２０１ １年５月第５期 城市道桥与防洪 桥梁结构 ７３ 某双塔双索面混合式斜拉桥结构设计 郭锦良，何永平，陈智峰 （广州瀚阳１ 程咨询有限公司，广东广州５１０６２０） 摘 要：斜托桥以跨越能力大、结构新颖高效而成为现代桥梁Ｔ程中发展最快、最具有竞争力的桥型之一：混合梁斜拉桥主跨 采用钢梁以减轻自重、增大跨越能力，边跨采用混凝土梁进行配重、并提高边跨刚度，充分发挥了钢和混凝土两种材料的优 势 根据某实际工程，详细地介绍了双塔双索面混合式斜扣桥的受力特点及其分析设计要点： 关键词：混合式斜拉桥；设计分析；成桥索力；Ｍｉｄａｓ ｃｉｖｉｌ 中图分类号：Ｕ４４８．２７ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００９—７７１６（２０１ １）０５—００７３—０４ 撞墙）＋１．０ ｍ（拉索锚同区）＋３．５ Ｉｌｌ（人行道）＝３４．５ ｍ ０前言 （桥面总宽），净空高度为５ ｍ；（６）桥面纵坡：＋４％ 斜拉桥是由桥塔、加劲梁和斜拉索构成的组 和一４％人字坡；（７）桥面横坡：主桥２％。 合结构体系，它是一种桥面体系以加劲梁受压或 受弯，支承体系以斜拉索受拉、桥塔受压为主的桥 ２混合式斜拉桥受力特点 梁 斗拉桥以跨越能力大、结构新颖高效而成为现 在大跨度的斜拉桥中，由于单一的混凝土梁 代桥梁工程中发展最快、最具有竞争力的桥型之 或者钢梁都会在边跨墩顶产生负反力，并会引起 一。混合梁斜拉桥主跨采用钢梁以减轻自重、增大 塔顶和主跨产生过大的偏移位移和挠度。为了克 跨越能力，边跨采用混凝土梁进行配重、并提高边 服这一弊端，混凝土主梁往往在边跨的墩顶设置 跨刚度，充分发挥了钢和混凝土两种材料的优势。 强大的抗拉压支座，钢结构主梁往往要在边跨部 该桥型自２０世纪７０年代在前联邦德国问世后，先 分梁段配置混凝土压重块来抵消边跨墩顶产生的 后受到欧洲各国、日本等国家的青睐，２０世纪９０年 负反力。为了充分发挥混凝土材料的压重作用和 代后逐渐得到我国桥梁工程界的关注，近年来发 钢材跨越能力大的优势，便产生了混合梁结构。这 展很快。本文根据某实际工程，详细介绍了双塔双 种结构的优点是：加大了侧跨主梁的刚度和重量， 索面混合式斜拉桥的受力特点及其分析设计要 减少了主跨内力和变形；可以减少或避免边跨端 点，并给出了部分计算结果。 支点出现负反力；减少全桥钢梁长度，节约造价ｌｌ】。 １ 工程概况 混合梁斜拉桥的边跨混凝土梁的布置主要有 两种方式：（１）边跨的尾部一部分采用混凝土梁， 某桥主跨跨越铁路正线２条，到发线５条；跨越 钢梁和混凝土梁的接头设在边跨内的某个辅助墩 客车整备线５条，存车线３条（含预留４条）；跨越辅 附近，如香港的昂船洲大桥，日本的多多罗大桥； 助客站发线２条及基本站台和中间站台；跨越地方 （２）边跨全部采用混凝土梁，钢混接头设在索塔向 货场装卸线２股，铁路货场装卸线２股。南侧边跨 跨中方向的某个位置，如法国诺曼底大桥，我国舟 跨越规划永达路，辅助墩布置于规划永达路平交 山连岛工程桃天门大桥。混合梁斜拉桥的边跨混 路口，桥墩设置防撞设施。该桥为混合式双塔双索 凝土粱不管采用哪种布置方式，为了保证混凝土 面斜拉桥，边跨各设置一个辅助墩，半漂浮体系， 梁处在较好的应力状态，混凝土梁的跨径和与之 跨度构成为：５５ ｍ＋４５ ｍ＋２２０ ｍ＋４５ ｍ＋５５ ｍ＝４２０ ｍ。 相接的相邻跨跨径均不宜太大。 边跨采用预应力混凝土箱梁，中跨采用钢箱梁。 该桥使用功能：（１）城市主干路；（２）道路等级： ３主要构件设计参数 主于路Ｊ级；（３）设计车速：主桥５０ ｋｍ／ｈ；（４）桥梁 预应力混凝土梁标准断面采用扁平鱼腹式闭 设计基准期：１００ ａ；（５）桥面布置及净空：３．５ ｍ（人 合单箱三室截面，平面位于直线段上。主梁沿纵向 行道）＋１．０ ｍ（拉索锚固区）＋（）．５ ｒｎ（防撞墙）＋１２．０ ｍ 在边墩顶设置２．１５ ｍ厚横隔板、辅助墩顶及塔处 （车行道）＋０．５ ｍ（防撞墙）＋１２．０ ｍ（车行道）＋０．５ ｍ（防 支点截面设置２．０ ｍ厚横隔板，在拉索吊点及吊点 收稿日期：２０１０—１２—１４ 问位置设置０．４ ｉｎ厚横隔板。人行道悬出部分沿纵 作者简介：郭锦良（１９８Ｉ一），男，广东增城人，工程师，从事桥 向设置断缝，不考虑其参于主体结构受力。预应力 梁结构设汁］一作一 混凝土箱梁１／２标准断面见图１。 ７４ 桥梁结构 城市道桥与防洪 ２０１１年５月第５期 钢箱梁标准断面采用扁平鱼腹式闭合单箱三 室截面，平面位于直线段上。沿纵向划分５８个节 ｃ４ｏ￣￥凝土。墩身竖向布置直径２５ ｍｍ钢筋，布置 直径１６ ｍｍ箍筋。边墩承台底由４根桩 １．５ Ｉｌｌ直径 钻孔桩组成群桩基础，桩基均为摩擦桩。承台和桩 段。节段类型为Ａ类、Ｂ类及钢混结合段，其中Ｂ类 钢箱梁为斜拉索锚同段钢箱梁。Ａ、Ｂ节段标准长 度３．４ Ｉｌｌ，钢混结合段长５．４ ＩＴＩ。每个节段设置一道 基采用ｃ３０混凝土。桩周土层主要为细、中砂，桩 尖进人中砂层。 整体横隔板及一道横肋，横隔板厚１２ ｒａｍ（局部加 厚至１６ ｍｍ）。 辅助墩采用双柱式墩，单柱为 ２．０ ｍ圆柱，柱 顶加大到中２．８ ｉｎ。承台厚度３．０ Ｉｎ，下设直径中１．５ ｍ 的双排钻孑Ｌ灌注桩基础。承台尺寸为６．３ ｍ（纵向１ Ｘ １３．９ ｍ（横向）Ｘ ３．０ ｍ（厚度），钻孑Ｌ桩桩长８３ ｍ， 主塔采用预应力混凝土Ａ型塔，塔内设置劲 性骨架以利于钢筋绑扎及塔柱模板提升施工。主 塔由下塔柱、上塔柱、塔冠、下横梁等组成。下横 梁顶面以上塔高为６１．１５ｍ，塔顶处两塔柱同结。主 塔单侧塔柱基础为２０根 １．５ｍ直径钻孑Ｌ桩组成的 群桩基础。桩周土层主要为细、中砂，桩尖进人中 风化砂质泥岩层。 斜拉索采用ＨＤＰＥ护套镀锌高强度平行 ７．０ ｍｍ钢丝索，采用扇型布置，中跨索距均为 均按摩擦桩设计。桩周土层主要为细、中砂，桩尖 进人中风化砂质泥岩层。 桥塔、辅助墩及边墩的基础沉降计算值见表１。 表１ 基础沉降量计算结果 １０．２ ｍ，边跨标准索距为９．５ ｍ，拉索延长线与塔 柱中心的交点间距为１．２ ｍ。塔端为张拉端，梁端 为固定端，斜拉索两端锚具均采用亨｛∈拉端锚具，拉 索在主梁上的锚固块设在箱外侧顶角挑边处。斜 拉索两端锚头均为冷铸锚。钢丝相互平行、顺直并 拢经大节距绞和、绕包，并在外挤包黑色一彩色双 护层高密度聚乙烯，两端加锚具，经预张拉后成圈 包装而形成的成品拉索。全桥共４ Ｘ １０对拉索，分 另０为ＰＥＳ７—１２１、ＰＥＳ７—１３９、ＰＥＳ７—１６３、ＰＥＳ７—１９９四 种类型。 主桥边墩采用双柱式墩，单柱墩顶为５．６ ｉｎ ｘ ３．３ ｍ矩形截面，墩底渐变为４ｍ Ｘ ３．３ １ＴＩ。墩身采用 ４成桥线形与目标索力 图 成桥状态下，双塔双索面混合式斜拉桥 线形图。 一期恒载拉索初张力是按照施工过程逐段的 对每一根拉索进行张拉时，理论计算获得的拉索 初张力值。二期恒载施工过程中，要求进行二期恒 １ 异 。ｕ Ｖ ｕ Ｖ ｕ ｕ ｕ ｗ ｕ ｕ ｕ ｕ ｕ ｕ ｕＩｕ ｕ Ｖ ｕ ｕｊ ２＿瞄 ’Ｔ ｌｌ１ １．Ｉ。Ｉ’ｌ’１．ｕ Ｉ １ ＼（ｌ Ｉｆ ：ｏ Ｌ ｌ ｌ ｆ ｒ＿ 蜃洲Ｉ ６ｍ Ｌ ２Ｘ１ ２ｍ Ｉ１ ｌｍ ｑｆｌＯｌｑｆｌＯｔＲ４，９ Ｒ７１ Ｉ ７＿ ｔ ’嘏ｎ 【 ２ ３２０ 【 ７２５０ 图１ 混凝土箱梁、钢箱梁１／２标准断面图（单位：ｍｍ） ～一 图２成桥线性图（单位：ｍｍ】 ２０Ｉ １年５月第５期 ｌ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ 洲 城市道桥与防洪 一一桥梁结构 ７５ 载索力的调整。按照结构计算理论分析二期恒载 斜拉索与水平线夹角（。）； 确定工况斜拉索应力（ｋＰａ）。 索力初张力调整值。一期恒载、二期恒载下各拉索 初张力见表２（表２仅示南侧桥塔侧拉索张拉力，北 ２ ３眦 吣 ４ ５ ６ ７ ８哪 吣哪ⅫＭｉｄａｓ ９ “ ｃｉｖｉ ｌ程序中双塔双索面混合式斜拉桥 侧桥塔侧抟索张拉力相同）。 ４ ４ ９删 ４ ２ ∞ ｍ 舵 驺 ％ 船 ” ０ ６ ０ ７ ４ ．． Ｉ．１ ｊ ３ 三维消隐见图３。 表２一期恒载、二期恒载下拉索张力 一期恒载下托索初张力二期恒载下拉索初张力渊整值 ３ ４ ２ ２ ６ ｌ １ ９ 喜 瓣 ｌｌ ｌ㈣眦邮 ２ ３ ４ ５ ６ ７Ｏ ２ ２ ９ ７ ８ ５● ９ ７ （注：拉索编号见图２：成桥线形图。） ５模型介绍 对于主桥的整体结构分析，考虑到实际结构 的情况，在设计内力计算分析中采用空间三维线 弹性分析方法。本文采用Ｍｉｄａｓ ｃｉｖｉｌ桥梁分析软件 进行结构分析计算。建模分析过程中，对于主梁、 主塔采用ｊ维梁单元模拟，其截面特性按照实际 情况定义相应的截面。模型中主梁截面不考虑人 行道悬出部分（混凝土箱梁）或人行道及风嘴部分 ｆ钢箱梁），且将箱梁顶板平置，梁高按顶板顶面最 低位置控制；桥塔截面按实际尺寸输入。主粱共 １５２个梁单元，主塔共１３２个梁单元。斜拉索在整体 计算中，采用桁架单元模拟，其截面特性按照实际 截面模拟。共８０个单元。 考虑拉索的非线性的影响，其换算弹性模量 按式（１）计算： Ｅ：～一 ●； １２ 。 （１）、 每米斜拉索及防护结构材料重力（ｋＮ／ｍ） 斜拉索截面积（ｍ ） 式巾：Ｅ～考虑垂度影响的确定工况斜拉索换算 弹性模量（ｋＰａ）； 。一斜拉索钢材弹性模量（ｋＰａ）； ～斜拉索单位体积重力（ｋＮ／ｍ ）； ～斜拉索长度，ｍ； 图３ Ｍｉｄａｓ ｃｉｖｉｌ程序中双塔双索面混合式斜拉桥三维消隐图 唧 ８主梁在桥塔处按实际支座中 ｔ ９ ２，位置将其与桥塔 横梁联系起来，９ ９ ４ 在粱端及辅助墩支座位置设置竖向、 横向水平及横向扭转约束；桥塔底部在承台底根据 ９ ８ ９ ｈ ’ｌ 实际情况输入六个方向弹性刚度，计算过程如下： 根据《公路桥涵地基与基础设计规范｝｝ＪＴＧＤ６３— ２００７中的按ｍ法计算弹性桩水平位移及作用效应 的有关规定，取用各层桩侧土的地基系数，考虑桩 基的各层桩侧土摩擦力和桩底边界条件，并假设 墩底内力、位移关系为： ｌ ＩＫ ｔ ＫＩ２ ＫＩ３ ｌ４ ｌ５ ＫＩ６ Ｑ ｛Ｋｚ Ｋ２２ Ｋ２３ Ｋ２４ Ｋ２５ Ｋ２６ Ｖ Ｑ：ｊ；Ｋ ３２ Ｋ３３ Ｋ Ｋ Ｋ 【Ｋ４ ４， Ｋ４３ Ｋ４４ ４５ Ｋ４６ １ ｊＫｓ Ｋ５２ Ｋ５３ ｓ４ ５５ ｝ Ｋ６１ ２ ６３ Ｋ Ｋ Ｋ 简记：｛Ｆｊ＝【Ｋ］｛ｕ１ 其中『Ｋｌｔ￣［Ｉ为桩基础出口刚度矩阵。可分别设 置以下６组强迫位移： ７ ｒ ｛／ｔ｝ ＝｛１ ０ ０ ０ ０ ０｝，｛ ｝’＝｛０ １ ０ ０ ０ ０｝， ｒ ｛ｔｔ｝ ｛０ ０ １ ０ ０ ０｝，｛Ｍ｝ ＝｛０ ０ ０ １ ０ ０ｊ，｛Ｕ｝ ｛０ ０ ０ ０ ｌ ０｝，｛Ｍ｝、 ＝｛０ ０ ０ ０ ０ １｝ 将上述６组强迫位移分别按给定位移的墩底 条件进行计算，其计算结果输出的墩底支反力即 为剐度矩阵对应的６ｇ＇Ｊ。具体计算采用ＰｃＦ三维计 算软件的基础模块进行。 ６主要荷载确定 在整体计算过程中，计算内容包括：一期、二 期恒载作用下的恒载内力；６车道汽车活载作用下 的影响线加载；温度升、降时对结构内力的影响； 温度差对结构内力的影响等内容。 （１）在模拟过程中将混凝土箱梁的齿块、拉索 锚块、横隔板、翼缘悬臂板等，钢箱梁的锚箱、人 行道风嘴等，拉索ＰＥ的护套，桥塔的拉索齿块换 算至相应混凝土或钢材容重考虑这部分附加重 ７６ 桥梁结构 城市道桥与防洪 ２０１１年５月第５期 量；塔顶装饰块、横梁横隔板以集中力的形式考虑 其附加重量；混凝土箱梁边横隔、辅助墩顶横隔、 桥塔处横隔及钢混结合段横隔以梁单元荷载的形 式考虑这部分的附加重量。 （６）施工二期，斜拉索索力调整ｆ按近塔索至 远塔索顺序逐对调索）。 （７）成桥运营。 （２）汽车荷载按公路一Ｉ级荷载标准计算，计 算车道数按６车道考虑；计算时考虑车道荷载的纵 ８主梁挠度验算 根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵 设计规范》（ＪＴＧ Ｄ６２—２００４）第６．５．３条，预应力混凝 向折减系数０．９７，偏载系数１．１５以及横向折减系 数。横向折减系数见表３。 表３横向拆减系数表 横向布置设计车道数，条 ２ ３ ４ ５ ６ 横向折减系数 １．００ Ｏ．７８ ０．６７ Ｏ ６０ ０．５５ （３）桥址处设计基本风速按《公路桥梁抗风设 计规范》（ＪＴＧ厂ｒ Ｄ６０—０１—２００４）附录Ａ取值，按１００ ａ 重现期的３１．３ｍ／ｓ风速取值，并按《公路桥梁抗风 设计规范））（ＪＴＧ／Ｔ Ｄ６０—０ｌ一２００４）相关规定计算主 梁、桥塔及拉索纵桥向及横桥向的风荷载。 （４）整体升降温：根据该市极端最高、最低气 温及《通用规范》建议的有效温度标准值控制性的 取值：体系升温，３１℃；体系降温，一２８ ；索、塔、 梁温差：±１５℃。桥塔左右侧面温差：５ 。 主梁温度梯度：主梁内温差效应考虑了由于 太阳辐射引起上部结构顶层温度增加时产生的正 温差及由于再辐射由上部结构顶层散失时产生的 负温差。预应力混凝土主梁温差效应遵照《通用规 范》，钢箱梁温差效应按按ＢＳ５４００第二篇的４．１．２ 条及５．４．５条取用。 （５）考虑桥塔整体沉降２０ １ＴＩＩＴＩ或单个塔支腿沉 降１０ ｍｍ、边墩及辅助墩沉降ｌＯ ｍｍ，并考虑桥塔 及桥墩不均匀沉降不利组合对结构的影响。 （６）地震作用。地震动峰值加速度为０，０５ ｇ，抗 震设防烈度为６度，抗震设防措施等级按７度设计。 （７）汽车撞击作用。按《通用规范》第４．４．３条，汽 车撞击力标准值在车辆行驶方向取１ ０００ ｋＮ，在车 辆行驶垂直方向取５００ ｋＮ，两个方向的撞击力不 同时考虑 ７主要施工顺序 主要施工主要步骤如下： （１）施工钢箱梁顶推用临时墩基础和临时支架。 （２）钢箱梁顶推施工。 （３）施工主塔、辅助墩及边墩。 （４）支架分段现浇边跨混凝土箱梁。 （５）架设并张拉斜拉索（按近塔索至远塔索顺 序逐对张拉），逐步拆除临时墩和支架。 土受弯构件按短期效应组合并考虑长期效应影响 计算的挠度值，在消除结构自重产生的长期挠度 后，主梁的最大挠度不应大于Ｌ／６００。根据《公路斜 拉桥设计细则》第４．４．１条，混合梁在主孔采用钢 梁时，主梁在车道荷载ｆ不计冲击力）作用下的最 大竖向挠度应不大于Ｌ／４００。本桥在公路Ｉ级车道 荷载（不计冲击力）作用下竖向挠度见图４。 一 一 图４公路ｌ级作用下边跨混凝土主梁竖向挠度（单位：ｍｍ） 由冈４可知，公路Ｉ级车道荷载作用下边跨预应 力混凝土梁段挠度为６３ ｍｍ，小于Ｌ／６００＝９１．７ ｍｍ， 满足规范要求。钢箱梁在公路Ｉ级车道荷载作用 下最大挠度为１１６．９ ｍｍ，小于Ｌ／４００＝５５０ ｍｍ，满足 规范要求。 ９钢混结合段抗弯抗剪分析 抗压弯计算：钢混结合面在组合作用下处于 压弯状态，由标准组合计算得出钢混结合面上下 缘最大应力盯上及盯下，该应力分别与顶底板面 积相乘得出顶底板轴力大小Ｎ上及Ｎ下，再根据此 内力大小计算顶底板所需剪力钉个数。 抗剪计算：考虑结合面剪力完全由ＰＢＬ剪力 键承担，每块腹板分担的剪力按各腹板抗剪面积 的比例分配，以此计算ＰＢＬ剪力键的承载力。 承压板ＤＢ上的剪力钉偏安全地不考虑其作用。 经计算，钢混结合段抗弯、抗剪验算满足规 范、设计要求。 参考文献 【１］徐利平．混合梁斜托桥边跨混凝土梁受力特点．结构分析Ⅲ ２００３ｆ１）：１２－１６． ｆ２］ＪＴＧ Ｄ６０—２００４．公路桥涵设计通用规范【ｓ］．２００４． ｆ３］ＪＴｔ；Ｄ６３—２００７，公路桥涵地基与基础设计规范【ｓ］．２００７． ｆ４］ＪＹＧＯ６２—２００４公路钢筋混凝土及预直力混凝土桥涵 十规范 ｏｏ４ ｆ５］ＪＴＪ／Ｔ １）０６５一Ｏｌ一２００７，公路斜拉桥设计细则［ｓ］．２００７． ｆ６］ＪＴＪ０４１—２０００，公路桥涵施工技术规范［ｓ】．２０００． ［７］Ｊ（；Ｊ８２—９１，钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规程 １９９１