独塔双索面曲线斜拉桥方案设计

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1、1概述本桥为一座跨海特大桥，主桥采用独塔双索面斜拉桥，跨径布置为150m+150m ,桥面宽40.5m。主梁采用流线型扁平封闭 钢箱梁，主塔为H形混凝土塔，索塔总高度为90.3m ,桥面以上高度为70.6m ,高跨比为0.47。根据工程所处的地理位置和建设条件，本工程具有以下特点：(1曲线斜拉桥、H形索塔不设上横梁本桥位于3400m半径的圆曲线上，斜拉索径 向力对索塔和主梁均产生不利影 响，且桥梁宽度达到40.5m ,索塔和主梁的空间受力问题显得尤为突出。国内设计的曲线斜拉桥跨径不大且桥宽较窄，一般索塔均设计成横向刚度较大的 A形以抵 抗斜拉索径向力的影响，增加全桥横向刚度及稳定性。而本桥由于

2、景观需要，设 计成H形索塔且不设置上横梁，如何采取构造措施确保结构的安全性是本桥需重点考虑的内容。(2桥位处设计风速大桥位处基本风速达到了 41.2m/s,桥梁的抗风稳定性和安全性是设计必须解决 的问题。特别是在低风速情况下塔柱易发生涡振，而涡激振动能激发竖向和扭转 2种振型，发生扭转失稳和颤振，对行车人产生不舒服的感觉，而且经常诱发涡流 的振动将导致结构构件在承受相应的脉动力时引起疲劳。因此设计过程中，应采 用数值风洞技术，选取气动 性能好的断面，减少动风荷载对结构的不利影响。(3主桥平、纵、横参数复杂本桥位于3400m半径的平曲线上，桥梁纵坡平缓，相邻两个纵坡分别为- 0.627%和0.5

3、04%。设置超高,横坡为2%。应采取措施处理桥面排水以及 单向坡 钢箱梁设计等问题。(4海洋环境侵、腐蚀严重桥址区常年气温较高，湿度大，季候风强烈，海水含盐度高，涨、落潮的干湿 侵、腐蚀效应，海洋大气的侵、腐蚀作用对大桥的使用寿命有较大影响。独塔双索面曲线斜拉桥方案设计戴捷，周彦锋，王立新，韩大章(江苏省交通规划设计院有限公司,江苏南京210005摘要:介绍了一座独塔双索面曲线斜拉桥方案设计的内容，包括结构体系选择、主梁类型选择、索塔横向受力研究及斜拉索索形选择等。为确保结构安全，建立有限元模型进行了详细的 静、动力分析，结果表明斜拉桥各部 分构造合理可行。关键词斜拉桥；有限元；双索面；独塔；

4、方案设计 中图分类号：U442.54文献标识码:A文章编号：1672-9889(2010 03-0032-05Scheme Design of a Curvilinear Cable -stayed Bridge with Single -tower andDouble -cable Pla nesDai Jie , ZhouYa nfeng , Wang Lixin , Han Dazha ng(Jiangsu Provincial Communication Planning and Design Institute Co. , Ltd ,Nanjing 210005, ChinaAbst

5、ract :This paper in troduces the scheme desig n of a curvili near cable -stayed bridge with sin gle -tower and double -cable pla nes , which in cludes the selecti on of structural system and main beam types , the lateral force research in tower and the choice of cable shape. To ensure the structural

6、 safety , a finite element model is established for static anddyn amic an alysis ,the results show that all parts of cable -stayed bridge is reas on able and feasible. Key words :cable -stayed bridge ; finite element; double -cable planes ; single -tower ; scheme desig n作者简介:戴捷（1973-,男,江苏阜宁人,高级工程师,主

7、要从事桥梁设计工作。第7卷第3期2010年6月Vol.7No.3Ju ne 2010现代交通技术Moder n Tran sportati on Tech no logy第3期合理的结构设计和有效的防侵、腐措施，是确保结构在设计使用寿命年限内结构安全和正常使用的前提条件。2方案研究2.1结构体系选择斜拉桥常用的结构体系包括：飘浮体系、支承体系、塔梁固结体系、刚构体系。对于独塔钢箱梁斜刚构体系的特点是塔梁墩相互固结，这种体系的优点是既免除了大型支座又能 满足悬臂施工的 稳定要求；结构的整体刚度比较好，主梁挠度小。由于本桥采用 钢箱梁和混凝土索塔，存在钢箱梁与混 凝土索塔下横梁的钢混连接问题，接头

8、处是 结构特性和材料特性突变处，容易形成结构的弱点，处理不当极易出现问题，导致 混凝土开裂，影响结构的 耐久性。另外，钢梁和混凝土梁2种材料的收缩系 数不 同，结构刚度也不同，直接影响到桥面铺装使 用的耐久性；若采用2种铺装形式， 还存在不同铺 装的衔接问题3。而支承体系采用在下横梁顶面设置支座及挡块，约束主梁的横向、纵向及竖向位移。结构受力明确，可计算求得支承反力，并对钢箱梁相应部位进行加劲， 计算理论成熟，可靠性好，结构安全度高。并且主梁为全钢箱梁构造，通过长效油 漆防腐体 系，可确保结构的耐久性。对于结构设计而言，受力应越明确越好。因此从方案的可靠性、安全性、 耐久性等角度出发，选用支承

9、体系的结构形式。2.2主梁类型选择通常斜拉桥主梁可采用钢箱梁、叠合梁、混合梁及混凝土梁等几种形式。 混凝土梁具有造价低、刚度大、后期养护简单等优点，但是混凝土梁施工速度 慢，斜拉索索距小，景观效果不好2,本桥桥面 宽，采用混凝土梁易引起开裂。且 索塔的横向受力是整个结构的薄弱环节，应尽可能降低索力，减小斜拉索径向力对 塔柱的不利影响，因此应选择自重 小的主梁形式。而钢箱梁自重小，施工速度快， 质量可靠。由于钢箱梁诸方面的明显优势，推荐采用钢 箱梁方案。主梁断面含风嘴全宽48m ,不含风嘴宽44.3m ,箱梁高度4m。箱梁设3道纵 隔板，主体结构为单箱4室截面。箱梁顶、底面平行布置，顶面单向2%

10、横坡由 梁体绕设计高程点旋转而成。主梁标准断面如图1所示。由于箱梁内外侧拉索面外角度不同，内外侧外 腹板倾斜角度也不同图1主梁标准横断面图考虑构造和施工要求,主梁划分为A、B、C、D、E共5种类型,共25个 梁段,其中A梁段为0#段梁段,B、C为索塔区加强段、D为标准节段,E为梁 端节段，桥梁中心线位于半径3400m的平曲线上，标准节段在桥梁中心线处长 12.8m。梁段之间的连接采用全断面焊接方式。2.3索塔横向受力研究索塔采用H形索塔，由左、右2根塔柱和下横 梁以及索塔附属结构设施（避 雷设施，航空警示灯等组成。索塔总高度为90.3m ,索塔在桥面以上高度为 70.6m ,高跨比为0.47。

11、索塔顺桥向宽度由塔顶的6m直线变化至塔底的8m ;横桥 向宽度由塔顶的4.5m直线变化至塔底的5.5m ,塔柱采用箱形 断面。索塔在主梁 底设一道下横梁，横梁采用箱形 断面，宽7.68m ,高5m。索塔构造如图2所示。图2索塔一般构造图戴捷,等:独塔双索面曲线斜拉桥方案设计 33 -现代交通技术2010年由于索塔不设上横梁，且桥位处基本风速达到 了 41.2m ,主梁位于3400m半径 的圆曲线上，塔柱的横向受力是整个索塔结构的最薄弱的环节。由于斜拉索梁上锚固点与塔柱的中心线顺桥 向不在一条轴线上，因此斜拉索横桥向的水平分力 对 塔柱产生弯矩，加之横向风荷载的作用，使下横梁处塔柱断面成为整个索

12、塔的控制 断面。从图3所示的塔柱和斜拉索梁上锚固点的相 对位置示意图中可以看出，主梁的 圆曲线使得主梁 外侧锚固点逐渐偏离塔柱中心线，而主梁内侧锚固 点逐渐靠近塔 柱中心线。圆曲线的外矢距（E值为2.933m。图3塔柱与梁上锚固点相对位置示意由于空间索面和主梁平曲线的综合影响，斜拉索横向水平分力产生的塔柱弯矩 较大,内侧塔柱控 制断面的横向弯矩约为102600kN m，外侧塔柱控 制断面的横向 弯矩约为200170kN m。外侧塔柱受力最为不利，强度不能满足要求，应采取措 施降低塔柱横向弯矩，主要考虑的措施有3种:（1加宽钢箱梁，主梁锚固点 外移，减少主梁锚固点与塔中心线间的偏位，可以降低索塔

13、弯矩；（2在塔内 施加竖向预应力，以抵消斜拉索水平分力产生的弯 矩；（3前2种方法综合使用。 表1、表2为计算结 果汇总表。表1内侧塔柱控制断面恒载工况下计算结果注:1为梁对称加宽2m ,主梁共加宽4m ; 2为施加50000kN预应力，以抵消斜拉 索产生的弯矩；3为梁对称加宽1m ,施加25000KN预应力;4为梁对称加宽1.5m，主 梁共加宽3m。表2外侧塔柱控制断面恒载工况下计算结果注:1为梁对称加宽2m ,主梁共加宽4m ; 2为施加100000kN预应力，以抵消斜 拉索产生的弯矩；3为梁对称加宽1m ,施加75000kN预应力；4为梁对称加宽2m , 施加50000kN预应力；5为梁

14、对称加宽1.5m ,施加40000kN预应力。从计算结果看，外侧塔柱较内侧塔柱受力更 为不利，在梁对称加宽2m的 情况下，内侧塔柱的横向弯矩基本能消除,而外侧塔柱仍存在将近 100000kN m的弯矩,可通过施加50000kN预应 力的方式消除（预应力筋力臂为 2m ,或者通过配 置普通钢筋的方式抵抗横向弯矩。梁对称加宽2m后增加钢材用 量660t ,约增加造价920万元,且钢箱梁全宽将达到49m。设计中考虑尽量减少 钢箱梁的宽度，以降低造价，改善钢箱梁的横向受力，且塔柱弯矩应尽可能通过普 通钢筋承受，尽量减少预应 力度。经综合考虑，钢箱梁采用对称加宽1.5m ,且外 侧塔柱内配置40000k

15、N竖向预应力，恒载及风 荷载作用下的横向弯矩通过配置普 通钢筋的方式来承受。设计过程也考虑过其他降低斜拉索径向力对塔柱不利影响的方法，但这些措施 效果一般。主要考虑了如下方法:（1锚固区塔壁不等厚，则斜拉索作用点与形心 存在偏心，通过偏心弯矩抵消一部分 塔柱横向弯矩，经计算塔壁不等厚（一侧0.8m , 一侧1.2m ,产生的偏心距约0.1m ,则产生的抵消弯 矩仅8000kN m ,改善效果不 明显。同样如果将锚 点不布置在断面中部，起到的作用也很小。（2钢箱梁的宽 度不变，减少两塔柱横向间距，即塔柱占用紧急停车带的位置，也能起到减少主梁 锚固点与塔 中心线间偏位的目的，但是索塔处局部位置紧急

16、停 车带非常窄，设计不 建议采用该方法。2.4斜拉索索形选择根据斜拉索在索平面内的布置，可分为辐射形、竖琴型和扇型3种形式。由 于辐射形索的最大措施弯矩值/（kN m壁厚1m壁厚1.2m壁厚1.5m（压max /MPao拉 max /MPao 压 max /MPao 拉 max /MPao压 max / MPao拉 max / MPa无 1026008.74-0.548.32-0.337.86-0.31 118704.194.024.073.913.843.7026.676.676.216.215.665.66 35.385.385.105.104.724.72 4270705.332.885

17、.132.854.852.69 措施弯矩值/(kN m壁厚1m壁厚1.2m壁厚1.5m (压max /MPao 拉 max /MPao 压 max /MPao 拉 max /MPao 压 max / MPao 拉 max / MPa 无 20017013.2-4.9512.4-4.4411.7-4.1937.957.957.327.326.606.60 46.676.676.216.215.665.665447208.664.688.064.367.413.91 1995408.61-0.408.19-0.207.73-0.19 29.239.238.438.437.557.5534 -问题在

18、于所有的拉索均集中于塔顶，此锚固区应力 集中、构造复杂、造价昂 贵且外观较笨重1。因此现代斜拉桥很少采用这种布置方式。竖琴形布置中的斜拉索成平行排列，因此各索 倾角相同，外形美观，具有很好 的韵律；斜拉索分别 连接在塔的不同高度上，索与塔的连接构造易于处 理；由于倾 角相同，各索的锚固构造相同，塔中压力 逐段向下加大，有利于塔的稳定性。但是 竖琴型布置时斜拉索倾角较小，索的总拉力大，故钢索用量较多。扇形布置的斜拉索是不相互平行的，是介于辐射形和竖琴形之间的拉索布置形 式，一般在塔 上和梁上分别按等间距布置，兼顾了以上2种形式的优点而减少其缺 点，因此有较多的斜拉桥采用这种形式。本桥扇形布置方式

19、斜拉索在塔上的间距为2.5m ,斜拉索在梁上的间 距为12.8m ;竖琴形布置 方式,斜拉索在塔上的间距为6.5m ,在梁上的间 距为12.8m。2种斜拉索布置方式的效果图如图 4所示：图4竖琴形及扇形斜拉索布置针对2种斜拉索布置方式均进行了计算，结果表明：扇形索的总索力约为竖琴 形总索力的0.8倍，斜拉索材料能节省20%左右，另外由于扇形斜拉索 索力小，则 钢箱梁内的轴力也小，能节省钢材的用 量。而本桥索塔采用H形索塔不设上横梁 塔的横向弯矩是一个重点关注的内容，虽然竖琴形斜拉索 索力大，但是其力臂小 根据计算结果，2种斜拉索 布置方式，索塔控制断面的横向弯矩相差不多，但是竖 琴形布置方式索

20、塔的横桥向剪力 是扇形的2倍。因此从力学和经济的观点出发 扇形索要优于竖琴形索。在景观方面，竖琴形斜拉索倾角相同，具有很好的韵律。而扇形索给人一种 舒展的感觉，拉索断面纤细，美感度提高，另外扇形索兼有辐射形和竖 琴形索的优 点，可灵活地布置，因此推荐斜拉索纵向采用扇形的布置方式。3静力计算计算使用MIDAS程序，计入了斜拉索垂度效 应。边界条件为：主梁与索塔横 向、竖向及纵向约 束；钢箱梁与过渡墩为纵向活动、竖向及横向约束；塔底采用 弹簧约束，约束刚度根据基础变形求得。结构离散如图5所示：图5结构离散图计算结果表明：在最不利工况下，考虑剪力滞 的影响，钢箱梁最大应力120MPa ,满足规范要求

21、。汽车荷载作用下结构最大向下位移 12.2cm ,向上位移 5.1cm ,结构刚度满足1/400的要求。主桥1阶弹性稳定安全系数53.8,满足稳定 性要求。4抗震性能研究根据公路桥梁抗震设计细则（JTG/TB02-01 2008第3.1.1条的规定，本桥属A类桥梁，抗震设防目标是E1地震作用（重现期475年下不应发生损伤，E2地 震作用（重现期约为2000年下可产生有限损伤。采用Sap2000有限元程序建立主桥的动力空间计算模型。有限元计算 模型以顺桥向为x轴，横桥向为y轴，竖向为z轴。主桥扁平钢箱梁、主塔、 墩柱均采用空间的梁单元模拟，斜拉索采用空间桁架 单元。承台模拟为质点，赋 予承台质量

22、，并与塔底和桩基顶部节点形成主从连接。主塔、过渡墩的桩基础 均采用一个集中土弹簧模型加以模拟，2期恒载等效为线质量均匀施加主梁上。模型中各部分约束条件详见表3,动力计算模型见图6在E1、E2地震作用下，分别输入纵向+竖向和戴捷,等:独塔双索面曲线斜拉桥方案设计 35 -现代交通技术2010年横向+竖向2种地震组合后，对结构抗震性能进行 验算后可知：主塔各关键截 面、主塔桩基础单桩最 不利截面在纵筋率较小的情况下，能满足预期性能 目标要 求，同时各关键节点位移没有明显增大。表3模型边界及连接条件注:表中x为纵桥向，y为横桥向，z为竖向;0表示自由,1表示主从或固结，s表 示弹簧约束。图6主桥计算

23、模型5抗风性能研究主桥具有跨度大、阻尼低”的特点，桥位所在 地区气象条件较复杂，因此, 结构的风致响应，尤其是典型施工阶段（独塔自立状态、施工最大双悬臂阶段的 风致响应及抗风稳定性，是关系到施工安 全和运营安全的重要问题，应予以高度重 视。最大双悬臂状态，可以在施工中采取增设临时墩的方法 减少悬臂长度，降低 风荷载的不利影响，不控制结 构设计。该桥利用结构动力特性和静力3分力计算结 果，选取第1对称竖弯和扭转振型 进行验算，计算结果如表4所示。桥塔的驰振计算结果如表5所示。表4主梁抗风稳定性验算m/s表5桥塔驰振稳定性m/s6耐久性设计主梁、斜拉索等采用钢结构，塔、墩和基础采用钢筋混凝土结构，

24、设计基准 期为100年。桥位地处高温、多雨、含盐雾的亚热带地区，且位于浅海滩涂地 带，所处环境恶劣，受海水、盐雾、海风及涨落潮 干湿循环等因素影响。影响海上桥梁结构耐久性的主导因素是结构的抗氯离子或者氯盐腐蚀性能，主要通过以下几个 方面加以控制：(1结构设计。包括限制钢筋混凝土裂缝宽度、采用全预应力混凝土结构、 合适的保护层厚度、提供管养通道等。(2混凝土原材料性能。包括采用海工耐久混凝土、合适的混凝土配合比 等。(3施工质量控制。加强施工中的过程控制，提高结构耐久性。(4构件养护和运营维护。施工时现浇混凝土可采用养护剂喷涂或潮湿养护； 运营阶段建立一套桥梁健康监测系统用来监测和评估大桥在营运

25、期间其结构的承载能力、营运状态和耐久能力，发现问题及时维修加固。(5其他附加防腐措施如使用掺入型钢筋阻锈剂、采用耐候支座等。7结语斜拉结构可以用于曲线桥，只是力和位移比直 线斜拉桥要复杂，但是当今的手 段不难解决这些问 题，本文通过空间梁单元模型对结构进行详细的 静、动力分析 确保了结构的安全性。随着人们对此 类桥梁的进一步研究，并使之与环境融合， 将具有广阔的应用前景参考文献1 Niels J.Gimsing.缆索支承桥梁一概念与设计(第2版.金增洪泽M .北京： 人民交通出版社,2002.2 刘士林.斜拉桥M 北京:人民交通出版社,2002.3 苏通长江公路大桥设计项目组.苏通长江公路大桥初步 设计R .2002.4 JTG /TD65-01 2007公路斜拉桥设计细则S .邵旭东.桥梁设计与计算M .北京:人民交通出版社,2007.（收稿日期:2009-11-12位置x y z 9 x B主塔和主梁111000过渡墩和主梁011101拉索与主梁111111拉索与主塔111000主塔、过渡墩墩底s s s s s咱由度状态内容支承体系评价成桥颤振临界风速100安全横向屈曲临界风速100安全扭转发散临界风速100安全状态内容支承体系评价自立索塔横桥向驰振检验风速100安全顺桥向驰振检验风速100安全