超大跨径柱式塔斜拉桥结构创新与应用

超大跨径柱式塔斜拉桥结构创新与应用

王晓阳 翟师冬 姬勇刚

中铁大桥（郑州）缆索有限公司 河南省郑州市 450000

摘要：在超大跨径柱式塔斜拉桥中，结构的创新工作越来越受到重视。将创新技术合理运用于超大跨径斜拉桥设计过程中，有利于提升斜拉桥结构稳定性及力学性能，并有效降低钢材、混凝土等建设材料的用量，实现低碳建设。本文首先分析了大跨度斜拉桥结构创新，其次探讨了工程应用，以供参考。

关键词：斜拉桥；超大跨径桥梁；分肢柱式塔；同向回转拉索

引言

超大跨径曲线形斜拉桥结构复杂，曲线主梁要同时承受弯矩、剪力和扭矩的复合作用，弯扭耦合作用效应明显，其缆索设计计算分析困难，施工阶段的内力平衡控制难度较大，斜拉桥塔的结构刚度对曲线形斜拉桥的受力性能影响巨大。

1大跨度斜拉桥结构创新

1.1分肢菱形柱式塔、四索面分体弧底钢箱梁新结构

针对传统柱式塔横向弱、稳定差、占桥面的问题，开展了桥塔整体抗撞、抗震研究，提出塔柱压弯强度计算修正模型，并提出分肢菱形柱式塔。该桥塔联合新型拉索及阻尼器，抗撞、抗震、稳定性均良好，同时预留出中部拓展通道。针对传统柱式塔存在分体梁横向宽度大、梁较高，用材较整体梁多出20％以上的问题，设计研制了四索面分体弧底钢箱梁，并提出了索力等位移设计方法，不仅将箱梁的高宽比参数优化为1∶20～1∶30，而且同时控制了梁体的颤振和涡振。四索面拉索更适应分体宽梁的特点，钢主梁变薄，外横梁减少，用材减少超过10％。

1.2承载索设计

主承载索为缆索吊装系统最核心的受力结构。钢丝绳选型时，选用了抗拉强度高、支撑表面积大、耐磨性能优、表面平滑的密封钢丝绳。主承载索两端的锚固均设置半圆形钢筋混凝土锚梁，将主索绕过锚固梁折回，安装专用蝴蝶型锁夹固定。工作索道系统主要作为辅助吊运，承载索选用一般用途钢丝绳，全桥共计4根，单根长度1800ｍ，与主索道系统共用地锚。承载索绕过锚固梁后，安装骑马式绳卡，单端绳卡数量不得少于11个。承载索安装时，采用专用发线器放线，牵引绳牵引过江，绕过锚固横梁后，采用滑车组进行调索。安装时，以空索垂度进行控制。系统安装完成及每次横移索鞍后，均需对主承载索的线形进行调整，保证承载索均匀受力。

1.3索塔创新设计

国内外超大跨径斜拉桥结构设计中，V形索塔结构被频繁提及，但目前为止有关该类型索塔设计的可参考经验还非常有限。相较于其他索塔结构，V形索塔具备如下优势。（1）降低索塔标高。例如，当斜拉桥跨径达到2000m时，若将拉索倾斜度设计为0.42∶1，常规竖直索塔的标高将达到420.000m，该高度除带来更大的钢材、混凝土等材料需求外，还会给现场施工带来巨大挑战。但使用V形索塔时，处于倾斜状态的塔身高度可较垂直塔身缩小90~100m，大幅降低施工难度及建设成本。（2）降低拉索长度。塔身倾斜后，水平拉索的长度要小于竖直状态下，有效控制特长拉索垂直度并提高拉索的弹性模量。同时，拉索长度的降低直接表现为拉索使用钢丝总量的降低，节能优势突出。（3）降低主梁轴向压力。该影响产生的原理是，当索塔塔身处于倾斜状态时，拉索的水平倾角明显更大，甚至在靠近索塔位置的部分拉索，其水平倾角可达到负值，与跨径中部拉索呈反方向布置，对主梁形成相应的拉力，用以抵消主梁所承受的轴向压力。当主梁本身所受轴向压力降低，对主梁钢板厚度等参数设计将有更大的灵活空间，为节能降耗带来更多可能。（4）V形索塔能提高斜拉桥主梁的风稳定性及塔肢结构的稳定性，使桥梁设计方案更易达到大跨径斜拉桥的质量要求及技术要求，间接降低建设成本。

2工程应用

2.1断索、换索状况下的拉索体系受力性能

断索、换索状况下，观察主跨塔顶内侧拉索的受力性能。对于设置回转式鞍座的桥塔，断索、换索主要减小鞍座下混凝土压应力，并缓解拉应力，锚索处最大主拉应力进一步降低至1.5ＭＰａ，对向锚索处应力基本没变。对于设置钢锚梁的桥塔，当牛腿与钢锚梁之间连接尚未破坏时，不平衡索力由两侧塔壁共同承担，拉应力增大。塔壁外侧最大拉应力达2.2ＭＰａ，大部分区域拉应力为2ＭＰａ左右。考虑瞬时冲击，塔壁可能开裂。而当牛腿与钢锚梁之间连接产生破坏时，不平衡索力由一侧塔壁单独承担，拉应力增大更为显著。塔壁外侧最大拉应力达3.5ＭＰａ，大部分区域拉应力均达2ＭＰａ以上。拉应力已超过混凝土抗拉强度。

2.2超大跨径斜拉桥拉索结构设计

拉索结构设计为同向回转拉索锚固的形式，在桥塔上设置斜向鞍座，用以拉索锚固，拉索经鞍座后调转方向，从同侧穿出，再固定于主梁截面上。该结构的优势在于可有效降低索塔拉应力，将部分拉力转化为压力，提升索塔锚固点的稳固性及耐久性，降低桥梁后期运维管理需求，间接控制超大跨径斜拉桥全生命周期消耗成本。同时，同向回转拉索锚固方式还能利用混凝土结构本身的抗压能力，减少钢材及混凝土材料的使用量，有利于项目成本控制。

2.3偏心活荷载工况

对活荷载内侧和外侧布置的2个受力工况进行结构计算，其目的是研究曲线形斜拉桥结构的弯扭耦合作用效应，将主梁外侧位移减去内侧位移，可得到曲线主梁内外侧竖向相对位移。采用单叶双曲面状桥塔塔身、碗状薄壁壳体裙房和圆环形观光平台板三者构成曲线形斜拉桥的组合桥塔结构体系，组合桥塔结构具有良好的结构空间刚度，观光塔楼式刚性桥塔结构有效降低弯扭耦合作用效应，同时减小偏心活荷载作用下的桥面扭转角度。

2.4降索塔创新设计

相较于其他索塔结构，V形索塔具备如下优势。（1）降低索塔标高。例如，当斜拉桥跨径达到2000m时，若将拉索倾斜度设计为0.42∶1，常规竖直索塔的标高将达到420.000m，该高度除带来更大的钢材、混凝土等材料需求外，还会给现场施工带来巨大挑战。但使用V形索塔时，处于倾斜状态的塔身高度可较垂直塔身缩小90~100m，大幅降低施工难度及建设成本。（2）降低拉索长度。塔身倾斜后，水平拉索的长度要小于竖直状态下，有效控制特长拉索垂直度并提高拉索的弹性模量。同时，拉索长度的降低直接表现为拉索使用钢丝总量的降低，节能优势突出。（3）降低主梁轴向压力。该影响产生的原理是，当索塔塔身处于倾斜状态时，拉索的水平倾角明显更大，甚至在靠近索塔位置的部分拉索，其水平倾角可达到负值，与跨径中部拉索呈反方向布置，对主梁形成相应的拉力，用以抵消主梁所承受的轴向压力。当主梁本身所受轴向压力降低，对主梁钢板厚度等参数设计将有更大的灵活空间，为节能降耗带来更多可能。（4）V形索塔能提高斜拉桥主梁的风稳定性及塔肢结构的稳定性，使桥梁设计方案更易达到大跨径斜拉桥的质量要求及技术要求，间接降低建设成本。

结语

综上所述，基于低碳建设背景的超大跨径斜拉桥中创新设计的应用主要针对主梁、索塔、拉索等结构的优化进行。随着斜拉桥建设难度的上升，地锚体系、V形索塔等设计也将被应用于桥梁建设过程中，在提高斜拉桥整体稳定性及可靠性、优化技术指标的同时，有效降低钢材、混凝土等材料需求，实现功能性及经济性的同时提升。

参考文献

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[2]李盛，刘斌.实用精细化模型在大跨径斜拉桥设计中的应用[J].城市道桥与防洪，2019（5）：101–105，15.

[3]张志田，吴涛，方志.基于高性能材料的大跨径斜拉桥抗风性能分析[J].湖南大学学报（自然科学版），2018，45（5）：11–18.