大悬臂宽梁独塔斜拉桥的总体设计与创新

任宏业

（上海林同炎李国豪土建工程咨询有限公司，上海市 200092）

1 工程概况

金婺大桥位于金华核心区的宾虹路上，西连金华市经济开发区，东接多湖CBD商务区，是金华市内跨越武义江的重要越江通道，也是市区范围内东西向穿越中心城区的规划城市主干路宾虹路上的一个重要交通节点。

1.1 建设条件

拟建桥位为东西走向通道，地貌分区属浙中盆地区，建设场地地貌属堆积地貌冲洪积平原。拟建场地地形较为平坦，持力层以中风化粉砂岩为主，属软岩，岩体较完整。

1.2 主要技术标准

（1）道路等级：城市主干路，设计时速50 km/h；

（2）桥梁设计荷载：城-A级，人群荷载按《城市桥设计规范》10.0.5条计；

（3）通航等级：武义江为规划Ⅴ级航道，通航空净宽80 m，净空5 m；

（4）抗震设计：抗震设防烈度为6度，地震动峰值加速度为0.05 g设计；

（5）设计洪水位：按百年一遇洪水位控制；

（6）桥梁横断面布置为：3 m（人行道）+3.5 m（非机动车道）+2.25 m（分隔带）+11m（机动车道）+0.5 m（中央分隔墩）+11 m（机动车道）+2.25 m（分隔带）+3.5 m（非机动车道）+3 m（人行道），总宽40 m。

2 桥型方案设计

2.1 桥梁设计思路

金婺大桥为老桥（独塔斜拉桥）拆除重建工程，桥址位于市区中心地段，周边用地开发成熟、管线敷设密集、桥位选择唯一，重建桥梁以尽量满足现状用地、不扩大桥梁规模、尽快落地接道路为原则。因此桥梁的梁高应与原桥的梁高和桥梁规模基本保持一致，同时重建桥梁应考虑避让老桥不能利用的桩基础。老桥为独塔斜拉桥，新建桥梁选用相同桥型是合适的。老桥桥跨布置为100 m+125 m+35 m，主墩为桩基础，新建桥梁避让老桥桥墩，同时满足通航要求，桥塔向非通航桥跨侧偏移，主跨跨径在140 m左右，综合考虑两岸管线和接线边界条件等，新桥桥梁跨径布置为85 m+143 m+37 m。

原桥为双向4车道，改建后大桥为双向六车道，在梁高限制下，桥塔位于分隔带，采用大悬臂梁是合理的结构布置。在桥塔处选择人行道、非机动车行道绕行的布置，可减少桥梁总体宽度，同时满足城市主干路的交通需求，桥梁标准宽度40 m，桥塔处局部宽度47 m。

桥塔选择拱形桥塔主要有三个优点：一是桥面较宽，塔柱位于两侧机非分隔带处，拱形桥塔竖向和横向比例协调性好；二是拱形桥塔线形比传统门型塔线形更为柔和，形成桥塔高大挺拔和柔美曲线相融合的刚柔并济之美；三是利用合理拱轴线可调整空间拉索合力角度使塔柱受力合理。

2.2 桥梁总体布置

主桥为独塔斜拉桥，塔墩梁固结体系，主塔桥面以下为混凝土结构，下塔柱高13.511 m，桥面以上为钢结构，桥面以上塔高82.121 m（见图1）。结合桥梁概念设计，对于边中跨不等跨的独塔斜拉桥，通过采用不同梁体材料形成自平衡受力体系。基于以上设计理念，本桥主梁采用混凝土—钢结构混合梁，边跨采用预应力混凝土双边箱梁，混凝土段长100.5 m，深入主跨15.5，通过2 m钢混结合段与钢梁连接，主跨主梁为钢结构双边箱梁，钢梁长127.5 m；主梁为钢结构整体式箱梁。拉索采用扇形布置高强平行钢丝索。

图1 总体布置图（单位：mm）

3 桥梁结构设计

3.1 主塔设计

主塔采用拱形塔柱，塔柱立于机非分隔带上，塔柱桥面以上72.283 m采用抛物线，桥塔顶部拱形横梁采用椭圆形线，桥塔为异形箱型截面，外侧为椭圆曲线，顺桥向及内侧为直线，上塔柱为钢结构，桥塔内塔壁尺寸为5 m×5 m。下塔柱为钢筋混凝土结构，上截面为6 m×6 m，下截面为6.5 m×6.5 m。桥面以上3 m为钢混结合面。

（1）钢塔

钢塔腹板、侧壁板厚根据受力不同采用16～36mm。主塔壁板及腹板均采用板式加劲肋进行加劲，板厚 20 mm/12 mm，肋高 220 mm/140 mm，主塔钢箱约每2.5 m左右设置一道横隔板，横隔板厚16 mm/12 mm。

（2）下塔柱

主桥下塔柱采用钢筋混凝土结构，上截面为6m×6 m，下截面为6.5 m×6.5 m；内部挖空尺寸为10.328 m×2.5 m。

3.2 主梁设计

（1）混凝土梁

为平衡主跨重量，边跨采用混凝土双边箱梁，横梁采用一字梁，梁体外横梁悬臂长7150～8800 mm（桥塔处加长），属于大悬臂。道路中心线处梁高2.7m，顶板设2%横坡，底板水平；箱梁顶板厚280mm，底板厚250 mm，标准腹板厚600 mm，加厚段腹板厚1000 mm；箱梁外悬臂长7.45 m，悬臂端部厚280 mm，根部厚883 mm（见图2）。混凝土主梁采用纵横向预应力。

图2混凝土梁断面图（单位：mm）

（2）钢梁

钢箱梁采用与混凝土梁外形尺寸一致的双边梁截面，主梁节段标准长度9 m（见图3）。钢箱梁顶板厚16 mm，斜腹板厚20 mm/30 mm，底板厚20 mm，钢箱梁顶、底板采用U形闭合加劲，顶板、底板U肋厚度8 mm。桥面顶板为正交异性板。钢箱梁每隔3 m设置一道横隔板，横隔板主要提供横桥向刚度，减小畸变变形，同时为正交异性桥面板提供支撑。

图3 钢梁断面图（单位：mm）

3.3 斜拉索

全桥共设60根斜拉索，桥塔拱轴线形与拉索布置相匹配，使桥塔保持轴压受力为主状态。斜拉索在混凝土梁上锚固纵向标准间距为5 m,钢梁上为9 m；塔上竖向锚固标准间距2.5 m。斜拉索在混凝土梁上设置锚固块，在钢梁和钢塔上设置钢锚箱。

4 主桥结构计算

本桥采用Midas Civil2018有限元软件建立全桥三维模型进行模拟。主梁截面按腹板个数分割成纵向梁格进行模拟，同时建立若干个纵向虚拟梁用于辅助加载。横桥向在横梁板处建立横向梁格。

整体计算分析见图4～图8。

图4 成桥阶段基本组合下结构剪力包络图（单位：kN）

图5 成桥阶段基本组合下结构弯矩包络图（单位：kN·m）

图6 成桥阶段基本组合下拉索内力包络图（单位：kN）

图7 标准组合下支座最大、最小反力（单位：tonf）

图8基本组合下钢梁与钢主塔截面正应力包络图（单位：MPa）

从图4～图8分析可知，桥梁主梁弯矩和剪力分部呈锯齿状分部均匀；桥塔根部的弯矩和轴压力比值为1.4＜0.3h0=1.5，属于小偏心受压柱；拉索索力总体均匀,根部短索拉力最大；标准组合下支座未出现负反力；基本组合下钢梁和钢塔部分的最大应力值为162.27 MPa＜345 MPa。从以上总体计算指标来看桥梁总体布置较为合理。

5 关键节点设计

5.1 主梁钢混结合段设计

主梁中的钢梁和混凝土梁结合面位于主跨侧距离主塔中心线处15.5 m处，钢混结合段采用后承压板式。钢混接头采用钢梁端部设置厚30 mm承压板的方案，钢梁端部2.0 m范围的顶、底板采用U型加劲肋和翼缘厚25 mmT型加劲肋，在混凝土梁的端部2 m范围将顶、底板加厚至750 mm，并在混凝土梁与承压板接触范围的顶、底板利用16 mm的钢板传递上下翼缘的应力，防止钢混接触面的表面因应力集中而使混凝土压碎（见图9）。为保证钢混接头处于有效连接和结合面处于均匀的受压状态，沿箱梁四周及纵腹板布置了纵向预应力钢绞线及精轧螺纹钢筋，在钢箱梁一侧锚固在钢承压板上。顶、底板的U型加劲肋和T型加劲肋保证混凝土梁与钢梁间刚度过渡。

图9 主梁钢混结合段构造图（单位：mm）

5.2 大悬臂横梁体设计创新

本桥梁体悬臂最长达8.2 m，对于梁体大悬臂下横梁通常为变高腹板，在端部尺寸较小，由于悬臂尺寸过大，这种情况下横梁的支撑能力在端部要比短悬臂弱很多，间接导致悬臂处桥面板的承载能力不足。本桥在梁端部增加一个高800 mm、宽300 mm的小纵梁，增加横梁的支持强度，增加悬臂的整体受力能力。

5.3 主塔钢混结合段设计

主塔钢混结合段长3m，塔壁及外腹板厚36mm，在钢混结合面位置处设置承压板，承压板厚60 mm，承压板上开设灌浆孔。为了保证受力连续，加劲肋在过渡段范围内减小高度，使其与标准段的加劲肋相配合。为了保证混凝土塔及钢塔之间的剪力传递以及防止钢板与混凝土之间的剥离，在钢塔塔壁及腹板上加焊传剪板，传剪板上打孔以利于传力。在与混凝土接触的钢塔柱塔壁及外腹板的内表面，均匀布置剪力钉，使钢结构和混凝土结构连接成为整体。剪力钉直径22 mm，高150 mm，塔、梁、墩结合段布置预应力锚杆，锚杆沿着断面四周布置，间距为900 mm。锚杆上端锚固在承压面上，以短加劲肋支撑，下端分批锚固在混凝土下塔柱内，分批张拉到位，以抵抗主塔的纵、横向弯矩。

6 结 论

（1）斜拉桥的大悬臂纵横梁体系在悬臂构造的设计创新可以大幅度增加悬臂横梁的支撑强度，能够符合悬臂梁理论计算，可为类似桥梁提供一定的经验参考。

（2）将桥梁结构概念设计与结构结算结合运用，能够快速合理的形成桥梁总体布置，总体设计的合理性直接影响桥梁的寿命期内的健康使用和耐久性。

（3）本文从结构合理的角度，分析结构尺寸对桥梁美观的影响，形成结构合理的、景观性较好的景观独塔斜拉桥。