重庆水土嘉陵江大桥桥塔结构设计

刘明志

（林同棪国际工程咨询（中国）有限公司，重庆市 401121）

重庆水土嘉陵江大桥桥塔结构设计

刘明志

（林同棪国际工程咨询（中国）有限公司，重庆市 401121）

重庆水土嘉陵江大桥为主跨388m高低塔双索面叠合梁斜拉桥，桥塔采用双柱式“方尖碑”造型，截面采用不规则多边形结构形式，仅在桥面处设置一道横梁。通过调整两塔肢间距及截面壁厚，减小恒载以及汽车荷载形成的竖向分力对桥塔产生的偏心弯矩；设置锚拉板，解决索塔锚固区环向预应力束布置困难的问题。对整个桥塔及索塔锚固区结构进行分析，结果表明桥塔截面的应力，强度均满足规范要求。

斜拉桥；桥塔；不规则多边形；结构分析

1　概述

重庆水土嘉陵江大桥位于重庆两江新区，是连接水土产业区与蔡家片区的重要过江通道。桥梁全长972 m，其中主桥为61 m+199 m+388 m+128 m的高低塔双索面斜拉桥，主桥最大纵坡0.7%，双向6车道，主梁采用钢混叠合梁，全桥宽31.8 m（含拉索锚固区），全桥采用墩、塔、梁固结体系，见图1。

2　桥塔结构设计

桥塔采用双柱式钢筋混凝土结构，整个桥塔由上、下塔柱及桥面处横梁组成。下塔柱采用C50混凝土，横梁及上塔柱均采用C55混凝土，在拉索锚固区内添加钢纤维以改善拉索区混凝土工作性能。桥塔承台采用C40混凝土，桩基础采用C30水下混凝土。

高塔P5高201 m，截面尺寸沿高度分四段变化，塔冠由3.5 m×7.0 m（横桥向×顺桥向）变化7.0 m×7.0 m，拉索区为等截面均为7.0 m×7.0 m，拉索区到桥面区段，塔柱由7.0 m×7.0 m线性变化到8.0 m×8.2 m（横桥向×顺桥向）；下塔柱由8.0 m×8.2 m线性变化到13.0 m×8.5 m。桥塔横梁宽8.2 m，横梁中部高7 m，与塔柱相交段截面高8 m，截面采用单箱单室截面，中间设置一道50 cm厚的隔板。P5索塔基础采用钻孔灌注桩形式，单幅承台下布置9根3.0 m钻孔灌注桩，桩长16 m，承台采用17×17 m的矩形截面，承台高6 m，承台中心间距36.22 m，见图2。

矮塔P6高154 m，截面尺寸沿高度分四段变化，塔冠由3.0 m×6.0 m（横桥向×顺桥向）变化6.0 m×6.0 m，拉索区为等截面均为6.0 m×6.0 m，拉索区到桥面区段，塔柱由6.0 m×6.0 m线性变化到6.7 m×6.5 m（横桥向×顺桥向）；下塔柱由6.7 m×6.5 m线性变化到10.5 m×7.0 m。桥塔横梁宽6.7 m，横梁中部高6 m，与塔柱相交段截面高7 m，截面采用单箱单室截面，中间设置一道50 cm厚的隔板。P6索塔基础采用钻孔灌注桩形式，单幅承台下布置5根3.0 m钻孔灌注桩，桩长11 m，承台采用13.5×13.5 m的矩形截面，承台高6 m，承台中心间距34.5 m，见图3。

3　设计关键技术［1-5］

水土嘉陵江大桥受两侧地形因素影响，主桥边跨不等且南侧边跨偏小（128 m），为满足结构受力需求，两侧桥塔度不一致。同时出于美学景观及行车通透性的考虑，两侧桥塔仅在桥面处设置一道横梁，均未设置上横梁，而P5桥塔在桥面以上高达128 m，P6桥塔在桥面以上亦高达76 m，加之桥塔“方尖碑”造型，决定了桥塔截面为非对称、不规则多边形截面，因此确保恒载及汽车荷载不产生横向偏心弯矩是桥塔设计关键技术之一。

结构恒载和汽车活载是通过拉索传递到主塔的，如果能够保证拉索荷载传递路线与桥塔结构竖向重心一致，那么这个问题就解决了。首先拉索布置为竖直无横向偏位（与塔截面一侧壁平行），根据索梁锚固区整体受力以及拉索张拉空间需求确定索塔锚固区截面（等截面）重心位置，增加截面尺寸（横桥向为主），同时调整截面内壁厚，保证从索塔锚固区到桥面处截面刚度增大的同时上下截面重心无横向偏位，以满足塔肢抗风需求；其次根据索梁锚固体系确定拉索间距为30.5 m（此间距即为两塔肢截面竖向重心线的距离），调整塔柱的横向距离（塔柱局部侵占人行道，保证其离车行道距离不小于50 cm，人行道采用外绕方式处理），实现两塔肢重心距离为30.5 m，见图4、图5。

图1　重庆水土嘉陵江大桥总体布置图（单位：cm）

图2　P5桥塔一般构造图结构（单位：cm）

对于非对称，不规则多边形桥塔截面，设计一般考虑采用钢锚箱（或钢锚梁）的索塔锚固方式，其最大的理由是不规则的截面形状导致环向预应力布置困难，施工质量不易保证，但钢锚箱造价高，后期养护繁琐，费用高。鉴于此点，水土嘉陵江大桥业主更倾向于环向预应力锚固方式，因此非对称，不规则多边形桥塔截面环向预应力锚固方式的实现是桥塔又一关键技术。

图3　P6桥塔一般构造图结构（单位：cm）

图4　桥塔横向偏心处理措施（单位：cm）

图5　恒+活载，桥塔横向弯矩图（单位：KN·m）

环向预应力束配置主要是克服斜拉索水平分力对塔壁的不利影响，因此钢束配置的有效性是关键，而水土桥桥塔截面为非对称的多边形，同时为了保证拉索与截面竖向重心一致，截面的壁厚也不一致，这就导致常规方式的配束（常规桥塔均为矩形截面）在此截面上是失效的，经过反复研究，发现在塔壁内设置一道混凝土锚拉板，让配束问题又回到常规桥处理方式，就很好解决此问题，同时便于拉索张拉，锚拉板在每个拉索处设置1.2 m高过人孔，见图6。

图6　桥塔索塔锚固一般构造图结构（部分节段）

4　结构分析

采用大型通用有限元软件，对桥塔结构进行计算分析，主要分为两大部分：第一部分为桥塔在施工阶段、成桥运营阶段的极限状态计算；第二部分为索塔锚固区复杂细节的局部实体分析，见图7。

图7　全桥三维空间有限元模型

在荷载组合下，桥塔控制性验算结果见表1。

表1　桥塔结构主要验算结果

桥塔整体分析是无法反应索塔锚固区复杂的应力状态，为此，对整个索塔锚固区建立三维实体有限模型验证混凝土锚拉板及环向预应力束配置的有效性，见图8。索塔主要分析结果见表2。

图8　索塔锚固区三维实体有限元模型

表2　索塔主要分析结果

5　结语

重庆水土嘉陵江大桥桥塔造型优美独特，设计通过偏移塔肢横向距离和局部调整塔壁厚度解决恒、活载产生偏心弯矩及塔肢抗风问题，同时在索塔锚固区设置混凝土锚拉板解决非对称、异形截面环向预应力布置困难的问题。通过计算分析，其计算结果均满足相关规范要求，证明桥塔整体构造设计合理，可作为同类桥塔设计参考。

［1］林同棪国际工程咨询（中国）有限公司.重庆水土嘉陵江大桥施工图设计［Z］.2014.

［2］林同棪国际工程咨询（中国）有限公司.重庆水土嘉陵江大桥抗震设防专项论证报告［R］.2013.

［3］彭晓彬，陈杏枝.鄂东长江公路大桥桥塔设计［J］.桥梁建设2009（5）: 40-48.

［4］李刚.万州长江三桥桥塔设计［J］.桥梁建设，2015，45（5）:94-98.

［5］金增洪.厄勒桑特桥的设计和施工［J］.中外公路，2004，24（2）:25-29.

U448.27

B

1009-7716（2016）06-0122-04

2016-2-23

刘明志（1984-），男，湖北武汉人，工程师，从事桥梁设计工作。