跨海自锚式悬索桥的设计思路探究

刘鹏飞

摘要：本文结合工程实例和现有经验，从桥塔基础，塔柱设计、桥塔上、下横梁设计、混凝土加劲梁设计、缆索系统设计、抗风设计多个方面论述了跨海自锚式悬索桥的设计思路，得出先进、科学的设计思路是提升跨海自锚式悬索桥施工质量和设计方案可行性关键的结论，希望对相关单位有一定帮助。

关键词：跨海自锚式悬索桥；设计思路；缆索系统；抗风设计

1.案例分析

某跨海自锚式悬索桥，总长度为1456.678m，道路长78.68m，桥梁全长1377.998m。由主桥、北因桥、南引桥三个结构共同组成，其中主桥采用混凝土独塔自錨式悬索桥结构，桥跨布置为：北边跨设置成牛腿结构+混凝土加劲梁副跨+混凝土加劲梁主跨+主跨协作跨+南边跨牛腿，主桥全长330.3m；引桥采用整体式设计，主要采用多跨40m等梁高简支转连续小箱梁和标准20m空心板结构。其中主桥桥型示意图如图1所示：

2.跨海自锚式悬索桥的设计思路

2.1桥塔基础设计

本工程承台总长度为24.65m、宽度为14.48m、高度为8.6m，为提升桥台的稳定性和质量，在中间加设了联系梁，其高度为4.0m，宽度为6.2。基础采用钻孔灌注桩基础，桩径为2.5m，每个钻孔灌注桩之间的距离为6.25m。单桩桩顶竖向力的设计值不能低于23500kN，在桥承台的下方布置了12根桩，通过超声波进行检测，并在桩基内部统一设置4根外径为57mm，壁厚为3.5mm的钢管，呈四边形布置在桩身四周。

2.2塔柱设计

案例工程，桥塔上下塔柱均采用普通钢筋混凝土，总高度为99 548m，其中主体高度82.43m，塔顶鞍罩的高度17.118m。塔柱截面轮廓通过“菩提叶”的形状进行设计，下塔柱横桥厚度从原来的2.45m，降低到1.8m，内壁的厚度则从1.68m下降到1.25m。在设计设计中，为最限度上提升整个桥梁工程的施工质量和整体结构的稳定性，设置了一道厚度为50em的水平隔板，有效满足了该工程施工建设中，对塔柱的实际需求。在隔板预留出1.2mx0.8m的过人孔，确保各项施工能顺利开展。

2.3桥塔上下横梁设计

该跨海自锚式悬索桥的上部横梁的高度为10.07m，顶板厚度为2.0m，底板厚度为1.8m，两侧腹板的厚度为1.0m，并在横梁中设置相应的横隔板，厚度为1.6m。在进行上横梁浇筑时，要适当做抬高处理，台高量控制为33mm，则上横梁的浇筑高度为83.303m。

下横梁为A类预应力混凝土结构，在具体设计过程中，为最大限度上增加增加预应力对下横梁的自身效应，需要分5个节段进行浇筑，并设置两个合拢段。下横梁支点处梁高5.0m，跨中处梁高3.5m。

2.4混凝土加劲梁设计

为确保自锚式悬索桥整体结构性能的稳定性，在进行加劲梁设计时，要采用分节段设计的方法。包括：标准段、北侧主缆锚固块、南侧主缆锚固块等。其中标准段采用单箱三室鱼腹式设计方法进行设计，设计高度为2.5m，悬臂的长度2.846m。吊点处横隔板厚度为40cm，吊点处横隔纵向间距为6.0m。加劲梁A合拢段和B合拢段均采用单箱三室鱼腹式断面形式进行设计，其中A合拢段梁高为2.5m，顶板宽度为25.5m，底板宽度为20.10m，厚度均为25cm。B合拢段和A合拢段设计参数相同。加劲梁北侧主缆锚固块采用单箱三室断面形式，总长为28.5m，梁宽由25.5m变化至30m，梁高由2.5m变化至6.5m。加劲梁南侧主缆锚固块采用单箱五室断面形式，总长为68.5m，梁宽由25.5m变化至26.8m，梁高由2.5m变化至6.7m。根据南京水利科学研究院《桥位水域波浪潮流数学模型计算及岸滩稳定性分析》提供的基本资料并按照《海港水文规范》（JTJ 213-2000）的规定按直墙式建筑物近似计算，单位长度上的总波浪力为：

此公式中：式中：P表示单位长度上的总波浪力（kN/m）；H表示静水面以上波压力强度为零时的高度（m）；L表示波长（m），按下式计算：

此公式中g表示重力加速度（m/s2）；d表示水深（m）；T表示平均周期（s）；T表示水的重度（kN/m3）；d表示静水面到河床顶面的高度（m）；d1表示静水面到基床顶面的高度（m）。

2.5缆索系统设计

2.5.1缆索系统总体布置

该桥梁主缆由3跨共同组成，包括：副跨、主跨、主跨锚跨。在具体设计过程中，要根据桥梁周期的地形条件以及自锚式悬索桥的总体结构特性，选择合理的跨径。就案例工程而言，副跨理论跨径为102.5m，主跨理论跨径为168.0m。

2.5.2主缆构造

主缆由2根，每根61股平行钢丝组成。主缆顶面设主缆检修道，检修道扶手钢丝绳上下两端分别锚固于索塔顶部主索鞍及散索套（鞍）防护罩结构上，中间通过固定于索夹上的立柱支撑。

2.6抗风设计

在抗风设计时，要根据基本风速，并参照《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T D60-01-2004）的规定进行设计。

2.6.1风速计算。基本风速按照100年重现期的风速进行选取，取27.1m/s进行设计；施工阶段的风速可按照30年重现期的风速进行选取，取24.2m/s进行设计。

2.6.2风荷载计算。类型相关工程施工经验表明，作用在桥梁各构件单位长度上的风荷载可根据各构件不同基准高度上的等效静阵风荷载按下式计算：

此公式中，PH表示横向风力（N/m）；D表示主梁的高度（m）；Pd表示因抖振所产生的结构惯性动力风荷载；CR主梁体轴下横向力系数；主梁的空气静力系数宜通过风洞试验得到。竖向和扭转力矩的作用宜根据风洞试验和详细的抖振响应分析得到。

3.结束语

本文结合工程实例，深入分析了跨海自锚式悬索桥的设计思路，分析结果表明，跨海自锚式悬索桥的设计具有很强的专业性和技术性，需要从桥塔基础设计、桥塔塔柱设计、桥塔上、下横梁设计、混凝土加劲梁设计、缆索系统设计、抗风设计等多个方面同时人手，才能有效提升设计效果，为后期施工建设提供真实有效的指导依据。符合目前我国桥梁事业发展的标准和实际需求，值得大范围推广应用。

【参考文献】

[1]陈淮，王艳，朱倩.设计参数对刚性索自锚式悬索桥受力性能的影响分析[J].铁道科学与工程学报，2016，13（8）：1563-1568

[2]王桢，吴海军，周志祥，等.大跨径自锚式悬索桥吊索索力相邻影响分析[J].土木工程学报，2016（6）：51-60