橢圓形鋼塔雙索面獨塔斜拉橋設(shè)計

楊智貴

（廣州市市政工程設(shè)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(qū)珠江街、萬頃沙鎮(zhèn)，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(jīng)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(nèi)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(xiàn)期5 a一遇洪水位5.966 m。

2 橋梁總體設(shè)計

2.1 需求定位

靈新大道改擴(kuò)建工程屬于廣東省重點建設(shè)項目，道路連接自貿(mào)試驗區(qū)明珠灣起步區(qū)、南沙樞紐、萬頃沙保稅港加工制造業(yè)區(qū)塊，同時也為粵港深度合作區(qū)、南沙站綜合交通樞紐提供交通支撐。其建設(shè)對解決區(qū)域交通問題、促進(jìn)沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著非常重要的作用。根據(jù)規(guī)劃，靈新大道是南沙新區(qū)南部重要的生態(tài)景觀廊道。該工程結(jié)合區(qū)域發(fā)展規(guī)劃、環(huán)境景觀、地方歷史文化特色等，按高標(biāo)準(zhǔn)、精細(xì)化建設(shè)全線跨河涌橋梁，全面提升道路景觀標(biāo)準(zhǔn)，展現(xiàn)區(qū)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(fā)達(dá)，較好地保持了傳統(tǒng)嶺南水鄉(xiāng)的地貌。

2.3 總體設(shè)計要點

2.3.1 平縱橫布置

橋梁平面根據(jù)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(cè)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(shè)計

該橋的亮點在于采用拱輔斜拉橋結(jié)構(gòu)，通過橢圓的“光門”橋塔造型，將視野導(dǎo)向廣闊的天地，寓意著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的騰飛。該橋的景觀效果已獲得業(yè)主認(rèn)可。

3 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)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(guī)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(shè)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(shè)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(shè)4根直徑1.8 m的樁基礎(chǔ)，按嵌巖樁設(shè)計。

主墩構(gòu)造見圖3所示。

圖3 主墩構(gòu)造圖（單位：m）

3.3 主塔及基礎(chǔ)

主塔為變截面橢圓傾斜拱形結(jié)構(gòu)，橢圓長軸85.90 m，短軸50.50 m。主塔在橋面以上部分為鋼結(jié)構(gòu)，橋面以下至主塔承臺為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。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(shè)4根直徑1.8 m的群樁基礎(chǔ)，承臺相對于塔底設(shè)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(chǔ)構(gòu)造見圖4所示。

圖4 主塔及基礎(chǔ)構(gòu)造圖（單位：m）

3.4 混合塔鋼混結(jié)合段

鋼混結(jié)合段作用是保證鋼塔與混凝土塔剛度協(xié)調(diào)，保證傳力順暢，不出現(xiàn)應(yīng)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(jié)合面處全截面受壓。

結(jié)合段橋塔鋼板厚40 mm，沿縱向設(shè)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(shè)置φ60 mm鋼筋孔，孔內(nèi)穿φ25 mm鋼筋形成PBL剪力鍵。鋼塔與混凝土塔之間設(shè)置28 mm鋼板作為承壓板，通過預(yù)應(yīng)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(cè)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(qū)位于主梁最外側(cè)，寬1.5 m。

主梁按A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計，主梁鋼束規(guī)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(cè)梁上索距為8 m，設(shè)拉索9對，邊跨側(cè)梁上索距為3 m，設(shè)拉索7對。拉索采用整束擠壓式鋼絞線，鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度為fpk=1 860 MPa。斜拉索外裹熱擠雙層PE防護(hù)套，外層PE設(shè)置雙螺旋線，以提高抵抗風(fēng)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(guī)格有GJ15-5、15-7、15-9三種，拉索設(shè)計安全系數(shù)大于2.5[4]。

4 整體結(jié)構(gòu)計算

4.1 模型及參數(shù)

所示模型，根據(jù)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(jìn)行分析。該模型共計2 729個單元，2 129個節(jié)點。（見圖6）

圖6 全橋計算模型圖

4.2 主要計算結(jié)果

4.2.1 主梁腹板內(nèi)力

基本組合下主梁腹板內(nèi)力結(jié)果見圖7所示。

圖7 基本組合下主梁內(nèi)力結(jié)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(yīng)比值為1∶1.186，寬箱室腹板內(nèi)力分布具有明顯的不均勻性。

4.2.2 主梁應(yīng)力

主梁按A類構(gòu)件驗算，頻遇組合下，主梁頂、底緣均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求（見圖8）。其中：頂緣最小壓應(yīng)力為1.6 MPa（中支點頂緣），底緣最小壓應(yīng)力為1.0 MPa（邊支點底緣）。標(biāo)準(zhǔn)組合下，主梁最大壓應(yīng)力11.1 MPa（中支點底緣）＜0.5 fck=0.5×32.4=16.2 MPa，均滿足規(guī)范要求。

圖8 頻遇組合下腹板應(yīng)力結(jié)果圖示（單位：MP a）

4.2.3 主塔應(yīng)力

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

圖9 基本組合下主塔應(yīng)力結(jié)果圖示（單位：MP a）

4.2.4 拉索應(yīng)力

該橋拉索與主梁夾角為23.1～76.3°，主跨側(cè)設(shè)拉索9對，邊跨側(cè)設(shè)拉索7對。主跨側(cè)拉索最大拉應(yīng)力500.4 MPa，邊跨側(cè)拉索最大拉應(yīng)力504.5 MPa，拉索設(shè)計安全系數(shù)大于2.5，均滿足規(guī)范要求（見圖10）。

圖10 基本組合下拉索應(yīng)力結(jié)果圖示（單位：MP a）

4.2.5 必須加強局部效應(yīng)的研究

隨著國內(nèi)交通運輸事業(yè)的不斷發(fā)展，中等跨徑寬箱斜拉橋越來越多，寬橋空間效應(yīng)明顯，需重點關(guān)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(dǎo)設(shè)計。

5 結(jié)語

該橋作為靈新大道重要節(jié)點工程，其設(shè)計遵循“景觀、功能”的原則，將橋塔設(shè)計為“光門”的造型，盡顯橋梁柔性之美。整體結(jié)構(gòu)在功能和形式上和諧統(tǒng)一，均衡穩(wěn)定，給南沙區(qū)注入了新的生機與活力。通過對大橋上、下部構(gòu)造尺寸進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計，并且通過仿真軟件的驗算分析，各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，可為同類型橋梁設(shè)計、計算提供參考。