拱形塔悬索斜拉组合结构桥梁的设计与施工 黄士柏，郝俊峰，徐海军 ４５ 文章编号：１００３—４７２２（２Ｏ】Ｏ）０１—００４５—０４ 拱形塔悬索斜拉组合结构桥梁的设计与施工 黄士柏，郝俊峰，徐海军 （同济大学桥梁工程系，上海２０００９２） 摘 要：龙城大桥采用三跨拱形塔悬索斜拉组合结构，其跨径布置为（７２＋ｌ１４＋３０）ｍ。拱形 桥塔由索塔及次塔组成，索塔为变截面拱形钢箱结构；次塔与索塔交角为６０。。主梁为箱形结构。 利用ＭＩＤＡＳ Ｃｉｖｉｌ软件进行结构整体分析，在结构重力下主缆的张力约为５３ ０００ ｋＮ；根据初始平 衡状态，进行倒拆分析，确定缆索的下料长度和空间坐标。主缆采用三段式散索装置锚目；设计新 型的钢锚箱，使缆索在小空间内实现较大集中力的锚固。钢索塔采用现场拼装、竖向转体（扳起法） 的方法施工。每边吊杆分３组，每组同时张拉４根，以对主缆进行加载与调位。 关键词：悬索斜拉组合结构；结构特点；结构分析；桥梁设计；桥梁施工 中图分类号：Ｕ４４８．２５；Ｕ４４２．５ 文献标志码：Ａ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｈｙｂｒｉｄ Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ａｎｄ Ｃａｂｌｅ。・Ｓｔａｙｅｄ Ｂｒｉｄｇｅ ｗｉｔｈ Ａｒｃｈ Ｐｙｌｏｎ ＨＵＡＮＧ Ｓｈｉ—ｂａｉ，ＨＡＯ Ｊｕｎ—ｆｅｎｇ，ＸＵ Ｈａ ｊｕｎ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｂｒｉｄｇｅ，Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ Ｌｏｎｇｃｈｅｎｇ Ｂｒｉｄｇｅ ｉｓ ａ ｔｈｒｅｅ—ｓｐａｎ ｈｙｂｒｉｄ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ａｎｄ ｃａｂｌｅ—ｓｔａｙｅｄ ｂｒｉｄｇｅ ｗｉｔｈ ａｒｃｈ ｐｙｌｏｎ ａｎｄ ｗｉｔｈ ｓｐａｎ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ（７２＋１１４＋３０）ｍ．Ｔｈｅ ａｒｃｈ ｐｙｌｏｎ ｉｓ ｍａｄｅ ｕｐ ｏｆ ｔｗｏ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｂｌｅ ｐｙｌｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｐｙｌｏｎ．Ｔｈｅ ｃａｂｌｅ ｐｙｌｏｎ ｉｓ ａ ｓｔｅｅｌ ｂｏｘ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ｖａｒｉａｂｌｅ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｃａｂｌｅ ｐｙｌｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｐｙ— Ｉｏｎ ｉｓ ６Ｏ。．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｇｉｒｄｅｒ ｉｓ ａｌｓｏ ａ ｂｏｘ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ＭＩＤＡＳ／Ｃｉｖｉｌ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｔｈｅ ｇｌｏｂａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｂｒｉｄｇｅ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃａｂｌｅｓ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｇｒａｖｉｔｙ ｉｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｔｏ ｂｅ ５ ３ ０００ ｋＮ．Ｉｎ ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ｓｔａｔｕｓ，ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｓｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｍａｄｅ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｓｅｔｔｉｎｇ—ｏｕｔ ｌｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃａｂｌｅｓ．Ｔｈｅ ａｎｃｈｏｒａｇｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃａｂｌｅｓ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ—ｓｅｃｔｉｏｎ ｓｐｌａｙ ｓａｄｄｌｅｓ，ｔｈｅ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ａｎｃｈｏｒ ｂｏｘｅｓ ａｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ＳＯ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃａｂｌｅｓ ｃａｎ ｂｅ ａｎｃｈｏｒｅｄ ｉｎ ａ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｇｒｅａｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅ ｗａｙ ｉｎ ｔｈｅ ｎａｒｒｏｗ ｓｐａｃｅ．Ｔｈｅ ａｒｃｈ ｐｙｌｏｎ ｉｓ ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｓｉｔｅ ａｎｄ ｉｓ ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ（ｐｕｌｌｉｎｇ—ｕｐ ｍｅｔｈｏｄ）．Ｔｈｅ ｓｕｓｐｅｎｄｅｒｓ ｏｎ ｅａｃｈ ｓｉｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃａｂｌｅｓ ａｒｅ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｇｒｏｕｐｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｕｒ ｓｕｓｐｅｎｄｅｒｓ ｉｎ ｅａｃｈ ｇｒｏｕｐ ａｒｅ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ ｔｅｎ— ｓｉｏｎｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｖａｌｕｅ ａｔ ｏｎｅ ｔｉｍｅ ｅａｃｈ ｔｉｍｅ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｐｐｌｙ ｌｏａｄ ｔｏ ａｎｄ ａｄｊ ｕｓｔ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃａ— ｂｌｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｙｂｒｉｄ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ａｎｄ ｃａｂｌｅ—ｓｔａｙｅｄ ｂｒｉｄｇｅ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｂｒｉｄｇｅ ｄｅｓｉｇｎ；ｂｒｉｄｇｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ 收稿日期：２００９—１１—１３ 作者简介：黄士柏（１９５１一），男，高级工程师，１９８３年毕业于同济大学分校城市道路与桥梁系，工学学士（ｈｓｂ０４１１＠１２６．ｃｏｒｎ）。 ４６ 桥梁建设 ２０１０年第１期 １工程概况 截面与混凝土顶板形成闭合箱形截面’，梁高２５０ ｃｍ，钢结构腹板厚１４～１６ ｍｍ，底板厚１６￣２４ ｍｍ， 顶板厚２２ ｍｍ。箱梁底板采用Ｕ形肋加劲，顶板和 常州又称龙城，在进行京杭运河（常州段）改造 工程期间，选中了１座桥梁建筑造型形似一条巨龙 的奇特方案，作为常州的一个标志性建筑，取名为龙 城大桥。该桥位于常州新城区的常武路，采用拱形 塔自锚式悬索斜拉组合结构（图１），其跨径为 ７２ １２２＋１１４ ｍ＋３０ ｍ，主桥长２１６ １ＴＩ，桥宽４０ １２１＿，双 腹板采用纵肋加劲。结合梁断面形式见图２。 Ｉ． －Ｊ 向６车道 其中主跨为１１４ １ＴＩ自锚式悬索结构（跨 《 盍壶茏菌葱茏亩面 面 单位：ｃｎｌ 越宽９０ Ｉｎ的京杭运河）；７２ ｍ边跨为斜拉结构（跨 越３１２国道）；３０ １ＴＩ辅助边跨为连续梁结构。龙城 大桥采用先成桥后开河方案，该方案能满足上部结 构采用搭设支架现浇混凝土及在支架上进行钢梁拼 装。全桥采用一次落架的施工工艺。 ⑥ ⑦ ⑧ ⑨ Ｉ ３０ 图１ 龙城大桥主桥总体布置 ２ 结构特点 拱形桥塔由索塔、次塔２部分组成，索塔采用 一３的悬链线变截面拱形钢箱结构，顺桥向朝边跨 倾斜３Ｏ。，宽度沿高度方向变化，为传力构件。索塔 在桥面上垂直高３７ ｍ，竖向分为３个区域：桥面以 下塔柱与承台连接设置竖向“Ｉ”字钢与混凝土梁结 合，浇筑Ｃ５０混凝土；中部区域为钢一混凝土结构， 为改善钢塔截面受力，该部内灌注Ｃ５０微膨胀混凝 土，并作为配重降低边跨斜拉索力，同时设置环向加 劲肋以避免泵送混凝土时钢箱外鼓；上部区域为钢 结构，主要提供主缆及斜拉索的锚固。次塔为非传 力构件，仅作为桥塔的特有造型，与索塔交角为 ６０。。在桥梁运行时，散索套能在次塔内自由滑移。 主梁采用箱形结构，主跨跨中部分采用钢一混 凝土结合梁，两侧边跨采用预应力混凝土箱梁结构。 结合梁采用封闭箱形的断面形式，由无顶板的钢箱 图２结合梁横断面 主跨的主缆直径为３９５ ｍｍ，由２ １０５根ｊ５７ ｍｍ 的平行钢丝索股组成，一端锚固于支承处的梁体内， 另一端在空中散成７根分缆锚固于索塔。 全桥共设４８根柔性吊杆和１２根刚性吊杆。柔 性吊杆为交叉式斜向吊杆，采用双耳式索夹，与主缆 的夹角大于９Ｏ。。刚性吊杆为竖直吊杆。 ７０ ｍ边跨设置５对斜拉索以平衡主缆拉力。为 减小主跨跨中挠度，３０ ｍ辅助边跨采用连续梁结构。 ３ 结构分析 ３．１计算模型 主桥结构分析分整体结构计算和局部构件计 算。本文主要介绍结构整体分析的主要结果。该桥 采用ＭＩＤＡＳ Ｃｉｖｉｌ有限元计算程序，考虑在主缆索 力施加过程中存在明显的大位移小应变的几何非线 性特征进行几何非线性分析。结构整体计算采用空 问杆系模型，结构离散模型见图３。主缆索力的施 加不是一次完成，而是将每一个施工阶段进行累 加Ｉ１］，考虑混凝土的收缩、徐变等材料非线性，将每 个阶段发生徐变收缩之后的影响进行累加计算。 图３结构整体计算模型 ３．２计算参数 桥塔、主梁等刚性构件采用空间梁单元模拟，主 缆、吊杆和斜拉索等柔性构件采用索单元模拟。外 部边界条件为主墩、塔、梁固结，其余墩设支座。内 部边界条件包括缆索与结合梁的刚臂连接等。 ３．３主缆张拉力 对于自锚式悬索桥，控制主梁设计的主要是锚 固在主梁上的主缆传递来的巨大轴力。该桥主跨跨 径为１１４ ＩＴＩ，由于桥塔向边跨倾斜，主缆实际跨度达 拱形塔悬索斜拉组合结构桥梁的设计与施工 黄士柏，郝俊峰，徐海军 ４７ １３８ ｍ；同时该桥为半跨自锚结构，在结构重力状态 钢材的允许应力要求，此外还配置纵向和横向加劲 下由主缆承担全部荷载，则每根主缆力将达到 以满足稳定计算要求。结合梁的混凝土桥面板其跨 ８０ ０００ ｋＮ。由于该桥主缆锚固于桥塔，此轴力将给 中最大压应力（８．６９ ＭＰａ）满足混凝土允许应力要 拱形塔柱设计带来巨大困难。因此，提出由主缆和 求，并通过焊钉与钢结构连接，在近支点附近负弯矩 主梁共同承担结构重力的设计理念。通过比较，最 区通过配置纵向预应力消除此处的拉应力。 终确定３５ 的结构重力由主梁承担，６５ 的结构重 表３结合梁在永久作用下引起的内力值 力由主缆承担。按照结构重力集度，折算到每根吊 杆的竖向力为８５０ ｋＮ，最终确定吊杆竖向设计力为 ５５０ ｋＮ，在此结构重力下主缆力约为５３ ０００ ｋＮ。 ３．４初始平衡状态分析 注：轴力以受压为正，弯矩以Ｆ缘受拉为正，剪力以顺时针为正。 确定主缆张力后，进行初始平衡状态分析。在 下同。 解析解的基础上进行有限元迭代分析，利用ＭＩＤＡＳ （４）塔内力分布。索塔不仅要承担缆索锚固传 Ｃｉｖｉｌ程序提供的悬索桥分析工具，得到初始平衡状 递来的轴向压力，还要承担两侧不完全一致的锚固 态时主缆承载下的缆索线形和索长Ｌ。根据该桥的 引起的顺桥向弯矩以及缆索与塔柱不在一个平面内 初始平衡状态，进行“倒拆分析”得到缆索空缆状态 引起的横桥向弯矩（即桥塔面内弯矩）。该桥主缆散 及缆索无应力长度Ｌ 。从而确定缆索的下料长度 索后的索股数量少于一般的悬索桥，单根索股索力 和在空间的坐标位置。 最大超过了９ ０００ ｋＮ，增加了桥塔设计的难度。为 ３．５主要计算结果 此，通过调整边跨斜拉索索力来降低桥塔顺桥向弯 （１）上部结构重力引起的支座竖向反力计算结 矩，同时通过优化桥塔平面内形状来降低横桥向面 果见表１。主墩塔底的顺桥向弯矩为７７ ４８９ ｋＮ・ｍ。 内弯矩。桥塔在永久作用下主要内力分布见表４。 表１ 结构重力引起的反力 表４永久作用下桥塔主要内力分布 位置 竖向反力／ｋＮ ７２ ｍ跨６号墩 ７号墩塔底 主跨８号墩 ３０ ｍ跨９号墩 合计 注：主墩塔底指每个Ｆ塔柱底，主墩共２个Ｆ塔柱。 ４关键部件的设计 （２）变形。主缆从挂索时自平衡状态下的悬链 ４．１主缆散索套设计 线到达到设计力后会发生明显的变形，与一般竖直 主缆的轴力达５３ ０００ ｋＮ，在空中散成７股，最 索面的悬索桥不同，该桥除了有竖向的挠度之外，在 大分缆力（最高１根）达到９ １００ ｋＮ，索塔与散索点 横桥向也有明显的变形。主要构件的变形计算结果 间的距离１４ ｍ左右，分缆与主缆的最大转折角度 见表２。 为２７。，分缆在张拉时在转折角处产生一个很大的 表２主要构件的变形值 张力。要求该散索点在使用过程中始终处于漂浮状 态，在各根分缆力作用下在散索点处不允许主缆松 散而造成散索套滑移。经过研究采用散索套＋过渡 索套＋固定防退索夹的“三段式”散索装置（图４）， 采用４５号铸钢件。 （３）结合梁永久作用效应。结合梁在永久作用 下引起的内力计算结果见表３。由表３可知，结合 梁在永久作用下，跨中正弯矩使得钢梁下缘受拉，但 由于主缆力给主梁施加了一个很大的压力，因此钢 梁拉应力值较低（不超过１０ ＭＰａ），远低于钢材的允 图４散索装置外形示意 许应力，强度不控制设计，主要由刚度控制。主缆施 散索套成喇叭形，主要为保证７根分缆按照设 加的压力对于负弯矩区的钢结构受力不利，此处的 计确定角度定位。过渡索套为圆锥形，采用高强螺 底板厚度得到了加强，下缘压应力（１１４ ＭＰａ）满足 栓连接拼装，用以克服分缆与主缆间的张力和散索
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４８ 桥梁建设 ２０１０年第１期 套的滑移，并逐步将７根分缆过渡到整圆。固定防 退索夹主要为确保散索点形成主缆后没有滑移。 对散索套进行了足尺模型抗滑移试验，计算得 出散索套的下滑力为６４０ ｋＮ，抗滑安全系数应大于 ３，即散索套最小抗滑力不小于１ ９２０ ｋＮ。试验时 对固定防退索夹的１６根Ｍ３６高强螺栓施加３４０ ｋＮ预紧力，对７根分缆进行分级张拉加载，当最大 加载至下滑力为２ ２２６ ｋＮ时，固定防退索夹产生滑 ｌ ｏｏｏ Ｘ１４皿ｎ钢管 统 图６索塔竖转示意 担桥梁结构重力的６５ ，必须按照设计所确定的线 形进行安装。在安装主缆时，确定几个原则：主缆的 长度按设计计算的长度下料、主缆最终的位置要达 移。此时索夹的抗滑移系数为３．５，满足要求。 ４．２钢锚箱设计 主缆及边跨斜拉索均锚固在索塔上段，由于桥 塔采用变截面拱形结构，拉索与桥塔偏心夹角 １５．８。，可供设置锚箱空间范围有限，而锚箱所要承 担的锚固力非常大（分缆的最大锚固力达到８ ７６０ ｋＮ），锚箱的长度仅７００ ｍｍ。为解决缆索在小空间 内实现较大集中力的锚固，经过数值分析和研究，最 终确定的锚箱的结构见图５。为使钢锚箱各板材的 应力与变形均符合规范要求，同时对锚箱结构进行 足尺超载试验ｌＩ２］。试验结果表明，在弹性阶段计算 值与试验值基本接近，在钢材初始屈服阶段钢锚箱 可承受２．８倍的设计索力，钢锚箱的极限承载力可 达到５．９倍的设计索力，其安全系数满足要求。 拱塔中间纵隔板Ｎ５ 拱塔中间纵隔板Ｎ６ 图５索塔锚箱 ５关键部位施工 ５．１拱形钢索塔的安装 拱形索塔采用拱塔现场拼装、竖向转体（图６） 的方法施工，避免了搭设高达４０ ｍ的支架，解决了 钢箱空间吊装、仰卧斜向就位的精度问题。拱形索 塔竖转采用扳起法施工方案Ｌ３］。竖转体系主要由竖 转立柱、乎联、同步竖转张拉千斤顶、索塔竖转铰轴、 竖转索等组成。索塔竖转采用８台２００ ｔ千斤顶， 布置在主跨与辅助跨的桥墩处，竖转索采用８束钢 绞线与竖转体系相连。索塔按分级加载原理进行竖 转施工，竖转就位后与预埋段进行焊接。 ５．２主缆的安装定位 大桥的缆索体系是一个空间线形，为使主缆承 到设计提供的标高和坐标，散索套的定位按设计要 求实施。索塔在施工期问引起的塔顶移位在设计允 许的范围内 ］。 主缆在每根吊杆处的空间坐标及对主缆的加 载，全部由张拉吊杆进行调整。主缆受力后引起的 索塔偏移由张拉边跨的斜拉索进行纠偏。当挂上主 缆后，通过吊杆张拉对主缆进行加载与调位。每边 吊杆分为３组，每组同时张拉４根吊杆，１次张拉到 位。首先张拉中间１组，同时用８个千斤顶进行施 工，按设计提供的张拉力进行分级加载，现场监控测 定主缆坐标和索塔位移。当塔顶偏位达８ ｍｍ时张 拉边跨斜拉索对索塔进行纠偏。根据现场数据，重 新计算并确定第２批吊杆张拉力。如此反复进行， 直到主缆架设定位完成。 ６ 结 语 龙城大桥于２００５年５月开工，２００７年ｌ２月建 成通车。该桥采用三跨拱形悬索斜拉组合结构，由 于其结构的特殊性，设计了三段式散索装置及新型 钢锚箱，解决了缆索锚固的难题。拱形钢索塔采用 现场拼装、竖向转体的施工，竖向转体采用扳起法施 工。通过吊杆张拉对主缆进行加载与调位，解决了 空间主缆的安装定位问题。该桥的设计与施工可为 今后类似桥梁的建设提供参考。 参 考 文 献： ［１］ 张哲．混凝土自锚式悬索桥［Ｍ］．北京：人民交通出 版社，２００５． Ｅ２３ 常州市京杭运河和３１２国道南移改建工程建设指挥部 办公室，同济大学．钢拱塔锚箱受力性能试验研究技 术报告［Ｒ］．２００７． Ｅ３３ 常州市京杭运河和３１２国道南移改建工程建设指挥部 办公室，路桥华南工程有限公司，河北巨力集团，等． 龙城大桥主塔竖转及主缆体系工艺研究技术报告 ｒＲ］．２００７．
