长沙市洪山大桥混凝土斜塔结构设计.doc

长沙市洪山大桥混凝土斜塔结构设计
陈爱军，邵旭东，李立峰
（湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082 ）
摘要：通过分析长沙市洪山大桥无背索斜塔斜拉桥的受力特点，对无背索混凝土斜塔的合理结构进行了探讨，为此类桥梁的设计和施工提供参考。
关键词：桥梁工程 无背索 预应力砼斜塔 斜拉桥
1 前言
长沙市洪山大桥是一座无背索斜塔斜拉桥，主孔跨径206m，居同类桥梁世界之最。大桥主梁采用钢—混凝土组合脊骨梁形式，桥面宽33.2m，双向六车道，纵坡为0.2464％，横坡为1.5%。索塔为预应力砼箱形结构，塔身水平倾角58°，桥面以上塔高136.8m，是世界上第一座高度超百米的混凝土斜塔。拉索水平倾角25°，塔上索距9.312m，梁上索距12m，横桥向两排，间距6m，全桥共13对索（如图1所示）。

图1 长沙市洪山大桥总体布置图
斜塔无背索斜拉桥结构新颖、受力复杂，而索的受力与常规索塔完全不同，其复杂性主要体现在：单边索力需由塔的自重和刚度相平衡，由此带来的索力变异敏感性，塔的自重确定和刚度要求等问题需要认真解决。本文简要的介绍洪山大桥主塔结构的设计和受力特点，以便为类似桥梁的设计提供借鉴和参考。
2 设计构思
2.1 总体考虑
斜拉桥是由塔、梁、索三者组成的空间传力体系，拉索对主梁提供弹性支承和体外预应力，从而减小了梁内弯矩和拉应力，降低了主梁的高度，增大了跨越能力。对传统的斜拉桥，拉索对主塔产生强大的竖向压力，水平力基本上相互平衡。而对于无背索斜拉桥，拉索索力利用塔柱倾斜来平衡，打破了传统的直塔斜拉桥拉索平衡的体系。因此，塔柱的重量的确定方法和塔柱结构刚度对整个结构的受力显得尤为重要。
2.2 塔柱重量的确定
单边索斜塔斜拉桥的结构合理状态取决于主梁和塔重量之间的充分平衡，设计中除了需考虑合理的施工方法和施工程序外，还必须建立考虑主梁和塔的受力关系、重量容许的最大误差等。为了保证塔长期处于良好的受力状态，设计按照以下原则确定塔的自重：即当梁上作用全部恒载和一半活载时，塔应处于轴心受压状态[2]，如图2所示。由几何及平衡关系可以得到：
（1）
式中：
——每两根拉索在主梁和塔上的间距；
图2 斜塔自重计算图示
——主梁段上恒、活载的重量；
——斜拉索和斜塔各自的水平倾角；
——主塔段上恒载的重量。
索塔的节段恒载WT原则上按上述公式初拟，按洪山桥的结构布置，相应C值为2.432，塔身混凝土的体积较大，整个索塔的混凝土体积约6700m3。
计算结果表明，索塔重量的增减对塔内力非常敏感，若洪山桥索塔超重10％，塔根弯将矩增大420％，轴力增大10％，因而施工中严格控制塔的重量是十分重要的。
2.3 塔柱结构优化
2.3.1 与传统直塔结构的比较分析
无背索斜塔斜拉桥是一种全新概念的桥梁结构形式，本文所作的静力参数分析和研究主要是针对桥塔倾角、塔和梁的容重及刚度等设计参数的选取及其之间的相互配合、协调。由于塔柱很长，桥塔的刚度不仅影响桥塔自身的变形，而且影响索对梁的支承刚度。另外，桥塔的倾角程度也是一个重要的因素，它不仅影响斜拉索的索长和索力，还在很大程度上影响主梁和桥塔的位移以及塔根弯矩。所以应综合考虑各因素。塔柱倾斜角度的合理选取是这类桥型受力的关键问题之一，洪山大桥是采用58°的水平倾角。
在原则遵循式（1）拟定塔重的基础上，为降低塔柱重心和进一步提高塔根区域的刚度。而将索塔设计成上薄下厚的变壁厚结构。具体结构尺寸如图3所示，塔的主要设计参数如表1所示。

图3 主塔一般构造图 （单位：cm）
表1 洪山大桥主要结构参数

弹模
MPa
面积
A（m2）
竖向抗弯惯矩IZ（m4）
横向抗弯惯矩Iy（m4）
扭转惯矩Id（m4）
单位质量（kg/m）
钢箱梁
2.06×105
1.1306
2.3916
4.7850
4.8025
28940
塔(Ⅰ-Ⅰ截面)
3.5×104
37.190
756.790
327.056
676.108
98554
塔（Ⅱ-Ⅱ截面）

索(s1-s3)
1.9×105
0.01015
-
-
-
91.35
索(s4-s12)
1.9×105
0.00765
-
-
-
68.65
索(s13)
1.9×105
0.00584
-
-
-
52.56
对于无背索的斜拉桥，斜拉索的索力主要由主塔结构自重平衡，索力的确定方法也不同于直塔斜拉桥，不仅需要控制梁的内力，还须控制塔的内力，洪山大桥采用主梁、索塔双控调索最终确定的索力为6620ｋN～4200kN。按上述索力分布得到的大桥内力包络图如图4所示

图4 洪山大桥内力包络图
2.3.2塔柱锚固形式
由于竖琴式斜拉桥受力情况的特殊性，其拉索在塔上的锚固方式也与常规斜拉桥不同。设计将拉索锚固在塔的中和轴上，如图5所示。若锚固在塔的前（或后）箱壁上，由于单边索的缘故，锚固点集中力在塔箱截面上将一个很大的附加力偶，由此产生的塔内弯矩可占总弯矩的30％以上，将造成塔长期受力不良。因而将锚固点设置于中和轴，同时设置竖直横系梁和水平横隔板，不仅可以增加主塔本身刚度，而且可以使不利的附加内力减小到最小。

剖面图 横截面图（单位：cm）

施工现场照片
图5 斜拉索在塔上的锚固
2.3.3塔柱三向预应力体系布置
在综合考虑塔在恒载、活载、收缩徐变、温度变化、索力及塔重误差等作用下的受力状态，为了使塔柱截面不出现拉应力，设置了沿塔轴线方向竖向预应力筋和与塔轴垂直的双向预应力筋，从而大大改善了塔的整体和局部受力状态。
3 细部构造设计
3.1 塔基
桥址处基岩外露，地质条件十分良好，因而塔基采用了31m（顺）×30m（横）×9m（高）的扩大基础以降低造价。
3.2 钢壳混凝土
标高在38.383m～64.098m之间为钢壳混凝土部分，桥面以上横桥向宽8.2m，从桥面板标高处开始横向向外倾斜至塔基，宽20m。为方便位于桥中央箱梁顶面人行道行人上下桥，在塔根钢壳部分开了一个高9m、宽3m的过人孔。钢壳内设劲性骨架并用砼填实。
3.3 塔根和主梁的连接构造
塔、梁连接部分的结构形状、构造和材料特性均有变化。为了使主梁巨大的轴力有效地传递给塔根部，且应力传递明确，构造简单，在钢壳砼固结块与钢箱梁之间设10.8米长的过渡段。钢箱梁在过渡段的形状保持不变，箱内设计一个喇叭口的构造，逐渐加大截面，使钢箱梁与塔身联成整体。连接段部分采用自密实砼，在与砼接触的各钢板表面布置大头剪力钉（箱内）或联结钢筋（箱外）等传剪装置，确保两种材料之间的联接和应力的传递。

图6
3.4塔顶
塔顶设5.4m高的观景台和电梯控制间，以上设20.0m高的U型塔冠，渐细的顶端向上方和北侧延伸，更加突出了斜塔的雄伟、挺拔、伸展之美。
3.5 电梯井与装饰槽
洪山桥的设计特色除5.0m宽的人行道位于桥中央两个索面间和在塔根部开设过人孔之外。塔顶还设观景台，塔内设3.2m×3.2m的电梯井道以配观光电梯。
为引导视觉，在塔四周设置沿塔高通长的装饰槽。东西两侧各两条宽0.8m、深0.2m；南北两侧各一条宽0.8m、深0.3m。设置凹槽后，索塔更为秀美了。
4 结语
洪山大桥由于采用了无背索斜塔斜拉桥结构，利用塔柱倾斜来平衡桥面恒载和活载，使塔的受力和设计变得十分特殊，本文对该桥混凝土斜塔的设计作了一个简单的介绍，希望能给类似结构的设计带来启发。由于预应力砼斜塔柱，设计在国内外尚属首次。详细的结构分析将另文阐述。
参考文献：
[1] 严国敏. 现代斜拉桥[M]. 成都. 西南交通大学出版社. 1996
[2] 邵旭东，李立峰，赵华，彭旺虎. 长沙市洪山桥竖琴式斜拉桥的设计[J]. 长沙. 湖南大学学报（自然科学版）. 2001，28（4）：88-93
[3] 湖南大学土木工程学院，长沙市浏阳河洪山大桥全桥1：30相似模型静动力试验研究成果报告集[M]. 长沙.2000

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