小跨径空间多塔斜拉桥结构设计与分析

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1、小跨径空间多塔斜拉桥结构设计与分析杨江国杨冬云张大伟天津城建设计院有限公司摘要新三条石桥是天津市南运河上一座造型优美的新桥，该桥结构形式为小跨径的空间多塔斜拉桥。本文对小跨径空间多塔斜拉桥结构设计的特点、各部位结构设计以及总体计算作了分述，为设计同行在设计该类桥型结构时提供一些参考。关键词空间拉索多塔斜拉桥设计1工程概况新三条石桥是天津市南运河上一座造型优美的新桥，该桥为机非混行桥，设计机动车道为双向6车道，荷载等级为城－A级。该桥全长40m，宽39m，桥梁中心线与南运河河道斜交，斜交角度为20度

2、。现状南运河为天津市二级河道，河道上口宽30m，主要功能为蓄排城市雨水、美化环境、调节气候并维护城市生态，正常通航水位2.0m，通航净空2.2m。该桥造型独特，为小跨径的空间多塔斜拉桥，桥梁主体结构通过斜拉索及六个桥塔共同支承，斜拉体系则由塔前索、塔背索及塔间索共同组成，全桥共计32根拉索。桥面系由钢结构纵横梁与钢筋混凝土桥面板组合而成（图1为新三条石桥效果图、图2为新三条石桥实景图）。图1新三条石桥效果图图2新三条石桥实景图2结构设计新三条石桥桥梁跨径为40m，宽39m，桥梁与河道斜度为20度，

3、为反对称的斜交桥。主梁由纵横钢梁与混凝土桥面板组合而成，斜拉体系由钢塔柱、塔前索、塔背索及塔间索组成。桥塔与纵梁固结，人行道搭设在横梁悬臂上，桥面铺装厚度为5cm中粒式沥青混凝土和4cm细粒式沥青混凝土。桥面横断面布置为3.5m（人行道）＋1m（边塔拉索锚固区）＋3.25m（非机动车道）＋11.25m（机动车道，具体组成为3.75m+3.5m＋3.5m＋0.5m）＋1m（中塔拉索锚固区）＋11.25m（机动车道）＋3.25m（非机动车道）＋1m（边塔拉索锚固区）＋3.5m（人行道）。2.1钢混组合

4、式主梁主梁采用钢－混凝土组合梁构造，钢主梁结构由3根主纵梁、6根次纵梁及9道中横梁、2道端横梁组成纵横梁体系，为了施工制作及现场拼焊的方便，所有钢主梁均采用工字型截面，材质为Q345qD。由于主桥与河道两岸接口道路基本平交，为尽量减少造价、减小梁高度对通航净空的影响，中塔柱对应的钢混组合主纵梁的高跨比为1/30.8，边塔柱对应的钢混组合主纵梁的高跨比为1/37.5，钢混组合式主梁刚度较弱，属于柔性主梁，因此各斜拉索的索力负担比较大。中塔柱对应的钢主纵梁高度为1.1m，宽1.0m；边塔柱对应的钢主纵

5、梁高0.867m，宽1.0m。顶、底翼缘板及腹板厚度均为40mm，斜拉索吊点位置的部位采取贴板的形式进行了局部加强。次纵梁钢梁高度为0.9m,截面宽0.7m。吊杆与纵梁连接处的钢横梁高度为0.8m，其余横梁截面高度为0.6m，截面宽度均为0.5m（下图7为桥面系纵横梁结构图）。图7桥面系纵横梁结构图（尺寸单位：mm）钢筋混凝土桥面板与纵横钢梁结合为一体，板厚0.2m，全宽32m，由于桥梁为单跨结构，结合现场施工条件，为尽量减少混凝土的收缩和徐变，桥面板设置后浇带，采取两步现浇的施工工艺。2.2主塔

6、全桥钢塔柱共计有6根，两主墩位处横向各布置三根，分别位于桥梁设计中心线及两侧的人行道与非机动车道之间，将行车区域划分为2个区域。钢塔柱采用圆形截面形式，直径0.6m，壁厚40mm，塔柱全高为15.024m，塔柱内部间隔2m用环形加劲肋进行柱体的加强。斜拉索上吊点位于桥面以上约12米处，塔柱的顶部锚固有3.5m的PE材料柱状灯具。装饰后塔的总高度为17米，塔柱高且截面刚度较弱，张拉过程中不平衡索力会使塔顶的变形较大，因此成桥后在塔柱中灌注C50微膨胀混凝土，塔柱形成钢管混凝土共同受力模式，以增大塔柱

7、的和刚度，增强稳定性，减小活载下塔柱的变形。2.3空间斜拉索空间斜拉索布置分为塔前索、塔背索、塔间索，每处拉索都由两根拉索组成（如图8所示），拉索前点锚固于纵梁上，后点锚固于基础内。拉索均采用热挤聚乙烯高强平行钢丝束成品索，φ5mm高强镀锌平行钢丝。上端采用叉耳式锚固构造处理，下端采用叉耳内旋式构造。拉索的安全系数取2.5，斜拉索均以双索的形式进行设计，一方面减少单个索体的负荷、减小耳片的结构尺寸，另一方面，也方便日后的索体更换。中塔柱塔前、背索共计8根，边塔柱塔前、背索规共计16根，塔间索共计8

8、根。图8斜拉索立面及断面布置图（尺寸单位：mm）3结构受力分析3.1结构静力分析3.1.1计算模型桥梁总体静力分析采用Midas6.7.1程序（计算模型如图9所示）。根据有限位移理论建立三维有限元模型。主塔及主梁采用三维梁单元，斜拉索采用桁架单元模拟。由于组合梁结构的刚度在组合前后会发生变化，因此按照拟定好的主要施工工况进行计算。组合前一期恒载为主塔、纵横钢梁及混凝土湿重，二期恒载为防撞护栏及地袱、桥面铺装、人行道及护栏。活载按城－A双向六车道布置，人群荷载集度按照《城市桥梁设计荷