某景观折线斜塔斜拉桥结构设计要点分析
张景尧1 徐艳玲2 王鑫2 刘慕清2
（1. 曹妃甸工业区基础投资有限公司；2. 北京市市政工程设计研究总院）
摘要：温榆河大桥采用“混合梁折线斜塔斜拉桥”这一独特的结构型式，跨径组合为100m+50m。本文充分分析结构行为特征，对结构体系和主要受力构件进行详尽的设计处理，以实现结构受力与景观要求的有效统一，为今后同类桥梁的设计、施工提供了宝贵经验。
关键词：景观桥梁 桥梁美学 混合梁 斜塔斜拉桥
Analysis on Design Characteristics of
Cable-stayed Bridge with Kinked and inclined Pylon
Zhang Jingyao, Xu Yanling, Wang Xin, Liu Muqing
(Tangshan Caofeidian Development Investment Group CO.LTD，063200; Beijing General
Municipal Engineering Design & Research Institute，Beijing 100045;)
Abstract: Wenyuhe Bridge is a new kind of cable-stayed bridge, with a kinked single pylon and
a hybrid Girder, which span-length is arrangement of (100+50) m. In this paper, detailed study is made on the structural behavior characteristics and an overall design have been put out for structural system and main bearing members, in order to achieve the harmony and unity of the structural and landscape requirements, that can also provide valuable references for design and construction of similar bridges.
Key words: Landscape Bridge, Bridge Aesthetics, Hybrid Girder, Inclined Pylon Cable-stayed
Bridge
1.前言
温榆河大桥采用“混合梁折线斜塔斜拉桥”这一独特的结构型式，其跨径组合为100m+50m。桥塔采用折线形式，其主塔断面尺寸与下塔柱倾角协调，且与景观设计相近；主梁采用创新型混合梁，主跨79m采用钢主梁，为双边箱形式；其余主梁采用混凝土主梁，为单箱多室结构；混凝土主梁与钢主梁间设置2m结合段，实现材料、结构刚度及结构受力的平顺过渡。设置于边跨的不规则拱形飞燕拱肋不仅满足景观的要求，还可给端横梁提供较大配重，在实现主、边跨受力平衡的同时，有效改善了混凝土侧端横梁的受力。温榆河大桥
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的设计具有较大的创新和突破，达到同类技术的国内领先水平，为今后同类桥梁的设计、施工提供了宝贵经验。
2.工程概况
温榆河大桥桥位处地震加速度为0.2g，III类场地；场地桩基主要持力层为细、中砂。桥梁标准段全宽41m，根据规划及现况河道断面形态，并结合桥址周边景观环境定位的需求，该桥设计为塔高75m的独塔有背索双索面斜拉桥，跨径布置为100m+50m。结构为墩、塔、梁固结体系，受力明确、构造简单。为满足景观及受力要求，主塔向边跨侧倾斜约77°。主梁设计为钢－砼组合梁纵向受力体系，有利于平衡主、边跨跨径相差较大对整体结构受力带来的不利影响。主跨侧设置8对拉索，梁上拉索间距为9.0m，边跨侧设置2对背索，均锚固于端横梁处。
图1 桥梁整体布置图（单位：cm）
3. 桥梁结构设计要点
本桥结构设计在充分尊重并实现景观创意的同时，进行多方案、多种结构形式的论证及比选，实现了力与美的和谐统一。大桥设计过程中，主要进行了结构体系、主塔倾角、主梁形式、飞燕拱肋布置等项目的细节设计及计算验证。
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3.1 结构体系的选择
斜拉桥上部构造的各种荷载是通过支承体系直接传递到下部结构，支承体系的布置对斜拉桥的结构性能影响很大，必须在全桥总体布置及构造设计之前予以充分考虑。
对于斜拉桥的基本体系按力学性能划分有漂浮体系、支承体系（半漂浮体系）、塔梁固结体系以及刚构体系四种，先将这四种支承体系的优缺点及适用条件比较如下：
表1 结构体系比较
简图 受力模式 体系优点 体系缺点 本桥适用分析 需要设置较大的止推装置；无索区较长且无索区桥面过宽，结构不能成立。 塔柱两侧拉索水平力不平衡，需在主梁与塔柱横梁间设置止推装置 墩塔固结、塔梁分离，墩梁固结、塔梁塔梁固结并支承在墩上。 飘浮体系 支承体系 塔、梁固结体系 刚构体系 主梁除两端有支承外，分离。采用这种体其余全部用拉索悬吊，系时，主梁为具有是具有多点弹性支承的单跨梁。 主梁无明显弯矩峰值；温度及收缩徐变内力较小；抗震性能较佳。 施工时需临时固结，抵抗不平衡弯矩和纵向剪力。 多点弹性支承的两跨连续梁。 主梁为具有多点弹性支撑的连续墩、塔、梁固结 可有效降低塔墩弯矩；减少主梁中间段形成跨度内具有多点弹性支撑的刚构，结构的整体刚度好，主梁挠度小。 主梁固结处负弯矩大，较适合与独塔斜拉桥 梁，较经济、美观。 的轴向拉力。 塔柱处主梁负弯矩峰值较大，温度、收缩、徐变内力较大。 连续梁支座至少有一个纵向固定；两侧不平衡索力造成桥塔弯矩过大。 主塔处支座墩位巨大，支座的设计、施工、维护及后期更换难度太大，因此不宜采用。 免除了大型支座，又可满足悬臂施工的稳定要求，适用本桥。 通过上述比较，鉴于本项目对桥梁景观有特殊要求，综合考虑多方面因素，确定本桥采用整体刚度较好的并能克服本桥型两侧索力不平衡问题的墩、塔、梁固结体系——刚构体系。
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3.2 主塔结构设计
主塔为该桥梁结构的主要承重构件，全桥结构恒载及活载通过斜拉索传递给主塔，然后经由主塔传递至下部基础。本桥主塔线形及断面形式的确定原则是：
①主塔的整体线性及断面尺寸应与景观设计提供的效果图相近；
②本桥主、边跨跨径差距较大，在折线形的桥塔折点处会出现弯矩峰值。在主梁形式确定后，为保证主跨主梁的受力情况，主跨侧拉索索力基本确定，塔柱受力虽然可以通过调整边跨侧拉索索力进行调整，但考虑本桥背索设计为梁端锚固，背索所里可调幅度有限，因此在设计时应保证在塔柱折点处截面具有一定的抵抗强度；
③上塔柱截面设计应满足结构受力的要求，同事应满足斜拉索锚固的构造要求。
图2 主塔线型及断面示意图
综合上述因素，确定主塔采用矩形薄壁空心截面，下塔柱根部截面尺寸为8m×4m，线形渐变至主塔汇合处，尺寸为3.5m×3.0m，壁厚1.0m，上塔柱尺寸由3.5m×6.0m渐变至塔顶7.5m×6.0m，壁厚1.2m。
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主塔的线形直接影响结构内力的分配及大小，选择合理的线形，使结构在恒载作用下拉索索力在塔柱与主梁相交处产生的弯矩与主塔倾斜在这一点产生的弯矩相等，这时主塔只承受轴力，而无弯矩及剪力作用，应力均匀，能充分利用材料强度。由此可得本桥主塔的合理倾角β≈80°，而本桥景观设计塔柱线形为主塔与主梁之间存在约77°的斜交角。考虑到在活载作用下，塔柱受力与恒载作用下方向相反，且塔柱截面较大，自身有较大承载能力，因此主塔倾角仍采用β≈77°。
当斜拉索锚固于箱梁梁体时，主梁局部构造复杂且需要较大的箱梁梁高；当锚固于主梁梁体之外时，梁体局部构造复杂且换索时需搭设临时支架；本次设计，考虑到景观及结构要求，将斜拉索锚固于上塔柱，为满足上塔柱受力要求在锚固区内设置环向预应力加强构造。 3.3 主梁结构设计
本桥主跨主梁跨径100m，边跨主梁跨径50m，主、边跨主梁跨径差距较大，为保证主梁及塔梁固结处的受力平衡，主跨侧拉索索力大于边跨侧拉索索力，而折线型的索塔，在塔柱上、下折点处产生弯矩峰值，由于主、边跨索力差别较大，塔柱折点处的弯矩峰值也相应增加；由于背索设计为梁端锚固形式，避免塔梁结合处弯矩过大及边跨支点出现负反力，背索索力不宜过大。综合考虑，要求主跨主梁的自重应小，边跨主梁的自重应较大，如此方能满足桥塔折点处受力要求及保证边跨支点不会出现负反力。
表2 主跨主梁材料不同时主塔内力比较表
主梁类型 混凝土主梁 钢混叠合梁 钢主梁 双边箱 整体箱梁 主梁自重 22.1kN/m 11.3kN/m 4.4kN/m 5.3 kN/m 2222
图3塔柱受力示意图
塔柱上折点弯矩 290508kN.m 141534kN.m 38781kN.m 59153kN.m 由于桥型为独塔双索面斜拉桥，结构受力对主梁的抗扭刚度要求较低，因此主跨主梁拟采用单箱双室箱形断面，以最大限度的减小主梁自重；边跨主梁拟采用单箱多室断面，以其较大的自重与主跨主梁相适应。受桥梁跨径布置（主、边跨差距大）及索塔形式（折线形索塔）的制约，主跨主梁的自重应小，边跨主梁的自重应较大，如此方能满足桥塔折点处受力
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