獨(dú)柱塔自錨式空間纜索懸索橋設(shè)計(jì)

劉 斌

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

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獨(dú)柱塔自錨式空間纜索懸索橋設(shè)計(jì)

劉 斌

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

南京江心洲大橋是一座獨(dú)柱塔自錨式空間纜索懸索橋，孔跨布置為(35+77+60+248+35) m，主塔采用獨(dú)柱形式，主纜及吊索在邊跨采用平行布置、在主跨采用空間布置，主梁采用鋼混梁，設(shè)計(jì)難度大。通過技術(shù)研究，解決了橋梁總體布置、吊桿張拉、適應(yīng)空間線形的主索鞍和散索套構(gòu)造、鋼混結(jié)合段構(gòu)造等難題，保證了工程的順利實(shí)施。

自錨式懸索橋；空間纜索；鋼混梁；吊桿張拉

1 概述

自錨式懸索橋是一種不設(shè)重力式地錨，而以加勁梁梁端錨固主纜，承受主纜端部的水平與豎向分力的懸索橋體系。它與常規(guī)地錨式懸索橋的區(qū)別在于不設(shè)地錨、加勁梁承受主纜水平分力而造成主梁存在較大的軸向壓力。由于將主纜直接錨固在加勁梁上，這樣就取消了龐大的地錨，從而為不方便建造錨碇的地方修建懸索橋提供了一種解決方法[1，2]。

自錨式懸索橋靜動(dòng)力性能與傳統(tǒng)地錨式懸索橋相比存在許多不同之處。與地錨式懸索橋相反，隨主纜矢跨比、主纜抗拉剛度的增大，結(jié)構(gòu)的豎向剛度隨之增大；加勁梁拱度的設(shè)置可以降低加勁梁跨中的彎矩，提高結(jié)構(gòu)的豎向剛度。隨加勁梁豎向抗彎剛度的增大，結(jié)構(gòu)的豎向剛度逐漸增大，加勁梁軸向剛度和主塔縱向抗彎剛度以及吊索抗拉剛度變化對(duì)自錨式懸索橋的靜力力學(xué)性影響不大。條件允許時(shí)將加勁梁向主纜錨固外延伸一跨或多跨，可以改善結(jié)構(gòu)的受力性能。合理的吊桿間距可以有效改善橋梁的受力性能，且吊桿間距與力學(xué)性能的變化不是單調(diào)線性的。在動(dòng)力方面，自錨式懸索橋保留了地錨式懸索橋自振周期長、振型密集的特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營期間應(yīng)該注意抗風(fēng)、抗震方面的安全性[3-6]。

近年來，自錨式懸索橋作為一種特殊的橋型，以其結(jié)構(gòu)造型美觀，經(jīng)濟(jì)性能好，對(duì)地形和地質(zhì)狀況適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到工程界的青睞，成為城市市區(qū)中小跨徑橋梁極具競爭力的橋型。國外近期自錨式懸索橋發(fā)展較快，如1990年日本建成的此花大橋、1999年韓國建成的永宗橋，其主跨跨度均為300 m，2013年建成的美國舊金山-奧克蘭海灣新橋主跨跨度為385 m。國內(nèi)自錨式懸索橋雖然起步較晚，但是發(fā)展迅速，如2006年建成的佛山平勝大橋主跨跨度為350 m，2006年建成的長沙三汊磯大橋主跨跨度為328 m。

2 工程概況

南京江心洲大橋是南京長江隧道工程的一部分，位于南京長江大橋與三橋之間，長江大橋上游約10 km處，北接江心洲跨長江夾江后，向南與河西新城的緯七路相接。橋址區(qū)地形地貌為長江沖積平原區(qū)，地表為砂性土。橋位處場地表層分布有“硬殼層”，頂部一般為素填土，上部為第四系全新統(tǒng)沖積流塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉土、粉砂等，中部第四系全新統(tǒng)中密～密實(shí)粉細(xì)砂，下部上更新統(tǒng)礫砂；下伏白堊系“紅層”。

該橋設(shè)計(jì)水位H1%=11.15 m(吳淞高程)，設(shè)計(jì)流量Q1%=5 310 m3/s，施工水位7.69 m(吳淞高程)，孔跨布置為(35+77+60+248+35) m，全長455 m，主橋邊跨跨度為137 m，在邊跨設(shè)置一個(gè)輔助墩，將邊跨跨度劃分為(77+60) m；主跨跨度為248 m，邊跨與主跨跨度比為0.55。主梁分為兩幅設(shè)置，凈距為8.2 m，兩幅主梁之間以多道橫梁連為一體，形成縱橫梁體系。主跨主梁采用鋼箱梁，邊跨及錨跨主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。主纜在橫橋向分為兩股，在邊跨位于豎直平面內(nèi)，錨固于橫梁中部；在主跨為空間索形，錨固于橫梁兩端[7]。如圖1、圖2所示。

圖1 南京江心洲大橋?qū)嵕?/p>

圖2 南京江心洲大橋總體布置(單位：m)

3 主橋總體設(shè)計(jì)研究

3.1 主跨跨度

根據(jù)通航情況，該橋所跨南京江心洲處長江右汊的航道標(biāo)準(zhǔn)為：最高通航水位10.398 m，最低通航水位2.398 m，通航凈高不小于10 m，單孔雙向通航凈寬不小于150 m；而且橋址處河道斷面呈U形，最大水深約24 m，常水位水面寬約250 m，水中墩施工難度大，資金投入多。因此必須采用較大的橋梁跨度以滿足通航要求、減少水中墩的個(gè)數(shù)并減小其施工水深，同時(shí)減小橋梁對(duì)河勢、水流的影響。綜上所述，考慮主跨一跨跨越河道，再綜合考慮橋址處的地形條件和實(shí)測斷面、主塔的施工條件及其對(duì)江心洲外堤的影響、主跨邊墩的施工條件等，主跨跨度采用248 m。

3.2 邊跨跨度

獨(dú)塔自錨式懸索橋邊跨與主跨的跨度比一般在0.5～1.0之間。例如平勝大橋主橋總體布置為(39.64+230+350+30+29.60) m，邊主跨比為0.66∶1;獵德大橋主橋總體布置為(47+167+219+47) m，邊主跨比為0.76∶1。

在一定范圍內(nèi)適當(dāng)縮短邊跨能夠減小主橋總長，從而降低工程造價(jià)。但當(dāng)邊跨縮短到一定程度，在邊跨主纜錨固處的橋墩將承受拉力，從而使該處橋墩及主梁的構(gòu)造、施工及養(yǎng)護(hù)維修趨于復(fù)雜，反而會(huì)對(duì)全橋的經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生不利的影響。因此，邊跨并不是越短越好，而是應(yīng)當(dāng)進(jìn)行合理的選擇。邊跨跨度采用137 m時(shí)，也即邊主跨比采用0.55∶1時(shí)，邊跨主纜錨固處的橋墩未承受拉力，但壓力富余量已經(jīng)較小，最小壓力(1幅橋)僅為1180 kN，計(jì)算表明，邊跨跨度每縮短1 m，則壓力就減小約420 kN。因此邊跨跨度考慮采用137 m。

3.3 錨跨

3.3.1 錨跨的設(shè)置

錨固跨的設(shè)置對(duì)自錨式懸索橋有一定的影響，從表1可以看出，當(dāng)設(shè)置錨固跨時(shí)，在汽車活載作用下加勁梁最大向下?lián)隙葴p小約6.0%；邊跨主纜錨固處橋墩的受力狀況得到較大改善。

可見設(shè)置錨固跨對(duì)加勁梁的豎向剛度有一定好處，但效果不明顯；對(duì)邊跨主纜錨固處的橋墩不承受拉力起著很明顯的作用，因此考慮設(shè)置錨固跨。

表1 錨跨設(shè)置比較結(jié)果

3.3.2 錨跨跨度

錨固跨度過大，經(jīng)濟(jì)性就差，錨固跨太小，支座就會(huì)出現(xiàn)負(fù)反力，通過對(duì)35、30 m兩種錨跨跨度進(jìn)行對(duì)比(表2)，當(dāng)錨固跨采用30 m，錨固處橋墩支座和錨跨邊墩支座均出現(xiàn)了負(fù)反力，采用35 m時(shí)兩處支座均承壓，因此錨跨跨度采用35 m。

表2 錨固跨度對(duì)比結(jié)果

3.4 輔助墩設(shè)置

圖3 邊跨和錨跨混凝土加勁梁橫向布置(單位：m)

設(shè)置輔助墩可以較大地提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度及改善整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力。在邊跨距離橋塔中心線60 m的位置設(shè)置一個(gè)輔助墩，這樣該墩處于邊跨中點(diǎn)附近，不僅將邊跨分為跨度接近的兩跨，從而可以較大限度地對(duì)邊跨主梁的受力提供幫助，而且在孔跨布置上也較為協(xié)調(diào)。 計(jì)算結(jié)果見表3，可見設(shè)置輔助墩，可以大幅降低邊跨的活載撓度，但是對(duì)主跨活載撓度影響較小。

表3 設(shè)置輔助墩后加勁梁最大汽車活載撓度 m

3.5 施工方法

施工順序依次為：基礎(chǔ)；橋墩、橋塔；主梁；主纜；吊桿安裝；橋面鋪裝?；A(chǔ)采用鉆孔灌注樁；橋墩采用支架現(xiàn)澆，橋塔采用爬模法施工；混凝土梁采用臨時(shí)墩和架設(shè)支架相結(jié)合的方式，分段澆筑施工。鋼箱梁采用膺架法，在水中架設(shè)膺架，各節(jié)段采用浮吊吊裝，直接在膺架上拼裝定位，依次組裝焊接。主纜施工采用預(yù)制平行鋼絲索股法(PPWS法)。

4 主橋設(shè)計(jì)

4.1 加勁梁

自錨式懸索橋加勁梁的結(jié)構(gòu)形式主要有鋼加勁梁、混凝土加勁梁、結(jié)合梁、混合梁等。采用何種形式的加勁梁，應(yīng)結(jié)合橋梁的實(shí)際情況，包括施工運(yùn)輸條件、抗風(fēng)要求、后期養(yǎng)護(hù)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多種因素，經(jīng)綜合比選確定。

(1)從跨越能力方面考慮，根據(jù)南京江心洲大橋一跨跨越長江夾江的要求，橋梁主跨248 m，對(duì)加勁梁的跨越能力要求高，要求梁體自重小，因此，混凝土加勁梁不能滿足該橋跨布置要求。

(2)從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，全橋范圍內(nèi)采用鋼加勁梁造價(jià)高；由于南京江心洲大橋的邊跨及錨跨均在岸上，可采用施工方便、價(jià)格便宜的混凝土加勁梁。

(3)從施工及工期方面考慮，結(jié)合梁由于整體性較差；同時(shí)，結(jié)合梁預(yù)制混凝土橋面板的安裝會(huì)加長施工工期。

綜上所述，考慮江心洲大橋所需求的跨越能力、經(jīng)濟(jì)性、施工及工期等諸多方面，加勁梁形式最終選用混合梁，邊跨和錨跨采用混凝土梁(圖3)，主跨采用鋼梁見圖4[8]。

圖4 主跨鋼加勁梁橫向布置(單位：m)

4.2 橋塔

橋塔承臺(tái)以上高107 m，為獨(dú)柱式，構(gòu)造以及尺寸見圖5。橋塔底部3 m段為塔座，采用實(shí)心圓形變截面，由直徑14.3 m塔座底截面直線漸變至直徑11.3 m塔座頂截面。塔身為變截面，一般為空心截面，局部為實(shí)心截面，截面外輪廓由多段凹或凸的圓弧線圍成，截面內(nèi)輪廓為八邊形。塔身在塔座頂部處(高程7.345 m)的截面外輪廓尺寸為順橋向?qū)?0 m，橫橋向?qū)?0 m，見圖6橋塔截面1；在塔座頂部以上14 m處(高程21.345 m)的截面外輪廓尺寸為順橋向?qū)? m，橫橋向?qū)? m，見圖7橋塔截面2；在塔座頂部以上89.2 m處(標(biāo)高96.545 m)及以上部分的截面外輪廓尺寸為順橋向?qū)? m，橫橋向?qū)? m，橋塔截面3見圖8。

圖5 橋塔立面(單位：cm)

圖6 橋塔截面1(單位：cm)

圖7 橋塔截面2(單位：cm)

圖8 橋塔截面3(單位：cm)

4.3 主纜和吊桿

南京江心洲大橋主纜施工采用預(yù)制平行鋼絲索股逐根架設(shè)的方法(PPWS)。主纜共2根，每根主纜中含55股平行鋼絲索股，抗拉強(qiáng)度為1 670 MPa，每股含127絲φ為5.30 mm的鍍鋅高強(qiáng)鋼絲(每根鋼絲鍍鋅前直徑為5.20 mm)，每根主纜共6 985絲，豎向排列成近似尖頂?shù)恼呅危扛骼|截面面積為0.154 101 9 m2。緊纜后，主纜為圓形，其直徑為489 mm(索夾處)和495 mm(索夾間)，主纜截面見圖9。主纜空隙率在索夾處取18%，在索夾之間取20%[9]。

圖9 主纜截面

吊桿順橋向間距為10 m。全橋共有33對(duì)吊桿，邊跨12對(duì)，主跨21對(duì)，其中主跨最外側(cè)(遠(yuǎn)塔側(cè))2對(duì)采用剛性吊桿。邊跨吊桿采用豎直雙吊桿(順橋向中心距60 cm)，采用PES7-121預(yù)制平行鋼絲束股(PWS)，外包PE進(jìn)行防護(hù)，吊桿上下錨頭均采用冷鑄錨。主跨吊桿下端錨固于鋼箱梁橫橋向兩端的鋼錨箱內(nèi)，采用橫橋向傾斜的單吊桿。主跨側(cè)剛性吊桿采用φ140 mm剛性吊桿，其余吊桿均采用PES7-85預(yù)制平行鋼絲束股(PWS)，外包PE進(jìn)行防護(hù)。

4.4 主要計(jì)算結(jié)果

(1)活載位移：在汽車靜活載作用下，主梁豎向向上位移最大為30.4 mm，豎向向下最小位移為500 mm，汽車靜活載撓跨比為1/496。

(2)單根主纜最大內(nèi)力為84 700 kN，對(duì)應(yīng)的主纜應(yīng)力為571 MPa，主纜的安全系數(shù)為2.92，大于2.5，滿足使用要求。

(3)混凝土梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D 62—2004)第6.3條規(guī)定：長期效應(yīng)組合下，混凝土主梁最小正應(yīng)力0.428 MPa>0 MPa；短期效應(yīng)組合下，混凝土主梁最小正應(yīng)力-1.51 MPa大于-0.7ftk=-0.7×2.85=-1.995 MPa，最小主應(yīng)力-1.32 MPa>-0.5ftk=-0.5×2.85=-1.425 MPa。

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D 62-2004)第7.1.5和7.1.6條規(guī)定：標(biāo)準(zhǔn)值組合下，混凝土主梁最大正應(yīng)力為18.6 MPa，小于0.5fck=0.5×38.5=19.25 MPa， 混凝土主梁最大主應(yīng)力為18.6 MPa，小于0.6fck=0.6×38.5=23.1 MPa。混凝土梁的各項(xiàng)應(yīng)力值均在規(guī)范容許范圍內(nèi)[10-11]。

鋼主梁在標(biāo)準(zhǔn)值組合下，鋼主梁最大正應(yīng)力158 MPa，最小正應(yīng)力-22.9 MPa，小于基本容許應(yīng)力[σw]=210 MPa，滿足規(guī)范要求[12]。

(4)自振特性分析

自振特性分析采用“橋梁結(jié)構(gòu)空間計(jì)算分析系統(tǒng)”BNLAS軟件，模擬結(jié)構(gòu)實(shí)際約束情況，橋塔基礎(chǔ)采用土彈簧模擬，其余橋墩均采用支座[13-14]。通過計(jì)算，前10階自振特性見表4。

表4 結(jié)構(gòu)自振特性

5 關(guān)鍵技術(shù)

5.1 吊桿張拉研究

自錨式懸索橋的主纜錨固在主梁的兩端，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定其“先塔梁，后纜索，再張拉吊桿”的施工工序。雖然自錨式懸索橋在很多方面可以借鑒地錨式懸索橋的經(jīng)驗(yàn)，如主纜的空纜線形控制、下料長度計(jì)算及吊桿長度設(shè)計(jì)，但由于主纜錨固在主梁兩端，主梁的變形會(huì)影響主纜的線形。另外，由于主梁要在主纜架設(shè)之前先施工，并且支撐于支架上，這樣，吊桿的安裝和張拉成了自錨式懸索橋施工設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)，這與地錨式懸索橋先主纜后主梁的做法有很大的區(qū)別。地錨式懸索橋的吊桿安裝與梁段拼裝過程中，吊桿的長度基本不變，梁段可以隨著主纜變形，吊桿力的大小基本與其承擔(dān)的梁段重量相等，隨其他梁段的吊裝變化不大，全橋梁段合龍后及二期恒載施加，一般不對(duì)吊桿力進(jìn)行調(diào)整。而自錨式懸索橋有所不同，由于主纜的空纜狀態(tài)與成橋狀態(tài)位置不同(南京江心洲大橋二者橫向位置最大相差3.729 m)，而主梁的位置在主纜由空纜狀態(tài)轉(zhuǎn)變到成橋狀態(tài)的過程中基本在同一位置，這樣就造成在兩種狀態(tài)下，吊桿的長度相差比較大，吊桿的制作長度一般小于空纜狀態(tài)下吊桿上錨點(diǎn)到下錨點(diǎn)的距離，吊桿在張拉時(shí)需要采用接長桿等措施。在吊桿的張拉過程中，存在各種非線性的影響，如吊桿張拉對(duì)其他吊桿力的影響是非線性的，鞍座的頂推過程對(duì)結(jié)構(gòu)的影響是非線性的，吊桿張拉過程中主梁與支架之間的相互作用力的變化是非線性的，隨著吊桿的不斷張拉，主梁內(nèi)的軸向壓力不斷增長，混凝土的徐變和收縮不斷發(fā)生，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了與時(shí)間有關(guān)的非線性影響。自錨式懸索橋的吊桿張拉過程是十分復(fù)雜的，受到諸多因素的制約，如橋塔受力、加勁梁受力、張拉設(shè)備、施工工期等。

南京江心洲大橋是一座獨(dú)柱塔自錨式空間纜索懸索橋，其吊桿張拉過程具有一般自錨式懸索橋的特點(diǎn)，同時(shí)由于獨(dú)特的構(gòu)造，又有其特殊的方面，該橋的吊桿張拉工程分為四個(gè)階段，最終達(dá)到設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)，完成體系轉(zhuǎn)換。

(1) 預(yù)張拉階段

主纜從空纜狀態(tài)到吊桿力為0.3P(P表示成橋吊桿力)狀態(tài)，由橋塔向兩側(cè)將吊桿逐步張拉到確定位移值。主纜位移變化較大，充分體現(xiàn)了主纜的幾何非線性。主纜的橫向剛度很小，預(yù)張拉階段就已經(jīng)完成了大部分橫向位移，這就使得大部分主跨吊桿橫向傾角此時(shí)已接近成橋橫向傾角，主跨吊桿可依次進(jìn)入錨箱錨管，且與錨管不發(fā)生碰撞。預(yù)張拉階段主纜位移見表5。

(2)初張拉階段

主纜從吊桿力為0.3P到吊桿力為0.5P狀態(tài)，采用“邊拉邊補(bǔ)”的工序，即張拉完一組吊桿后，再對(duì)上一組吊桿進(jìn)行補(bǔ)充張拉，避免上一組吊桿卸載過大，消除剛張拉的吊桿對(duì)相鄰吊桿的影響，交替前進(jìn)。主跨主纜橫向位移與預(yù)張拉階段相比，已經(jīng)明顯減小，主纜橫向剛度已經(jīng)接近成橋狀態(tài)。相對(duì)于預(yù)張拉階段，主纜的豎向剛度有所增加，進(jìn)一步消除了結(jié)構(gòu)的幾何非線性特性，使得結(jié)構(gòu)向彈性體系靠近。初張拉階段主纜位移見表6。

表5 預(yù)張拉階段主纜位移 m

表6 初張拉階段主纜位移 m

(3)再張拉階段

主纜從吊桿力為0.5P到吊桿力為0.8P狀態(tài)，亦采用“邊拉邊補(bǔ)”的工序，依次交替前進(jìn)。經(jīng)過預(yù)張拉和初張拉兩輪張拉后，主纜已具備一定的剛度。再張拉階段的目標(biāo)，就是讓主梁基本脫模，達(dá)到施工二期恒載的受力狀態(tài)。再張拉階段主纜位移見表7。

表7 再張拉階段主纜位移 m

(4)調(diào)整張拉階段

吊桿力調(diào)整階段，是在二期恒載施工完成后，將鞍座頂推到位后，對(duì)全橋吊桿進(jìn)行調(diào)整，使得吊桿力到達(dá)成橋索力，橋梁結(jié)構(gòu)達(dá)到成橋狀態(tài)，到達(dá)彈性結(jié)構(gòu)的受力的狀態(tài)。本階段由于主纜剛度已接近成橋狀態(tài)，吊桿張拉時(shí)相互影響較小，主纜位移也較小，張拉過程相對(duì)容易控制，直接將吊桿張拉到設(shè)計(jì)值。再張拉階段完成后，二期恒載施工前，將主鞍座向邊跨頂推3 cm。二期恒載施工完后，吊桿力調(diào)整之前，首先將主鞍座向邊跨側(cè)頂推3.7 cm，然后依次調(diào)整吊桿力。

5.2 空間散索鞍、雙主纜組合式散索套

主索鞍采用全鑄造肋傳力結(jié)構(gòu)形式，本橋?yàn)榭臻g懸索橋，為適應(yīng)主纜的空間布置，主鞍座的鞍槽形狀是既有豎曲線，又有平曲線的三維構(gòu)造，以保證主纜各個(gè)方向與鞍座相切。主索鞍為便于施工，劃分為三塊，各塊通過高強(qiáng)螺栓連接為一個(gè)整體[15]。主索鞍構(gòu)造見圖10。

圖10 空間主索鞍

邊跨采用雙主纜組合式散索套，亦采用全鑄造肋傳力結(jié)構(gòu)，呈喇叭形，纜槽內(nèi)設(shè)置豎向隔板，散索套上部是蓋板，通過高強(qiáng)螺栓與套體相連。散索套構(gòu)造見圖11(未示蓋板)。雙主纜組合式散索套通過設(shè)置2條纜槽，將2根主纜連在一起，增強(qiáng)了主纜的橫向聯(lián)系，同時(shí)2根主纜通過散索套后實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向散開錨固增加了主纜錨固的空間。

5.3 鋼混結(jié)合段5.3.1 混合梁鋼-混凝土結(jié)合段位置選擇

混合梁的剛度和強(qiáng)度在鋼-混凝土結(jié)合段處會(huì)發(fā)生突變，容易導(dǎo)致應(yīng)力集中，是混合梁設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)。因此，在對(duì)南京江心洲大橋加勁梁形式選用混合梁的基礎(chǔ)上，對(duì)鋼-混凝土結(jié)合段的設(shè)置位置進(jìn)行了如下研究。

(1)從受力上考慮，鋼-混凝土結(jié)合段的結(jié)合面應(yīng)設(shè)置在彎矩和剪力均較小的地方。

(2)從跨越能力方面考慮，主跨248 m的范圍內(nèi)盡量采用鋼加勁梁。

(3)從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，邊跨及錨跨范圍內(nèi)盡量采用混凝土加勁梁。

圖11 雙主纜組合式散索套

(4)南京江心洲大橋的鋼加勁梁的轉(zhuǎn)運(yùn)吊裝設(shè)備設(shè)置在主跨范圍內(nèi)，為方便鋼-混凝土結(jié)合段的運(yùn)輸及安裝，故鋼-混凝土結(jié)合段宜靠近主跨設(shè)置。

(5)由于混合梁過渡時(shí)應(yīng)力傳遞復(fù)雜，設(shè)計(jì)采用實(shí)體段過渡，造成鋼-混凝土結(jié)合段重量大，不宜設(shè)在邊跨。

綜合考慮上述因素，混合梁鋼-混凝土結(jié)合段的結(jié)合面設(shè)置在主跨內(nèi)，鋼-混凝土結(jié)合段共有2段，每段長2 m，分別設(shè)置在主跨內(nèi)距橋塔7 m和238 m位置。

5.3.2 鋼-混凝土結(jié)合段連接方案

鋼-混凝土結(jié)合段是鋼梁和混凝土梁的過渡段，其傳力原則是將鋼梁中的應(yīng)力通過鋼梁的補(bǔ)強(qiáng)部分(加設(shè)補(bǔ)強(qiáng)鋼板)加以分散，再通過鋼格室的后面板、抗剪連接件及鋼板與混凝土之間的粘接力等作用傳遞到填充混凝土中，再傳遞到混凝土加勁梁中。目前鋼-混凝土結(jié)合段主要有以下4種構(gòu)造形式，見圖12。

圖12 鋼-混凝土結(jié)合段連接方案(單位：mm)

(1)方案1：全截面連接承壓板方案。依靠承壓鋼板承受梁體的縱向壓力，在鋼梁端部設(shè)置隔板成為格子結(jié)構(gòu)的承壓板。此方案在連接處的應(yīng)力較小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

(2)方案2：全截面連接填充混凝土方案，又稱為混凝土前板方案。為了把鋼梁上的力傳遞到整個(gè)橫梁截面，在整個(gè)范圍內(nèi)填充混凝土。此方案的應(yīng)力傳遞比較均勻，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)際操作時(shí)比較困難。

(3)方案3：部分連接承壓板方案，也叫密貼方案。為了把鋼梁上的力傳遞到整個(gè)混凝土橫梁上，在鋼梁翼緣板及腹板端部設(shè)置承壓板，由承壓板直接傳力。這種方法傳力直接，但需要較厚的承壓板，截面的剛度變化比較劇烈。

(4)方案4：部分連接填充混凝土方案，也叫填充混凝土后面板錨固方案。為了把鋼梁上的力傳遞到上、下翼緣板及腹板附近的部分連接，在結(jié)合部位制作一個(gè)雙壁式的鋼梁，并在其中灌注無收縮混凝土與橫梁連接成為一個(gè)整體，此方案的剛度過渡比較均勻，應(yīng)力擴(kuò)散好，不需要設(shè)置過厚的承壓板，鋼梁制作等方面也簡單易行。

綜合考慮上述幾種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，為保證鋼梁與混凝土梁之間剛度過渡的均勻性和力傳遞的順暢性，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中和折角，確保橋梁的經(jīng)久耐用，同時(shí)考慮施工的方便。鋼-混凝土結(jié)合段采用方案3，同時(shí)加以改進(jìn)，在鋼-混凝土結(jié)合段中設(shè)置PBL剪力鍵、剪力釘以及雙壁式的鋼套梁，牢固可靠，鋼混結(jié)合段見圖13。

6 結(jié)語

獨(dú)塔自錨式懸索橋或斜拉橋，主跨采用鋼梁具有較強(qiáng)的跨越能力，邊跨采用混凝土梁可用較小的跨度平衡主跨梁重，配合輔助墩的設(shè)置，使結(jié)構(gòu)受力更加合理，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性?？臻g主纜形式提高了獨(dú)柱塔和主梁的橫向剛度及穩(wěn)定性，但是體系轉(zhuǎn)換過程中，空纜線形和主纜成橋線形相差很大，尤其是橫向變形相差大，計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)表明吊桿張拉宜采用分階段逐步張拉到成橋吊桿力的方式。南京江心洲大橋孔跨布置為(35+77+60+248+35) m，主跨跨度為248 m，主塔采用獨(dú)柱型式，主纜及吊索在邊跨采用平行布置、在主跨采用空間布置，加勁梁采用混合梁，這些在國內(nèi)外已建成的同類型橋梁中并不多見。本文以南京江心洲大橋?yàn)楣こ虒?shí)例，論及的空間自錨式懸索橋設(shè)計(jì)及施工中的技術(shù)問題：鋼混凝土梁的分段設(shè)計(jì)、鋼混結(jié)合段位置和型式的選取、吊桿張拉研究，空間散索鞍及雙主纜組合式散索套等，對(duì)空間主纜懸索橋的設(shè)計(jì)施工具有一定的參考意義。

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Design of Single Tower Self-anchored Suspension Bridge with Spatial Cables

LIU Bin

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

Jiangxinzhou Bridge in Nanjing is a single-tower self-anchored suspension bridge with spatial cables. Its span is(35+77+60+248+35)m and the tower is of single column type. The main cables and hangers are arranged in parallel at the side span and arranged spatially at the main span. The main beam is steel-concrete beam. All these pose great difficulties to the design. Such problems are solved through technical researches as the overall arrangement of the bridge， the tension of the boom， the structure of the main cable saddle and loose cable sleeve， and the structure of the combination section of steel and concrete so as to ensure smooth implementation of the project．

Self-anchored suspension bridge; Spatial cables; Steel-concrete beam; Hanger tensioning

2016-08-16；

2016-09-01

中國鐵建股份有限公司科技研究開發(fā)計(jì)劃(06-31A)

劉 斌(1962—)，男，高級(jí)工程師，1983年畢業(yè)于西南交通大學(xué)鐵道橋梁專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：Liubin7983@vip.sina.com。

1004-2954(2016)11-0045-08

U448.25

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.012