3 结构恒载内力示意图 图4 主梁及桥塔弯矩图包络图

2.主梁是以轴压和弯矩并重的大偏压受压构件

由于本桥主梁的高跨比较大，具有一定的抗弯刚度，因此恒活载下弯矩也较大。加上主缆传给主梁的巨大轴力，主梁是大偏压受压构件。主梁设计中充分考虑了弯矩和剪力的作用，配置了适当的预应力钢束。

4. 结构设计

4.1 索塔

图5 索塔布置图（单位：cm）

索塔总高57.7m,其中桥面以上塔高44m,采用C50级混凝土。塔柱采用带切角的矩形断面,上塔柱为实心断面,下层的塔柱顶部为空心方形断面。上下层塔柱桥梁断面整体尺寸一般为4.3~3.118m(顺桥向)x3m(斜斜横桥向),为方便施工布置索鞍,塔顶塔柱截面可以顺桥向斜对尺寸进行局部缩小放大为4.5m。下沉式主塔柱横截面外形的轮廓宽度尺寸为6~5m(顺桥向)x7~5m(1米横桥向),塔柱壁厚为1.3m(顺桥向)和1.8m(1米横桥向)。索塔尺寸情况详见如下图5。上下层塔柱框架采用钢筋实心整体钢筋混凝土框架结构,省去了钢筋内模,方便了后期施工,也和小面积偏心塔在受压时的构件外形特征相互的适应。

4.2 主梁

为充分适应大桥单索面主梁横向倾斜受拉阻力大的特点,主梁结构采用双层倒梯形大跨度斜坡式腹板梁和展翅式双箱形箱梁结构,单箱三层双室箱式布置。箱梁顶面顶板横向底部设置2%双向水平坡,顶板宽37.5m;底面底部横向设置为90度平坡,标准箱梁断面底宽9.9m;两侧制动悬臂杆的长度分别为4.5m。箱梁主缆横桥向锚固为了改变高度,标准箱梁断面应在桥梁梁向中心线锚固处的梁高为3.5m,在箱梁主缆线的锚固处应将主梁向横截面处的局部高度加高到6.8m。主梁墩顶全长500米设置横梁式隔板,标准主梁间距长度为5m,墩顶两端处分别设置两个横断板隔梁。

主梁标准断面顶板厚25cm，底板厚30cm，斜腹板厚22～40cm，直腹板厚40～80cm（局部区域加厚到140cm）；标准吊索横隔板厚40cm，非吊索横隔板厚24cm，边墩墩顶横隔梁宽1.3m，主缆锚固横梁宽5.0m（中箱）、2.5m（边箱），其余横梁宽2.0m。主梁混凝土为C50级。主梁纵向受力特征类似连续梁结构，纵向配置了顶板束、底板束和腹板束，均采用Φs15.20高强度低松弛钢绞线；主梁在墩顶附近及横梁上吊索锚固处布置了竖向预应力，采用精轧螺纹钢；在桥面板（扁锚体系）和横梁中布置了横向预应力，采用Φs15.20高强度低松弛钢绞线。

图6 主梁标准横断面（单位：cm）

4.3 缆吊系统

缆吊系统包括主缆、吊索、索鞍、索夹、散索套及缆索附属设施等。

全桥共布置一根主缆，直接锚固于梁体中央，跨度为2x102.5m（含锚固区段长度），矢高为9.75m。主缆由91股91丝的预制平行钢丝索股（PPWS）组成，索股采用直径为5.1mm、标准抗拉强度为1670MPa的高强镀锌钢丝组成。主缆索股采用热铸锚，锚具材料采用ZG310-570。主缆索夹内直径为513mm，索夹外直径为518mm。

吊索采用成品平行钢丝斜拉索，每个吊点均为顺桥向的双吊索，全桥吊索共30对。吊索标准间距5m，最后一根吊索距塔中心线7m。吊索准抗拉强度为1670MPa，规格为PES7-073和PES7-139两种，拉索一端采用张拉端冷铸锚，另一端采用叉耳与索夹销接。

全桥共一个索鞍，由鞍槽、鞍体隔板、锌填块、封盖、预埋底板、焊接钢板、螺栓等组成。索鞍高度约为3800mm，底板顺桥向长度4200mm，重约60t。索鞍材料为ZG310-570。考虑到吊装方便，索鞍分成两块，吊至塔顶后进行栓接。索鞍底板与塔顶预埋板固定，未预留施工中的滑动措施。

图7 索鞍照片 图8 索夹照片

索夹和散索套均为销接式，采用上下对合的形式，壁厚40mm。材料为ZG310-570。

缆索附属系统包括主缆检修走道、主缆散索区的锥形护套、主缆缆套及主索鞍保护罩。

4.4 主缆锚固系统

图9 主缆索股锚固构造图

图10 主缆锚固布置图

和以往自锚式悬索桥有所不同，本桥采用了预应力前锚式的锚固结构，其布置见图10，索股锚固构造见图9。

4.5 下部结构

下部结构桥墩为实体式；主塔承台为多边形，桥墩承台为矩形；桩基采用钻孔灌注桩。主塔基础采用10根φ1.8m钻孔桩，持力层为微风化花岗岩；锚固横梁处桥墩采用2 x 4根φ1.8m钻孔桩，其余桥墩采用2 x 2根φ1.8m钻孔桩，桩基持力层为微风化或中风化花岗岩。

5. 技术特点分析

1、部分自锚式悬索桥结构体系

本桥主梁具有较大的整体弯矩，受弯特征明显，这种结构体系为部分自锚式悬索桥。该结构体系适用于主梁高跨比较大的情况，可以充分发挥梁体受力作用，减小缆索系统规模，节约工程投资。

本桥为单索面结构，主梁高度由横向受力控制，因此采用了3.5m的梁高。对于100米跨的主梁而言，主梁的抗弯刚度较大，具有较强的抗弯能力。设计中先对吊索索力进行了优化，使预应力混凝土主梁的抗弯能力得以充分发挥，然后再设计缆索系统。

2、大展翅斜腹板的主梁断面

主梁的大展翅斜腹板的主梁断面改善了结构横向受力，节省了工程投资。从侧面看上去，梁体轻盈，景观效果好。该断面特点是腹板数较少，抗剪截面小。由于部分自锚式悬索桥主梁中弯矩和剪力都较大，因此需要合理布置腹板。设计中应充分考虑这个特点。

3、预应力前锚式锚固体系

自锚式悬索桥的主缆索股锚头构造多与斜拉索锚头相似，混凝土自锚式悬索桥的主缆多采用后锚式布置，索股安装难度较大，且众多的索股套管大大削弱了锚体断面。为了方便主缆索股安装，同时提高主缆锚体混凝土结构整体性，本桥主缆采用了类似地锚悬索桥的预应力前锚式结构。采用该锚固体系后，锚固处适应主缆长度偏差的能力增大（可达±40cm以上），从而降低了主缆安装难度，方便施工。采用该体系不需在主缆锚固区开设空洞，改善了锚固区受力性能，增加结构安全性。

4、索鞍底部与塔顶预埋板的连接关系

本桥桥跨布置关于桥塔对称，在吊索完全对称张拉情况下，主缆在塔顶的水平力为零，因此设计时索鞍底板与塔顶预埋板固定，没有预留施工中滑动措施。实际施工中，吊索索力不可能完全对称，因此恒载下有部分水平力作用于塔顶。为使两跨索力对称布置，本桥吊索施工中增加了一轮张拉过程。今后设计中建议预留塔顶施工中滑动措施，使得桥塔在主缆恒载水平力和偏心竖向力作用下达到平衡，简化吊索张拉过程。

6. 结语

该桥造型源自于当地标志性自然景观——“壶山·兰水” 中的壶公山，将山、水有机融为一体，远望去仿佛莆田的母亲河——木兰溪上浮起了一座壶公山，成为当地一道靓丽的风景线。本桥首次采用了部分自锚式悬索桥体系，并针对技术难点采用了一系列有效的技术措施。木兰溪大桥已于2010年建成通车，距今已近十年，运营情况良好。

参考文献

［1］严国敏.现代悬索桥. 人民交通出版社，1999.

［2］吕雪梅.我国最大自锚式悬索桥即将开工[J].中外公路,2004年03期.

［3］李建本,贾军政.自锚式悬索桥发展综述[J].城市道桥与防洪,2005年05期.

［4］孙立刚.发展中的自锚式悬索桥[J].北方交通,2006年11期.

［5］蔡迎春,万超,郑元勋.中国自锚式悬索桥发展综述[J].中外公路,2013年04期.

［6］常付平.舟山市小干二桥工程主桥设计[J].桥梁建设，2016，46（6）：83-87.

作者简介：李文勃，男，1975.6生，籍贯河南灵宝，博士，高级工程师。1997年毕业于同济大学桥梁与隧道工程专业，工学学士，2002年毕业于同济大学桥梁与隧道工程专业，工学硕士，2007年毕业于同济大学桥梁与隧道工程专业，工学博士。研究方向：桥梁结构设计、桥梁抗风。

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