自锚式预应力混凝土悬索桥的设计构思
2018-03-26
1引言
自锚式悬索桥不需要修建大体积锚碇，特别适用于地质条件较差地区；同时由于主梁采用混凝土材料，可以克服钢结构悬索桥用钢量大、建造和后期维护费用高等缺点，故能取得良好的经济和社会效益。现代桥梁设计除了满足自身结构要求外，越来越注重景观设计，自锚式混凝土悬索桥具有其特有的结构曲线，外观优雅美观。在一定跨度范围内，此种桥型的适用性、经济性、美观性达到了完美的统一。
本文结合工程实例，对一座三跨自锚式预应力混凝土悬索桥的设计进行了研究，并着重阐述了主梁、主塔、主缆及吊杆等主要受力构件的设计构思，对同类桥梁的设计选型具有较大的参考价值。
2工程概况
本工程为城市内跨河桥梁，河道宽约120m，由于其位于城市繁华地段，故对桥梁的景观性要求较高。桥位处地质条件较差，地下土多为淤泥及粘性土。经过经济性、景观性比选后，最终选定采用三跨双塔双索面自锚式混凝土悬索桥方案。桥梁全长130m，跨径布置为30+70+30m；桥梁全宽30m，横向布置为2.5m人行道+2m吊杆区+21m车行道+2m吊杆区+2.5m人行道。桥梁总体布置如图1所示。
3 设计构思
3.1矢跨比
主缆矢跨比直接影响悬索桥结构受力，是悬索桥设计中的一个重要指标。悬索桥常采用的矢跨比为1/8~1/12，矢跨比越大，则索的拉力越小，主缆及锚固点部分工程造价会大大降低，但塔高会大大增加，相应地桥塔部分工程造价会增大，反之亦然。对于中小跨径悬索桥，矢跨比对桥梁结构受力影响并不是很明显，故在设计中常采用较大的矢跨比以期达到较好的美学效果。在对桥梁进行安全性、经济性及美观性等多方面比较后，最终确定桥梁采用的矢跨比为1/5。
3.2 主梁
钢结构主梁具有自重轻、刚度大、收缩、徐变变形小及施工方便等优点，大跨度悬索桥主梁较多采用钢结构。早期悬索桥主梁一般为钢桁梁，和钢桁梁相比钢箱梁具有稳定性好、抗扭刚度大等优点，所以钢箱梁在现代悬索桥设计中应用越来越广泛。但钢结构主梁都不可避免地有用钢量大、建造和后期维护费用高等缺点，故应用起来常有很大的局限性。混凝土主梁能明显克服上述缺点，在满足结构受力的前提下经济耐用，故其在中小跨径悬索桥设计中被广泛采用。
经过多种指标比选，最终确定本桥主梁采用预应力混凝土现浇箱梁，梁高2.0m，为满足主缆锚固要求，在梁端位置主梁局部加高到3.0m。主梁全宽30m，横桥向共设置了6道腹板，以保证主缆水平力的有效传递。顺桥向每隔4m设置一道横隔板，并配置横向预应力，来传递吊杆拉力。主梁配置15-12纵向通长预应力束及15-7墩顶短预应力束，以满足抗裂计算要求。
3.3 主塔
本桥采用塔墩固结体系，主塔采用框架结构形式，桥面以上塔高25m，塔顶设置横梁。由于塔高及桥塔受力均较小，所以桥塔及横梁均采用实心混凝土结构。桥塔顶部采用花瓶形造型，横梁采用变截面形式，以增加桥梁的观赏性。
3.4 主缆及吊杆
主缆及吊杆是悬索桥的主要受力构件，也是此类桥梁设计的难点所在。经计算，成桥主缆最大拉力达6200KN，主缆采用直径5mm高强平行钢丝，标准强度1670MPa，单根主缆由7股127根钢丝束组成，主缆直径为170mm。通过设置于塔顶的铸钢索鞍及锚固端的散索夹，来使主缆准确就位。全桥共设置42根竖直吊杆，均采用7-73丝平行钢丝成品索。
3.5 施工流程
1）桥梁基础施工；2）桥梁墩台及主塔施工；3）安装索鞍，架设主缆导向索；4）施工主梁并张拉纵、横向预应力束；5）架设主缆；6）紧缆、调整主缆线形，安装索夹及吊杆等；7）张拉吊杆，拆除主梁支架；8）桥面铺装及附属结构施工；9）按顺序调整吊杆拉力至合理值，成桥。
4 结语
自锚式预应力混凝土悬索桥具有结构合理、线形美观及工程造价低等优点，适合于对景观要求较高的中小跨径桥梁。本文结合工程实例，从矢跨比、主梁、主塔、主缆及吊杆等方面对此类桥梁进行了设计分析，探讨了此类桥梁受力及结构选型的特点，本文可作为同类桥梁设计分析的参考。
参考文献
[1]悬索桥 北京: 人民交通出版社, 2011.
[2]悬索桥手册 北京: 人民交通出版社, 2003.
[3]混凝土自锚式悬索桥 北京: 人民交通出版社, 2005.
[4]周绪红. 武隽. 狄谨. 大跨径自锚式悬索桥受力分析 土木工程学报, 2006年02期.
[5]魏标. 自锚式悬索桥体系的分析比较 同济大学
