摘要：本文以横门东水道桥主航道桥初步设计推荐方案分离式钢箱梁独柱塔斜拉桥方案为工程背景，论述了该方案主塔、主梁、连接横梁、斜拉索等结构构件的设计特点和构造要求，给出了桥梁静动力总体计算结果，为同类桥梁的设计提供参考。
关键词 防治独柱塔，分离式钢箱梁，斜拉桥
1 工程概况
1.1 建设条件
横门东水道桥是深圳至中山跨江通道工程跨越横门东水道的桥梁工程。拟建工程区域北靠亚洲大陆，南邻热带海洋，属于亚热带海洋性季风气候区，温暖湿润，气温年差别不大，降水量多且强度大。工程区位于热带气旋路径上，登录和影响的热带气旋十分频繁，风荷载按照120 年设计风速进行设计。项目区域常水位下水深5～8.5m，航道位置处水深约3~10m。区域覆盖层底标高-56～-60m，覆盖层主要为淤泥和砂，局部有圆砾土层。基岩为石英岩和花岗岩。
1.2 桥型方案
初步设计总体设计阶段，对横门东航道桥悬索桥和斜拉桥方案进行了对比研究。根据防洪和通航要求，横门东泄洪通道总体阻水率不大于5%，主跨的跨度不应小于580m。研究发现采用悬索桥方案需要加大主跨跨度到632m，以将东锚碇移至治导线之外，锚碇和主塔基础需要下埋至河床面以下，以保证桥墩阻水率满足防洪要求。同时，采用悬索桥方案较斜拉桥方案造价高达17%。综合考虑，选择斜拉桥作为桥梁方案。
中央索面分离式钢箱梁斜拉桥总工程造价最低，其余各方面性能也满足要求，景观效果突出，作为推荐方案。考虑到横门东斜拉桥的建筑设计需要与伶仃航道桥保持一致，而伶仃航道桥塔形未定，钻石形塔整体箱组合梁方案作为备选方案。桥式布置如图1 所示
2 桥梁结构设计
2.1 结构体系
全桥采用半漂浮体系，塔、梁间竖向采用球型支座、纵向设置阻尼器、横向设置抗风支座。辅助墩和边墩设置横向抗震挡块。主塔桥面以下设置挑臂，挑臂、辅助墩和边墩墩顶设置纵向活动支座。
2.2 主塔
桥塔采用独柱塔，为钢筋混凝土结构，布置在两幅桥面之间。塔柱总高201.5m，采用C60 混凝土，桥面以上为上塔柱，高147m，截面尺寸由9×9m 变化到7×7m，壁厚1.2m；桥面以下为下塔柱，高54.5m，截面尺寸由14×14m 变化到9×9m，壁厚1.4m，上、下塔柱均采用单箱单室矩形带倒角断面。由于采用分体式钢箱梁，在塔柱横桥向设置两个预应力混凝土悬臂梁，支撑主梁，塔柱底设置2.5m高塔座。
2.3 主梁
主梁采用流线型分离式钢箱梁，梁高4.0m。两箱之间的距离为11m，纵向每隔15m 在双箱之间设置一道连接横梁。钢箱梁断面对比了两种断面形式：小倾角斜腹板钢箱梁方案和带平底板的钢箱梁方案。采用相同的梁高、板厚及加劲肋布置方式，两种方案截面特性对比如表1所示。
相同的梁高、腹板及加劲肋布置条件下，平底板钢箱梁方案比小倾角斜腹板钢箱梁方案断面面积略小，但截面竖向抗弯惯性距大32.7%，截面抗扭惯性距大33.6%，只有截面横向抗弯惯性距略小7%。最终，采用平底板分离式双箱方案。
2.4 斜拉索
斜拉索采用标准强度1860Mpa 的高强度低松弛镀锌钢绞线。斜拉索单侧36 对，全桥72共对，采用扇形布置，斜拉索梁端间距15m，塔端索距4m~6m 变化。斜拉索采用多层防腐体系，外加护套表面设置双螺旋线，减少风雨振。
主梁采用分离式钢箱梁，主塔侧采用钢锚梁锚固，梁端对比了三种锚固方式：边索面锚固（沿两箱梁外缘方向锚固）、中央索面连接横梁锚固、中央索面箱梁内侧腹板锚固。
边索面锚固：结构抗扭刚度高，景观效果差，连接横梁受力简单，钢材用量较少；
中央索面连接横梁锚固：抗扭刚度低，但都能满足结构需要，连接横梁受力复杂，钢材用量多；中央索面箱梁内侧腹板锚固：抗扭刚度较低，但都能满足结构需要，景观效果好，连接横梁受力较简单，钢材用量最少。
最终采用第三种梁端锚固方式，斜拉索锚固在箱梁内侧腹板上，采用锚拉板锚固。
2.5 连接横梁
钢主梁连接横梁布置在钢主梁梁端、桥塔塔柱两侧及斜拉索梁端锚固位置，用来增加主梁的整体刚度。连接横梁采用3×4m 矩形断面，顶、底板厚14mm，全桥共78根连接横梁。
3 动静力性能
主桥静力总体计算采用空间有限元计算软件3Dbridge 分析结构的内力和位移变化情况。主梁、主塔及连接横梁采用梁单元，斜拉索采用斜拉索单元。桥塔塔底固结，辅助墩及边墩约束竖向变形、横向变形及沿纵桥向的扭转，主梁与塔柱横梁通过受压单元连接。结构空间杆系计算模型如图2所示。
3.1 设计荷载
（1）恒载：包括一期恒载和二期恒载，一期恒载包含钢箱梁、连接横梁、斜拉索及主塔等材料重量，各构件均按照实际断面取重，隔板以集中力形式加载；二期横载计入桥面铺装、护栏、检修及管线布设等荷载。
（2）温度荷载：考虑体系升温、体系降温、索梁温差、索塔温差、塔侧温差。
（3）汽车荷载：公路Ⅰ级。
（4）基础不均匀沉降：主塔基础5cm，辅助墩及边墩2cm。
（5）风荷载：桥址处设计基本风速按120 年一遇V10=39.9m/s，当风荷载与活载组合时，取桥面处风速V=25 m/s。
3.2 静力计算结果
（1）结构刚度
活载作用下，主塔最大水平位移324mm，主梁最大竖向位移-657mm，相应的挠跨比为0.657/580=883，小于竖向允许挠跨比，竖向刚度满足要求。
（2）主梁及连接横梁
主力+附加力作用下，钢箱主梁上翼缘最大压应力122Mpa，下翼缘最大压应力172Mpa；连接横梁上翼缘最大压应力167Mpa，下翼缘最大压应力170Mpa。
（3）主塔
桥塔采用C60 混凝土，主力+附加力作用下，桥塔上翼缘最大压应力17.2Mpa，未出现拉应力；桥塔下翼缘最大压应力13.6Mpa，在上塔柱与下塔柱交界面处出现0.3Mpa 的拉应力，可以通过配筋解决。
（4）斜拉索
斜拉索采用高强度低松弛镀锌钢绞线，标准强度1860Mpa，全桥共五种类型斜拉索。主力+附加力组合下，斜拉索最大拉应力710Mpa；极限组合下，斜拉索最大应力608Mpa。斜拉索在各组合作用下安全系数最小值1860/710=2.62>2.5，满足设计要求。活载单独作用下，斜拉索最大应力幅135Mpa，满足设计要求。
3.3 动力计算结果
初步设计阶段采用MIDAS/CIVIL 软件对桥梁空间有限元模型进行了动力特性分析，并进行了颤振稳定性计算分析，后期将进行风洞试验。
桥梁扭弯频率比ε=1.27，成桥状态主梁弯扭耦合颤振临界风速为76.3m/s，高于主梁颤振检验风速。本方案主梁结构的抗风安全性能满足要求。
4 结 语
横门东水道桥是深圳至中山跨江通道工程跨越横门东水道的桥梁工程，由科威公司担任咨询工作，目前已经完成初步设计相关工作。与其相关的科研工作，如全桥气弹模型抗风试验、高性能混凝土研究等工作正在同步进行，后续将根据相关科研报告结论和工程批复情况对设计方案优化调整后进行施工图设计。
参 考 文 献（References）：.
[1]施文杰,梅应华,郭庆超.超宽预应力混凝土独柱塔斜拉桥总体设计[J].工程与建设,2015 年第29 卷第6 期.777-779.
[2]严国敏,现代斜拉桥[M].成都,西南交通大学出版社,2000.
[3]高宗余.东海大桥主航道桥斜拉桥总体设计[J].世界桥梁,2004(增刊):6-9.
论文作者:刘鹏
论文发表刊物:《建筑实践》2019年第08期
论文发表时间:2019/7/31
标签：锚固论文; 横梁论文; 斜拉桥论文; 应力论文; 拉索论文; 腹板论文; 方案论文; 《建筑实践》2019年第08期论文;