某景观折线斜塔斜拉桥结构设计要点分析

1、某景观折线斜塔斜拉桥结构设 计要点分析某景观折线斜塔斜拉桥结构设计要点分析张景尧徐艳玲2王鑫2刘慕清2(1.曹妃甸工业区基础投资有限公司；2,北京市 市政工程设计研究总院)摘要：温榆河大桥采用“混合梁折线斜塔斜拉桥” 这一独特的结构型式，跨径组合为100m+50m本文充分分析结构行为特征，对结构体系和主要 受力构件进行详尽的设计处理，以实现结构受力 与景观要求的有效统一，为今后同类桥梁的设 计、施工提供了宝贵经验。关键词：景观桥梁桥梁美学混合梁斜塔斜拉桥Analysis on Design Characteristics of Cable-stayed Bridge with Kinked a

2、nd inclined Pylon Zhang Jingyao, Xu Yanling, Wang Xin, Liu Muqing(Tang, 063200; Beijing General Municipal Engineering Design & Research Institute )Beijing 100045;)Abstract: Wenyuhe Bridge is a new kind of cable-stayed bridge, with a kinked single pylon and a hybrid Girder, which span-length is arran

3、gement of (100+50) m. In this paper, detailedstudy is made on the structural behavio r characteristics and an overall design have been put out for structural system and main bearing members, in order to achieve the harmony and unity of the structural and landscape requireme nts, that canalso provide

4、 valuable references for design and construction of similar bridges.Key words: Landscape Bridge, Bridge Aesthetics, Hybrid Girder, Inclined Pylon Cable-stayed Bridge.前言温榆河大桥采用“混合梁折线斜塔斜拉桥” 这一独特的结构型式，其跨径组合为100m+50m。桥塔采用折线形式，其主塔断面尺 寸与下塔柱倾角协调，且与景观设计相近；主梁 采用创新型混合梁，主跨79m采用钢主梁，为-2- 双边箱形式；其余主梁采用混凝土主梁，为单箱 多室

5、结构；混凝土主梁与钢主梁间设置2m结合 段，实现材料、结构刚度及结构受力的平顺过渡。 设置于边跨的不规则拱形飞燕拱肋不仅满足景 观的要求，还可给端横梁提供较大配重，在实现 主、边跨受力平衡的同时，有效改善了混凝土侧 端横梁的受力。温榆河大桥的设计具有较大的创 新和突破，达到同类技术的国内领先水平， 为今 后同类桥梁的设计、施工提供了宝贵经验。.工程概况温榆河大桥桥位处地震加速度为，III类场 地；场地桩基主要持力层为细、中砂。桥梁标准 段全宽41m,根据规划及现况河道断面形态， 并 结合桥址周边景观环境定位的需求，该桥设计为 塔高75m的独塔有背索双索面斜拉桥，跨径布 置为100m+50m。结

6、构为墩、塔、梁固结体系，-3- 受力明确、构造简单。为满足景观及受力要求， 主塔向边跨侧倾斜约77。主梁设计为钢一碎 组合梁纵向受力体系，有利于平衡主、边跨跨径 相差较大对整体结构受力带来的不利影响。主跨 侧设置8对拉索，梁上拉索间距为，边跨侧设置 2对背索，均锚固于端横梁处。图1桥梁整体布置图（单位：cnj）.桥梁结构设计要点本桥结构设计在充分尊重并实现景观创意 的同时，进行多方案、多种结构形式的论证及比 选，实现了力与美的和谐统一。大桥设计过程中， 主要进行了结构体系、主塔倾角、主梁形式、飞 燕拱肋布置等项目的细节设计及计算验证。结构体系的选择-4-桥的结构性能影响很大，必须在全桥总体布置

7、及 构造设计之前予以充分考虑。对于斜拉桥的基本体系按力学性能划分有 漂浮体系、支承体系（半漂浮体系）、塔梁固结 体系以及刚构体系四种，先将这四种支承体系的 优缺点及适用条件比较如下:表1结构体系比较飘浮体系支承体系塔、梁固结体系刚构体系简 图-Z/ rt f上iJL/ 1 ( / 1“%1.F受 力 模 式墩塔固结、塔梁分离， 主梁除两端有支承外， 其余全部用拉索悬吊， 是具有多点弹性支承 的单跨梁，墩梁固结，塔梁 分离。采用这种体 系时，主梁为具有 多点弹性支承的 两鹿连续梁，塔梁固结并支承在 墩上.墩、塔、梁固结体系优点主梁无明显弯矩峰 值；温度及收缩徐变内 力较小,抗震性能较 隹.主梁为

8、具有多点 弹性支撑的连续 梁,较经济、美观.可有效降低塔墩弯 矩：减少主梁中间段 的轴向拉力。形成跨度内具有多 点弹性支撑的刚 构，结构的整体刚 度好，主梁挠度小.体 系 缺 点施工时需临时固结，抵 抗不平衡弯矩和纵向 朗力.塔柱处主梁负弯 矩峰值较大，温 度、收缩，徐变内力较大G连续梁支座至少有 一个纵向固定；两侧 不平衡索力造成桥 塔弯矩过大.主梁固结处负弯矩 大，较适合与独塔 斜拉桥-1-斜拉桥上 部构造的各种荷载是通过一需要设置较大的止推 装置；无索区较长且无 索区桥面过宽，结构不 能成立。塔柱两侧拉索水 平力不平衡，需在 主梁与塔柱横梁 间设置止推装置主塔处支座墩位巨 大，支座的设计

9、、施 工、维护及后期更换 难度太大，因此不宜 采用。免除了大型支座， 又可满足悬臂施工 的稳定要求，适用 本桥。支承-1-体系直接传递到下部结构，支承体系的-2-布置对斜拉本桥适用分析通过上述比较，鉴于本项目对桥梁景观有 特殊要求，综合考虑多方面因素，确定本桥采用 整体刚度较好的并能克服本桥型两侧索力不平 衡问题的墩、塔、梁固结体系一一刚构体系。主塔结构设计主塔为该桥梁结构的主要承重构件， 全桥结 构恒载及活载通过斜拉索传递给主塔， 然后经由-3-主塔传递至下部基础。本桥主塔线形及断面形式 的确定原则是：主塔的整体线性及断面尺寸应与景观设 计提供的效果图相近；本桥主、边跨跨径差距较大，在折线形

10、的 桥塔折点处会出现弯矩峰值。在主梁形式确定 后，为保证主跨主梁的受力情况， 主跨侧拉索索 力基本确定，塔柱受力虽然可以通过调整边跨侧 拉索索力进行调整，但考虑本桥背索设计为梁端 锚固，背索所里可调幅度有限，因此在设计时应 保证在塔柱折点处截面具有一定的抵抗强度；上塔柱截面设计应满足结构受力的要求， 同事应满足斜拉索锚固的构造要求。图2主塔线型及断面示意图综合上述因素，确定主塔采用矩形薄壁空心 截面，下塔柱根部截面尺寸为 8m X4m,线形渐-4-变至主塔汇合处，尺寸为X,壁厚，上塔柱尺寸 由X渐变至塔顶X,壁厚。主塔的线形直接影响结构 内力的分配及大小，选择合理 的线形，使结构在恒载作用下

11、拉索索力在塔柱与主梁相交处,应力均匀，能充分利用示意图点产生的弯矩相等，这时主塔 只承受轴力）而无弯矩及剪力,应力均匀，能充分利用示意图-5-5-材料强度。由此可得本桥主塔 的合理倾角80 ,而本桥景观设计塔柱线形为主塔与主 梁之间存在约77的斜交角 考虑到在活载作用下，塔柱受 力与恒载作用下方向相反，且 塔柱截面较大，自身有较大承 载能力，因此主塔倾角仍采用 77。当斜拉索锚固于箱梁梁体 时，主梁局部构造复杂且需要 较大的箱梁梁高；当锚固于主 梁梁体之外时，梁体局部构造 复杂且换索时需搭设临时支 架；本次设计，考虑到景观及 结构要求，将斜拉索锚固于上 塔柱，为满足上塔柱受力要求 在锚固区内设

12、置环向预应力加 强构造。主梁结构设计本桥主跨主梁跨径100m,边跨主梁跨径 50m,主、边跨主梁跨径差距较大，为保证主梁-6- 及塔梁固结处的受力平衡，主跨侧拉索索力大于 边跨侧拉索索力，而折线型的索塔，在塔柱上、 下折点处产生弯矩峰值，由于主、边跨索力差别 较大，塔柱折点处的弯矩峰值也相应增加；由于 背索设计为梁端锚固形式，避免塔梁结合处弯矩 过大及边跨支点出现负反力，背索索力不宜过 大。综合考虑，要求主跨主梁的自重应小，边跨 主梁的自重应较大，如此方能满足桥塔折点处受 力要求及保证边跨支点不会出现负反力。表2主跨主梁材料不同时主塔内力比较表主梁类型主梁自重塔柱上折 点弯矩混凝土主梁2钢混叠

13、合梁2钢主双边箱2梁整体箱_25.3 kN/m-7-梁由于桥型为独塔双索面斜拉桥，结构受力对 主梁的抗扭刚度要求较低，因此主跨主梁拟采用 单箱双室箱形断面，以最大限度的减小主梁自 重；边跨主梁拟采用单箱多室断面，以其较大的 自重与主跨主梁相适应。受桥梁跨径布置（主、 边跨差距大）及索塔形式（折线形索塔）的制约， 主跨主梁的自重应小，边跨主梁的自重应较大， 如此方能满足桥塔折点处受力要求及保证边跨 支点不会出现负反力，因此等高段主跨主梁（长 79m）采用Q345qD钢材预制箱梁，其余主梁采 用C50现浇预应力混凝土梁。由于主跨钢梁采用双边箱形式，为保证主梁 刚度过渡平顺，结构传力顺畅，与之相接混

14、凝土 主梁一般仍采用双主梁形式，其具体布置见图4。 但混凝土主梁设计需构造简单、受力合理，考虑-8- 混凝土主梁自重较大，采用整体箱梁较为合理， 其具体布置见图5。图4双边箱混凝土主梁构造图5整体混凝土箱梁构造边跨侧主梁设计为单箱八室预应力箱梁，C50混凝土，梁高，在塔根部区域加厚为 4m, 箱梁底宽，顶宽。顶板厚2540cm,底板厚22 60cm,腹板厚度5075cm,腹板内设置纵向预 应力钢筋。图6混凝土主梁横断面示意图主跨侧主梁采用单箱双室钢箱梁，Q345qD 钢材，梁高，两片箱梁通过横梁和桥面板连接形 成整体。钢箱梁顶板钢板厚14mm,下设U型加 劲肋，底板厚16mm,腹板厚12mm,

15、钢混结合-9-段及拉索锚固区钢板均采用 28mm加强。全桥钢主梁共长图7钢主梁横断面示意图钢硅结合段设计结合段设计是混合梁的关键部位，要求设计 对各种荷载产生的轴力、弯矩、扭矩和剪力的传 递顺畅可靠，在荷载作用下具有一定的承载安全 贮备，刚度过渡良好，耐久性好，抗疲劳性能好， 力求减小应力集中。本桥设计结合段为混凝土截面，其腹板与底 板外包钢板与钢箱梁一致，形成外包钢箱梁；为 了结合段与两端过渡均匀，在结合段端部设置了 过渡段；为保证结构过渡连续，混凝土段的纵向 钢筋伸入结合段，结合段顶板的上层纵向钢筋与 横向钢筋焊接。-10-结合段内钢梁腹板、端横隔板混凝土侧、纵 向隔板布置剪力钉，纵向隔板

16、侧设置 PBL剪力 键，底板纵向加劲肋上开孔，钢筋通过以形成 PBL剪力键，钢箱梁过渡段按通高设置隔板，本 方案剪应力主要由PBL剪力键来传递，PBL剪 力键在国内外已经有了很多工程实例，如日本鹤 见航道桥、广东佛山平胜大桥、南京长江第三大 桥等。图8钢硅结合段构造图（单位：mm飞燕拱肋设计对于常规桥梁，当边跨重量不足时，一般采 用箱内添加配重的形式解决，但由于本桥宽度达 41m,拉索锚固间距达，采用箱内配重时，端横 梁受力巨大，高截面无法满足受力要求。-11-图9飞燕拱肋外形图图10飞燕拱肋与箱梁侧端横梁位置示意图温榆河大桥景观设计为曲颈高歌的天鹅， 设 置飞燕拱肋后不但使天鹅的形象更加丰满

17、，其重 量也满足了结构配重要求，且有效改善了端横梁 结构受力，降低了端横梁的截面高度。.结语温榆河大桥在结构设计时努力将桥梁结构 与建筑艺术相结合，因此采用了独塔混合梁折线 斜塔斜拉桥结构型式，其主要特点如下：-12-对于桥面较宽，梁体无索区较长的 独柱折线斜塔斜拉桥，刚构体系是较好的 选择。本工程根据主塔受力特点，主梁分 别采用双边箱钢主梁及混凝土整体箱梁， 使得结构受力合理，工程经济性好；创新 型的钢混结合段设计满足了结构刚度过 渡及结构传力的要求；本桥边跨设置飞燕拱肋，丰富了大 桥景观造型，也对大桥整体结构受力具有 较大贡献，是桥梁结构与桥梁美学结合的 有效尝试。经过计算与分析，本桥结构体系是安全可行 的，体现了新颖优美的桥梁艺术