独塔无背索斜拉桥结构设计

独塔无背索斜拉桥结构设计

唐  涛

（武汉市政工程设计研究院有限责任公司，武汉 430015）

摘要：无背索斜拉桥是一种造型独特的桥梁结构形式，丰富了桥梁结构和景观之间的关系，达到了造型优美独特的效果，打破了传统的直塔斜拉桥设计理念。结合某工程实际情况，介绍独塔无背索斜拉桥的各构件设计并进行建模计算分析。

关键词：无背索；斜拉桥；结构设计

随着国民经济的发展、人民生活水平的提升，城市建设对桥梁设计的要求也在不断提高。现代的桥梁设计已不纯粹以满足功能需要为目的，桥梁巨大的跨度、强烈的形体表现力、超凡的尺度均反映出人类对自然的驾御，是人类自我实现的高度反映。

无背索斜拉桥造型特殊，结构新颖，桥型美观，给人以即轻盈活泼又奋发向上的力量感。该结构仅有单侧索，桥塔的受力表现为在斜拉索索力及自身重力作用下的悬臂梁。为确保主塔处于良好的受力状态，无背索斜拉桥的塔身一般都设计成倾斜的，依靠塔身的自重力矩来平衡斜拉索的倾覆力矩，因此组成了梁塔结构的平衡体系。

1工程概况

某项目以无背索斜拉桥做为主桥桥型方案。主桥结构形式采用独塔双索面竖琴式斜拉桥，墩、塔、梁固结刚构体系，跨径组成为:135m+15m。

图1 无背索斜拉桥效果图

左右两幅桥桥面净宽均为20.5m，左幅桥横断面布置为：5m(人行道)+15m(机动车道)+0.5m(护栏)；右幅桥横断面布置为：0.5m(护栏)+15m(机动车道)+5m(人行道)。

道路等级：城市主干路；桥梁设计荷载：城-A级；航道标准：内河Ⅴ(2)级；设计洪水频率：1/100；抗震设防标准：抗震设防烈度为六度，拟建桥梁抗震设防类别为B类，按七度采取抗震措施。

2主桥结构设计

2.1主梁

目前常规斜拉桥中，主梁常采用的截面形式有：钢箱梁、钢桁梁、混凝土箱梁、混凝土肋板梁、钢-混叠合梁、混合梁等，这些主梁截面形式都可以运用在无背索斜拉桥上，在设计中应充分考虑工程总造价的基础上进行合理选择。

为了尽量降低拉索、主塔及基础的尺寸，降低造价，主梁采用钢箱梁，梁高3.0m，顶板设2%的横坡，底板采用流线型。钢箱梁选用Q345d钢材，顶板按正交异性板设计，板厚一般采用16mm，顶板的加劲纵肋采用6mm钢板压制成的梯形闭口肋，闭口肋顶宽300mm，高260mm，底宽184mm，闭口肋的间距为600mm。横梁采用整板式的横隔板，分普通横梁及锚索横梁两种，锚索横梁的横隔板厚度为20mm，斜索与钢梁的锚固结构为全焊结构。

2.2主塔

在无背索斜拉桥中，由于索梁是通过索塔后倾自重来平衡的，故在整个结构中，索塔的作用显得更为重要。

在设计中，为保证索塔处于良好的受力状态，一般按以下原则进行索塔设计：当主梁上作用全部恒载和一半活载时，塔应处于轴心受压状态。

索塔倾角的确定需对结构的受力和工程造价综合考虑，在满足结构强度、刚度要求的前提下，可采用较小索塔倾角，适当减小索塔重量，从而节省工程造价。从目前已建无背索斜拉桥的统计资料来看，索塔的水平倾角一般在55°～65°之间。分别对索塔水平倾角55°、58°、60°、62°、65°进行计算分析，发现索塔水平倾角取62°结构受力及主梁在活载下挠度最为合理。

主塔为H型塔，索塔锚固形式采用在索塔内增加锚固横梁的方法。主塔采用变截面预应力混凝土结构，塔竖直高度为89.139m。主塔横桥向宽度不变，始终为2.7米。上部横断面尺寸为2.7m×8.5m，下部横断面尺寸为2.7m×15.5m，与地面倾斜角度为62°。

2.3斜拉索

竖琴形索的美学优势极其明显，并且索形布置可以做到塔身和拉索同步施工，但其拉索角度较差，导致使用效率较低，拉索用量也相对较多。对于斜塔无背索斜拉桥来说，尽管竖琴形索的水平分力较大，但由于塔上拉索间距相等，易于照顾到局部平衡关系，成桥状态下的结构安全性较好，所以竖琴形索成为无背索斜拉桥的首选。

斜拉索采用双索面结构，顺桥向梁上索间距为12m，共10根索，索的水平倾角均为25°，平行布置，斜拉索采用Φ7mm高强度低松弛镀锌高强度钢丝，采用冷铸墩头锚锚具。

2.4下部结构

主塔下承台厚4.0m，平面尺寸为21.6m×7.8m，每个承台下设10根φ1.8m的钻孔灌注桩。

边墩采用两分离式墩，墩的中心距为11.4m，墩身截面为哑铃形，壁厚均为1.5m。基础采用4根Φ1.5m的钻孔桩，承台采用6.5x6.5x2.5m的矩形结构形式。

3主桥结构计算分析

3.1模型建立

采用有限元程序MIDAS CIVIL 对本桥进行结构受力分析，主梁梁端采用一般支撑约束横向和竖向位移；在塔梁固结处采用刚性连接模拟主梁与桥塔的连接。全桥共划分节点91个，单元85个，主梁和桥塔均采用梁单元模拟；斜拉索采用桁架单元模拟，并按照恩斯特公式对拉索弹性模量进行修正[1]。

图2 空间计算模型图

3.2主要设计参数

恒载：主梁重量、二期恒载均以梁单元荷载加载于主梁结构上。主塔重量以自重形式施加，混凝土容重按26kN/m

3计算[2]。

活载：汽车荷载采用公路—Ⅰ级，人群荷载标准值取为2.6kN/m2。

温度作用：体系升温作用，混凝土结构按+19.1℃取值，钢结构按+29.6℃取值；体系降温，混凝土结构按-22.3℃取值，钢结构按-30.2℃取值。钢箱梁日照梯道温差参照英国规范（BD37/01）的规定计算。塔身左右侧温差按±15℃取值，索、梁温差按±10℃计算。

基础不均匀沉降：主塔、两边墩均按2cm沉降取值。

风荷载：与汽车同时组合的风荷载按桥面高度处风速为v=25m/s。

3.3主要计算结果

1）结构刚度：在活载、风荷载作用下结构关键部位的位移如表1所示（竖向向上为正，纵向向边跨为正）。

表1结构变形表

活载作用下主梁最大挠度为124mm=L/1089

2）主梁应力：最不利荷载组合作用下主梁上下缘的应力：上缘最大压应力75.32Mpa，位于7号索附近梁段；上缘最大拉应力44.06Mpa，位于10号索附近梁段；下缘最大压应力63.55Mpa，位于塔梁固结处；下缘最大拉应力20Mpa，位于塔梁固结处。

3）主塔应力：最不利标准值组合（所有组合的包络）作用下桥塔塔柱压应力最大值为10.77Mpa。在塔梁固结处出现了1.88Mpa的拉应力。拉应力出现的原因是建模时保守分析选用空心截面模拟塔梁固结处塔柱，未考虑截面加强。

4）斜拉索内力与应力：运营阶段最大拉索力为3090.3kN；最大拉索应力为663.6Mpa，安全系数为2.67，满足规范要求；拉索活载作用下应力幅最大为114.8Mpa，满足规范要求。

4结语

无背索斜拉桥桥型结构形式新颖，在美学上具有无可辩驳的优点，近年来已在国内被广泛运用在景观需求较高的各项项目中。通过对某无背索斜拉桥实体结构分析，总结桥型结构设计经验，并结合规范对结构进行建模计算，结果表明各项指标均满足规范要求。

参考文献

[1]JTG/T3365-01—2020. 公路斜拉桥设计规范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2020

[2]JTG D60-2015. 公路桥梁设计通用规范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2015