双索面无背索斜拉桥的设计思路

双索面无背索斜拉桥的设计思路

李伟

中铁二十三局集团有限公司    四川成都 610000

摘要：（120+50）m无背索斜拉桥采用墩塔梁固结体系，主梁采用双边箱钢梁，混凝土桥塔，双索面斜拉索，基础为群桩基础，通过空间有限元程序对全桥进行了静力分析。从研究结果了解到，全桥的承载力与刚度良好，各项指标也满足城市桥梁建设的基本要求与相关规范，旨在为同类型桥梁设计提供一定参考。

关键词：无背索；斜塔；结构设计

1、引言

无背索斜拉桥造型优美，景观效果突出。（1）无背索斜拉桥桥塔的自重设计是一个关键问题（2）。为减小斜塔设计及施工难度，在中等跨度桥梁较宽的无背索斜拉桥中采用主梁和主塔参与受力的部分斜拉桥体系更为合适（3）。

2、工程背景及计算模型 

2.1工程背景

某景区道路跨越湖面及环湖道路，桥梁全长178m,桥跨布置为（120+50）m,都均已采用双索面无背索斜拉桥体系，桥梁全宽62m。主梁为混凝土箱梁+钢梁结构，墩塔梁固结。

2.2总体设计及施工方案

总体设计：由于本桥较宽，靠拱塔自重无法完全平衡主跨荷载，因此采用部分斜拉桥体系――即主梁承担一部分荷载，索、塔承担一部分荷载。为加大主梁的刚度，设置50m配跨。通过已建桥梁及试算，本桥索塔倾角60°，索塔形式为混凝土结构，斜拉索倾角25度，主跨采用钢箱梁，梁塔根部及配跨采用混凝土梁。

表1  国内外类型桥梁实例

图1：  桥梁布置图

总体施工方案：桥塔的施工需重点研究，考虑利用主梁自重来平衡主塔部分弯矩，并在主塔内设置劲性骨架。第一步：采用支架施工边跨混凝土主梁以及拼装主跨钢箱。第二步：分段支架现浇桥塔，并挂索，初张拉。第三步：斜拉索调索一次完成。第四步：施工桥面铺装及附属结构等。

2.3主梁设计

全桥主梁布置为92.34m钢箱梁+4m钢混结合段+73.38m变截面混凝土箱梁。主跨主梁采用钢箱梁，双边箱+正交异性桥面板纵横向梁格体系，梁高3.46m，梁宽62m，悬臂长4m；由于桥面较宽，剪力滞效应较为明显，并考虑全桥车道布置，除了设置边箱梁外，与常规斜拉桥不同，横向每4m设置一道纵梁。顺桥向每隔8m设置一道横梁，两道横梁之间设置一道小横隔板。钢梁顶板厚度16mm，底板的厚度16mm~32mm，腹板的厚度16mm~32mm。加劲肋（板肋及U肋）都均为8mm。钢材采用的是Q345qD。混凝土主梁采用变截面单箱多室，材料采用的是C50混凝土，为预应力的混凝土结构，钢-混结合段位于主跨，距主墩23.5m，结合段长为4m。

2.4主塔设计

索塔中心线为椭圆，长半轴77.942m，短半轴21.5m，矩形钢筋混凝土变截面空心塔身，塔身横桥向宽度4m，顺桥向宽度4~10m，墩顶合拢段采用钢箱结构。根据施工需要，沿竖向设置劲性骨架，塔内设置检修及索张拉空间。主塔倾角60°，根部与墩身及主梁固结。

2.5斜拉索

全桥斜拉索采用双索面竖琴布置，共10对索。斜拉索梁上间距8m，塔上间距4.972m。在主梁钢箱梁内设置锚箱，于塔身内设置张拉端，张拉锚固面位于主塔截面形心位置。

2.6下部结构

墩身为空心墩，与主塔顺接。主墩为群桩基础。

3、全桥结构分析

与常规斜拉桥不同，无背索斜拉桥主塔拟定后，索力也就确定，每根索的索力目标即为主塔受轴压力；但由于受到各种施工及使用工况影响，主塔必然产生不平衡弯矩，因此，主塔最优受力为受到的正负弯矩绝对值之和最小。

3.1全桥模型建立

采用空间剪力柔性梁格模型模拟全桥结构[4]，利用midas civil有限元程序建立全桥模型。全桥划分为1143个节点，1429个单元。主塔及主梁均采用梁单元，拉索采用桁架单元。

3.2主要计算结果

1）钢箱梁：最大拉应力202Mpa，最大压应力249.5Mpa。混凝土梁：按A类构件设计，抗裂验算正截面最大拉应力-0.51Mpa，斜截面最大拉应力-1.1Mpa，持久状况正截面最大压应力15.4Mpa，斜截面主压应力15.4Mpa。主梁的应力都均已满足钢箱梁的规范要求。

2）主塔

对桥塔进行屈曲分析可知，第一阶失稳模态为拱塔横向失稳，第二阶失稳模态为主梁纵向失稳。据上述两种模态，反算拱塔计算长度，桥塔为双向受弯，最大裂缝宽度出现在桥塔根部，为0.171mm，小于0.2mm。满足规范要求。

3）斜拉索

斜拉索均采用LPES 1670-7-241-ZnAl平行钢丝，标准组合下，最大索力为靠近塔根部的第一对索，索力5637KN，最小索力为尾索，索力3693KN。最大索力对应应力607.8Mpa，满足规范要求，即1670/2.5=668Mpa。

4、结语

（1）、对于宽桥面的无背索斜拉桥，主塔高度受限，主梁应承担部分荷载，配置边跨增加主跨刚度。

（2）、成桥索力与常规斜拉桥有区别，以控制主塔受力为主，梁随塔受力调整。

（3）、主梁自重尽量设计的轻盈，对减小整体设计、施工难度有很大意义。

参考文献：

（1）、彭旺虎，邵旭东，李立峰，等。无背索斜拉桥的概念、设计与施工[J].土木工程学报，2007,40（5）：26-33。

（2）、邵旭东，陈爱军，李立峰。长沙市洪山大桥的创新设计[J]。中外公路，2005,25（2）：68-71。

（3）汪波。斜塔无背索部分斜拉桥结构设计计算研究[D]。东南大学，2006。

（4）戴公连，李德建，曾庆元。无背索斜拉桥主梁空间内力分析方法——以长沙市环线浏阳河洪山大桥无背索斜拉桥为例[J]。中南工业大学学报(自然科学版)，2002,33（4）：348-351