６４ 桥梁结构 城市道桥与防洪 ２０１４年１月第１期 圆环塔斜拉桥总体设计 孙书亭 （中国市政工程华北设计研究总院，天津市３０００７４） 摘要：圆环塔斜拉桥是将圆环状桥塔顺桥向放置，增加了桥梁本身的审美效果，但同时也增加了设计与施工的难度。对 圆环塔斜拉桥构造特点、受力特点、动力特性、地震响应等进行了概况与分析，对这种特殊斜拉桥的施工方案也进行了简 要的介绍，有关经验可供相关专业人员参考。 关键词：圆环塔；斜拉桥；混凝土连续梁 中图分类号：Ｕ４４８．２７ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００９—７７１６（２０１４）Ｏ１一ｏｏ６４—０３ ０前言 桥梁最基本的功能是提供交通功能，但随着 人们对桥梁的关注，尤其是城市桥梁，往往要求成 为一个标志性建筑，这样大大增加了桥梁本身的 审美要求。桥梁结构本身要带有建筑美和艺术性， 铁路平行布置，存在两个问题，一是角度过大，设 计处理难度比较大，二是桥墩如果斜布，桥下空间 显得过于凌乱，而且桥墩处在主线与匝道分岔处， 给主线和匝道布置跨径带来很多不便。处理的方 法是桥墩正布，这就需要至少６０ ｍ的跨度才能跨 越铁路。６０～１００ ｍ范围内的跨径可选择的桥型较 多，有钢箱梁、钢一混结合梁、现浇预应力混凝土 连续梁等。进行方案设计时，建设单位对桥梁的景 观效果表现有很高的要求，综合经济、技术、美观 等因素，初步选定了斜拉桥的方案。根据主线的中 央分隔带较宽的特点（分隔带净宽１２ ｍ），圆 环塔布置在分隔带处，拉索布置在塔身两侧 及塔身前端，共四面拉索。方案设计初期采用全飘 浮体系，桥面为钢箱梁，经过计算分析与经济分 析，此方案造价非常高，经过多方案比较，最后采 用主梁为三跨预应力混凝土连续梁与斜拉索组合 的方案。主桥桥位见图１。 给人以美感，具有艺术性、美感的桥梁成为经典建 筑的例子比比皆是。通行功能和审美这两者在进 行桥梁建设时具有同等重要的地位，而有时后者 决定了桥梁的建设。斜拉桥因其桥塔变化的多样 性，在城市桥梁工程中被设计者和建设者广泛采 用。但由于城市受地理位置，斜拉桥跨径多不 大，这就为桥塔的多样性变化提供了有利的条件， 桥塔在保证具有足够的承载能力同时，能做出新 颖具有美感的造型。圆环状造型桥塔的斜拉桥就 是这方面的一个探索。 １工程概况 桥梁工程位于某城市立交桥主线上，跨越一 条地方铁路和一条城市主干路，桥梁处在城市新 建的城区内，周边规划高层建筑较少，建筑退线较 大。立交桥是一座半苜蓿叶组合式互通立交桥，引 桥与匝道结构采用的是现浇预应力混凝土连续箱 梁桥，下部结构采用柱式墩桩基础。主线桥梁为双 幅桥，分隔带宽１３ ｍ，桥面净宽２０ ｍ，桥梁全 宽５４ ｍ。 ２桥梁方案设计 桥梁方案是在立交桥的形式确定后进行设计 的４５图１主桥桥位图 ：。的交角，嚣 主线的横断面全宽为 ｍ５４ 嘉，如桥墩与 一一一 ３工程设计 主梁为Ｃ６０三跨预应力混凝土连续梁，桥塔 收稿日期：２０１３—０９—２３ 作者简介：孙书亭（１９７１一），男，吉林省吉林市人，高级工程 师，从事道路桥梁设计研究工作。 采用Ｑ３４５ｑ钢箱结构（见图２）。桥梁横断面布置 ２０１４年１月第１期 城市道桥与防洪 桥梁结构 ６５ 为：０．５ ｍ（防撞护栏）＋２０ ｍ（车行道）＋Ｏ．５ ｍ（防撞 护栏）＋１２ ｍ（中分带）＋０．５ ｍ（防撞护栏）＋２０ ｍ（车 行道）＋０．５ｍ（防撞护栏），全宽５４ ｍ，在主梁两侧各 左右。为减小钢塔的自重，根据受力分析结果，桥 塔截面钢板厚度从根部到顶端按３５ ｍｍ、３０ ｍｍ、 ２５ ｍｍ、２０ ｍｍ进行变化，共分为六个部分进行。 拉索按稀索的方式布置，间距为１０ ｍ。在桥塔 上采用吊耳式的连接方式，箱梁上采用在箱梁外 侧加锚固横梁，并在锚固横梁上预埋张拉锚具的 方式进行锚固，锚固横梁宽出箱梁悬臂端３．５ ｍ， 全桥共布设３２对拉索。主梁预应力钢束配置了通 长束和顶板束，通长束分两次张拉。下部结构采用 ３．５ ｍ的拉索区，见图３。斜拉桥全长１８０ ｍ，跨径 布置为６２．５ ｍ＋５５ ｍ＋６２．５ ｍ。主梁中支点梁高 ３．５ ｍ，跨中等高段及边跨支点处梁高２．５ ｍ，变化 段长度为１５ ｍ，变化规律为圆曲线。箱梁为单箱四 室，分双幅桥面。箱梁腹板厚度在支点与跨中分别 为７０ ｅｍ、５０ ｅｍ。顶板厚度全桥为等厚２８ ｃｍ，底 板主梁变高段为５０ ｅｍ厚，主梁等高段为２０ ｅｍ 厚。箱梁标准横断面见图４。 图２立面图（单位：ｃｍ） 下 图３横断面图（单位：ｃｍ） 图４箱梁标准横断面图（单位：ｅｍ Ｊ 桥塔采用矩形钢箱，为了增加稳定性，在圆环 下半部分桥塔一分为二，向外倾斜支撑在桥塔基 座上。在下半圆采用装饰钢板围成一个整圆，这样使 整个桥塔看起来就象一个冉冉升起旭日，桥梁的 整体效果就表现出来了。桥塔截面高６ ｍ，宽５ ｍ， 支腿部分宽３ ｍ，直径为８３ ｍ，顶端距地面１００ ｍ 的是柱式墩，墩柱为矩形截面，尺寸为１．８ ｍ×．８ ｍ， 做１５ ｃｍ×１５ ｅｍ的抹角，群桩基础。 ４受力分析 采用有限元分析软件对桥梁的上部结构、下 部结构进行了施工状态、运营状态下各种工况及地 震荷载作用下的分析，也对全桥进行了动力特性 和稳定性的分析。分析结果表明桥塔在持久状况 标准组合作用下主塔正应力介于１４０—一１８７ ＭＰａ 之间；长期荷载效应组合下，主梁上下缘均未出现 拉应力；短期效应组合下，主梁上缘最大拉应力为 ０．０６ ＭＰａ（压），下缘最大拉应力为１．５７ ＭＰａ（压）， 主梁最大主拉应力为０．８９ ＭＰａ；标准组合下主梁 上缘最大正应力为１７．１ ＭＰａ，主梁下缘最大正应 力为１２．３ ＭＰａ，主梁最大主压应力为１７．１ ＭＰａ；在 车道荷载作用下主梁最大挠度为１．７ ｃｍ，小于 ￣５００＝６２．５／５００＝０．１２５ ｍ；拉索在标准荷载作用下各 根斜拉索最大拉应力小于６２０ ＭＰａ，安全系数大于 ２．５。桥塔、主梁、拉索各项强度、变形指标均满足规 范要求。在桥塔荷载效应中，塔身自重占了很大一 部分，而活载的比重非常小。通过杆系的分析，桥 梁最利受力区在桥塔分岔区，此处最不利荷载下 杆系下最大应力为１８７ ＭＰａ，因此在构造上进行了 加强，设置了一些格式的加劲板。 地震荷载作用下进行了反应谱分析和非线性 时程分析，采用全桥建模的形式，承台采用板单元 模拟，桩土作用采用“ｍ”法进行模拟，上部结构采 用杆系单元模拟，根据桥址处的地质特征选取了 三条实录波，经过时域调整后输入到模型中。桥梁 位于六度区，因此采用六度区的反应谱和时程波。 模型分析了在Ｅ。地震荷作用下钢塔的应力、桥墩 的内力和Ｅ 地震荷载作用下支座、桥墩等地震时 程响应。在六度地震荷载作用下，桥塔最大应力为 ９８ ＭＰａ，桥墩底部塑性铰转角为０．０００ ２７９ ｒａｄ，墩 顶最大位移为２．６１ｅｍ，均在容许值范围内。对Ｅ 地震作用下的震后墩柱状态进行了定量分析，采 用５０ ｓ的时程波，求得了墩柱的塑性铰残余变形， ６６ 桥梁结构 城市道桥与防洪 ２０１４年１月第１期 其变形值极小仅为１ ｍｍ左右，说明其在六度罕遇 地震作用下结构几乎不经修复就可使用【３ｌ。特性值 分析结果表明桥梁结构的振动以塔的横向和纵向 振动为主，横向振动出现在了第一阶，说明塔的稳 定主要表现在塔的横向面外稳定。在运营过程中 够快速的对接固定，在接头处设置连接锁定装置。 将汽车荷载、风荷载、自重等荷载设置为变量，计 算得到的结构一阶屈曲稳定系数为７２，从结果来 经过施工实践证明，这种缆索吊系统具有很好的 施工稳定性，尤其在进行塔顶段焊接时，塔块能很 快的准确定位，配合接头的临时锚固措施，很大程 度弥补了塔段数量多造成工期长的不足，而且此 方案有效的保证了塔身接头的质量，见图６。 看其稳定性具有足够大的安全度，这和结构特点 有关，一方面拉索对称锚固于塔身上，两侧的向外 倾斜的拉索提供了很大的“保向力”，另一方面桥 塔下部的分开的两个支腿增大了桥塔的支撑面， 也增加了其横向稳定性。 ５施工方案 本工程施工中的难点在于桥塔的现场拼装焊 接。对几种施工方案进行了比较，首选方案是常用 图６施工现场图 的满堂支架法施工，经过估算此法不经济支架用 量大且不好操作，塔身比较高实现比较困，另外施 工期相对较长。另一方案是采用特种吊车进行吊 装，特种吊车国内较少，且运输安装比较麻烦，费 用也比较高。经过多方案比较，采用缆索吊系统进 行桥塔的拼装焊接。此方案的优点是主梁可以先 进行浇筑或者桥塔与主梁二者同时施工，大大缩 短了施工的工期。施工方案是根据现场平面实际 情况的进行布置，跨径布置为２５５＋１２０＋２５５ Ｉｎ，两 侧采用混凝土锚锭锚固主拉索，立面布置见图５。 跑车 ５结语 城市桥梁的景观要求在城市桥梁建设中所占 的比重越来越重，本文介绍了圆环塔斜拉桥这一 特殊结构桥梁的结构上的构造特点、结构动力特 性及施工方案的特点。通过计算分析，圆环塔由于 其形状的特殊性，其承载能力有相当大一部分是 承受自重，活载占有比重相当小，如果减小塔本身 的自重，其承载能力会有很大的提高，可以采用钢 箱与桁架结合的形式或完全由桁架构成塔身。本 工程是一个略偏重桥梁景观效果的工程案例，在 实际工程中，如何将桥梁结构的合理性与桥梁建 筑艺术性、经济性完美的融合是我们广大桥梁工 程建设者追求的目标。 参考文献 图５缆索吊立面布置图（单位：ｍｍ） 桥塔圆环内设置钢管内支撑，并设置三对对拉 ［１］ＪＴＧ Ｄ６３－２００７，公路桥涵地基与基础设计规范［ｓ】．２００７． ［２］ＪＴＧ Ｄ６２－－２００４，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范『ｓ］． ２００４． 索，以稳定上半圆的塔身，桥塔共分为５０块，每部 分重５０ ２００ ｔ，塔身吊装吊耳根据各块位置，计算 吊耳的安装方向，以方便施工时对接塔段接头，能 （上接第５８页） 【５］余加勇，朱建军，邹峥嵘，等．大跨径桥梁挠度测量新方法研究［ＪＪ＿ 湖南大学学报（自然科学版），２００７，３４（１０）：３１—３４． ［３］孙书亭．圆环塔斜拉桥抗震性能分析ｆＪ］．城市道桥与防洪，２０１３（５）： ７１－７３ 及其精度分析ｆＪ］．武汉理工大学学报（交通科学与工程版）， ２００８，３２（６）：１ １ ５３一ｌ１ ５６． ［６］王京卫，郭秋英，杨风雷．基于免棱镜全站仪的古建筑文物测绘 ［１ １］朱顺平，薛英．无反射棱镜全站仪及其测试［ＪＪ＿测绘通报，２００１（３）： ４１—４３． 方法［Ｊ］．山东建筑大学学报，２０１１，２６（２）：１７８—１８１． 【７】夏立福，李井春，胡友建，等．免棱镜全站仪测距性能的测试及精 度分析Ⅲ．地理空间信息，２００８，６（２）：１３３—１３５． 【８］曾京，王源，刘建永．免棱镜全站仪测量拱顶下沉的方法与分析阴． 理工大学学报（自然科学版），２００９，１Ｏ（２）：１７９—１８２． 【ｌ２】陈顺超，黄平明，孙胜江．免棱镜全站仪测量拱圈线形及其精度 分析Ⅲ．工程勘察，２０１１（７）：６６—６９． 【１３］田林亚，王进锋，武东辉．全站仪三维坐标法在桥梁施工测量中 的应用【ＪＪ＿｛贝０绘科学，２０１０，３５（３）：１９８—１９９． 【９］覃辉，伍鑫．土木工程测量［Ｍ】．上海：同济大学出版社，２００８， ３ｌ０－３１１． ［１４］路鑫，谷川扃层建筑倾斜检测方法研究 ．铁道勘察，２００８（６）：１８—２０． ［１５］曹雪娟，阳凡林，张龙平，等．不同区域范围的二维坐标系转换方 法ｌ Ｊ１．工程勘察，２０１２（１２）：５８—６３． ［１０］余加勇，邵旭东，朱建军，等．柱状构筑物垂直度非接触检测方法
