京杭运河矮塔斜拉桥结构设计和受力分析

宋连锋 ，高 金

（1.浙江大学建筑设计研究院，浙江杭州 310012；2.上海勘测设计研究院，上海 200434）

0 前言

矮塔斜拉桥又称部分斜拉桥，是近年兴起的一种新型桥梁结构形式，兼有“斜拉桥”和“体外预应力连续箱梁桥”的双重结构特点，由于其具有较好的结构性能、经济指标和景观效果，在城市桥梁中应用越来越多。

1 工程概况

康运桥位于浙江省杭州市境内康桥路跨越京杭运河处，是城北地区沟通运河东西两岸的重要节点。根据通航要求、城市景观和施工工艺，综合比较自锚式悬索桥、部分斜拉桥和独塔斜拉桥等方案后，确定为三跨66 m+110 m+66 m双塔双索面部分斜拉桥结构(见图1)。

图1 桥梁立面图

2 主要技术标准

（1）河道情况：运河宽度根据现状按100 m控制，为三级航道，通航净空为7 m，最高通航水位为2.38 m。

（2）荷载标准：城-A级，人群荷载按3.5 kN/m2。

（3）道路等级：城市主干路。

（4）桥梁设计基准期：100 a。

3 结构设计

3.1 总体设计

主桥桥型为三跨预应力混凝土双索面部分斜拉桥，跨径组合66 m+110 m+66 m。机动车道按双向6车道设计，人行道和非机动车道设置在中跨下缘挑臂处，中跨宽36.9 m，边跨宽28.9 m。

该桥采用塔梁固结、梁墩分离的结构体系，墩顶设支座，这样可使部分斜拉桥的受力更加接近梁式体系，受力明确，结构简单。

3.2 上部结构

3.2.1 主梁结构

主梁采用单箱五室变截面预应力混凝土连续结构，混凝土等级为C50。跨中及边跨支点处梁高2.4 m，中跨支点处为4 m，变高区域梁高按二次抛物线变化。

主梁设置纵、横、竖三向预应力，纵向预应力钢束采用高强光面钢丝和钢绞线二种类型，横向预应力采用钢绞线，竖向预应力采用JL32精轧螺纹钢。

箱梁顶宽28.9 m，中跨底宽36.9 m，边跨底宽28.9 m（见图2、图3）。桥面双向1.5%横坡通过主梁腹板高度变化调整。

图2 主桥边跨箱梁截面图（单位：cm）

图3 主桥中跨箱梁截面图（单位：cm）

斜拉索布置在左右两个边室。主梁除支点外，每个拉索锚固点处均设置横隔梁。锚固截面横隔梁间距为4 m，边室梁宽0.4 m，中室梁宽0.3 m。中支点横梁宽3.0～5 m，边支点处横梁宽2.0 m。

主梁顶板厚0.3 m，底板厚0.3～0.8 m，腹板均厚0.6 m，底板底缘和底板顶缘线性均按二次抛物线变化。

3.2.2 主塔结构

桥面上部主塔结构高16 m，为主跨的1/6.88。主塔采用C50混凝土实心截面，顺桥向宽3.7 m，横桥向宽1.7 m，局部勾弧线，凹槽装饰。

主塔布置在机动车道外缘，塔身内部设有鞍座，每根拉索对应一个鞍座。鞍座采用分丝管形式，每个分丝管穿一根钢绞线，以便将来可以单根换索(见图4)。

图4 主塔构造图（单位：cm）

在两侧斜拉索出口处设置抗滑锚头，以防止钢绞线的滑动。

3.2.3 斜拉索结构

斜拉索为双索面，单排索，两索面横向间距为26.7 m。塔上索距约0.75 m，梁上索距4 m。斜拉索在塔顶通过鞍座，两侧对称锚固在梁内（见图5）。

图5 斜拉索构造图

拉索采用环氧喷涂钢绞线，型号为15-43。拉索采用多层防腐措施，单根钢绞线为环氧喷涂，外包单层HDPE。钢绞线外包HDPE套管。

拉索锚固体系应与拉索配套使用。

3.3 下部结构

3.3.1 桥墩

主塔墩采用C50混凝土实心墩，截面尺寸为6 m×4 m，横桥向两个桥墩相互独立。主桥边墩采用C40混凝土实心墩,截面尺寸为8.5 m×2.7 m，横桥向两个桥墩相互独立。

3.3.2 基础

主塔墩承台采用C30混凝土，高4 m，基础采用φ200钻孔灌注桩。主桥边墩承台C30混凝土，高2.5 m，基础采用φ150钻孔灌注桩。

4 计算分析

结构总体采用平面杆系程序分析后，采用桥梁博士计算程序建立全桥空间梁格模型（见图6），计算纵梁、横梁、桥塔、斜拉索在各施工阶段、使用阶段和承载能力极限状态下的内力、应力、位移和强度。

图6 梁格模型

多梁模型：纵梁的边箱中部设置一根实纵梁，中箱腹板为一根实纵梁，为了提高活载加载的准确性，人行道端部设置两根虚纵梁，两实纵梁中间设置一根虚纵梁；每根横梁的位置设置一根实横梁，在两横梁间隔大的地方设置一根虚横梁，与纵梁形成梁格体系。纵梁自重只计算其腹板的重量。所有横梁重量均按照实际计入，桥面铺装及栏杆等二期恒载均施加在横梁上。

主梁、塔均采用梁单元模拟，斜拉索采用索单元，结合施工过程，全桥共划分为2686个单元，2710个节点，22个施工阶段。结构静力计算考虑的荷载有恒载、活载、温度、不均匀沉降等。

4.1 纵梁计算（见图7、图8、表1、表2）

图8 中纵梁成桥10 a正应力图

表1 边纵梁混凝土组合正应力汇总表

表2 中纵梁混凝土组合正应力汇总表

在拉索和结构自重作用下中纵梁和边纵梁的最大压应力为12.65 MPa，边纵梁上缘出现拉应力，但在规范要求内。成桥及10 a后中纵梁和边纵梁均处于受压状态，最大压应力为10.19 MPa，最小压应力为0.70 MPa，均满足规范要求。边纵梁短期组合最小正应力为-0.98 MPa（拉应力），长期组合最小正应力为1.00 MPa，标准组合最大正应力为14.25 MPa。中纵梁短期组合最小正应力为-1.35 MPa（拉应力），长期组合最小正应力为0.69 MPa，标准组合最大正应力为14.85 MPa，均满足规范要求。

4.2 横梁计算

箱梁的横向计算分为三种模式：（1）端横梁：带悬臂的实心横梁，支点数与支座位置对应；（2）斜拉索锚固处内横梁：以索梁锚固点为支撑的悬臂工字梁；（3）塔下横梁：以支座为面支撑的悬臂工字梁，主塔荷载以面荷载施加于横梁。

4.3 索塔局部空间分析

选取主塔下层的三根分丝管位置的节段（C1～C3）进行分析，荷载选取最不利荷载组合下的内力进行加载，包括上部主塔塔身传递的内力，斜拉索C1～C3在分丝管位置混凝土的等效径向力和节段塔身自重。

在正常使用最不利组合工况的索塔内力及斜拉索索力作用下，索塔节段整体的受力较为均匀，应力水平基本合理；斜拉索孔道局部位置应力水平与相邻混凝土相比有一定提高，但仍在合理范围内；在斜拉索分丝管齿板位置则出现较大的应力集中现象，但范围极小，对结构的整体受力性能影响较小。

5 桥梁施工

5.1 基本流程

0#节段利用承台上支架进行混凝土浇注施工，节段施工采用挂篮悬臂浇注法。0#节段浇注完毕后，安装挂篮和对称浇注1#块，张拉相应预应力束；挂篮转移锚固，浇注2#块并张拉相应预应力束；浇注3#块，张拉相应预应力束,然后张拉第一根斜拉索。按此顺序施工其他节段及张拉其他拉索。最后进行边跨合拢段和中跨合拢段施工。

5.2 中跨边跨不等宽的处理

主桥箱梁节段在中跨和边跨断面宽度不同（见图2、图3），自重也有一定差异（主要是箱梁挑臂的重量），为保证箱梁悬臂对称施工的要求，可考虑两次施工和整体施工两种施工方案。

两次施工是指悬臂对称施工时不施工中跨箱梁两侧4 m挑臂，待全桥合拢后浇筑；整体施工是指悬臂对称施工时对整个中跨箱梁断面整体浇筑，采取相应措施消除对称施工时中跨、边跨箱梁节段重量不平衡的问题。

综合比较支架搭设、施工难度、周期等因素后，考虑采用调整边跨结构尺寸的方法来平衡中跨挑臂的不平衡重量，通过计算，挑臂重量占箱梁混凝土重量的比例在5.8%～7.5%之间，扣除腹板厚度，每米挑臂重量等价于边跨箱室内增加顶底板厚度约13 cm/m。

6 结语

（1）部分斜拉桥在目前的100 m～300 m跨径的桥梁选型中被屡次应用，因其造型美观、施工简便、经济指标合理成为非常具有竞争力的桥梁结构形式。

（2）康运桥作为省内跨越京杭运河的第一座部分斜拉桥，丰富了运河桥梁的种类和景观（见图9）。

（3）该桥梁结构降低了梁高和桥面标高，减少桥梁长度，且悬臂施工可避免对繁忙的河道运输的影响。

（4）因地制宜地进行人性化考虑，在主跨下缘设置人行道，减少行人爬坡高度并与车行道区域隔离，并在设计上考虑边中跨不等宽引起的对称施工的不平衡问题。

（5）整体结构计算可采用平面杆系和梁格进行，对于索梁锚固区、塔梁固结点和索塔上鞍座处局部受力情况应进行空间分析，可为其他同类型桥梁提供参考和借鉴。

图9 成桥实景

[1]郑一峰.混凝土部分斜拉桥设计理论研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2005：212-213.

[2]严国敏.试谈“部分斜拉桥”—日本屋代南桥、屋代北桥、小田原港桥[J].国外桥梁，1996，（1）：47-50.

[3]高飞，陈淮，等.部分斜拉桥力学性能分析[J].郑州大学学报（工学版），2005，26（1）：54-56.