桥梁建设94 2015年第45卷第2期(总第231期) .Bridge Construction,Vo1.45,No.2,2015(Totally No231) 文章编号:1003—4722(2015)02—0094—05 万州长江三桥桥塔设计 李 刚 (中铁大桥勘测设计院集团有限公司,湖北武汉430056) 摘 要:万州长江三桥为双塔混合梁斜拉桥,跨径布置为(4 x 57.5+730+4×57.5)m。桥塔 采用具有欧式建筑风格的钻石塔型,既减小了水下基础规模,又与当地建筑相得益彰。桥塔由上、 中、下塔柱和下横梁构成,南塔高248.12 m,北塔高208.2 m,两塔下横梁以上保持一致。由于地 形的,南、北塔下塔柱高度相差悬殊,为充分考虑两塔刚度差的影响,直接在全桥总体模型中进 行桥塔分析。采取3项措施(对下横梁进行分节段浇筑、优化下塔柱与下横梁截面及对下塔柱增设 竖向预应力)有效解决了北塔下塔柱与下横梁形成的横向框架刚度过大的难题。采,rlf横向框架杆 系模型与节段细部实体模型结合的方法,确定了理想的索塔锚固区预应力布置形式。受力分析表 明,桥塔各构件均满足规范要求。 关键词:斜拉桥;桥塔;塔型;横向框架;索塔锚固区;结构设计;关键技术;有限元法 中图分类号:U448.27;U443.38 文献标志码:A Design of Pylons of Third Wanzhou Changj iang River Bridge LI Gang (China Railway Major Bridge Reconnaissance&.Design Group Co.,Ltd.,Wuhan 430056,China) Abstract:The Third Wanzhou Changj iang River Bridge is a double—pylon hybrid girder cable— stayed bridge with span arrangement(4×57.5+730+4×57.5)m.The pylons of the bridge are the diamond—shape pylons featuring the European architecture style.The pylons of such kind not only reduce the scales of their underwater foundations,but also are in good harmony with the ar- chitectural environment nearby the bridge site.The pylons are made up of the upper,middle and lower columns and lower cross beams.The south pylon is 248.12 m high,the north pylon is 2082 .m high and above the lower cross beams,the design of the two pylons is kept identica1Restricted .by the topography at the bridge site,the height difference between the lower columns of the south and north pylons is great and the design of the pylons is hence difficult.To thoroughly consider the rigidity difference influences of the two pylons in the design,the pylons were analyzed directly in the global model of the whole bridge.Three measures(e.g.concreting the lower cross beams in segments,optimizing CROSS sections of the lower columns and lower cross beams and adding verti— cal prestressing to the lower columns)were taken and the problem that the rigidity of the trans— verse frame formed by the lower columns and lower cross beam of the north pylon was too great was effectively resolved.Besides,the ideal prestressing layout in the anchorage zones in the pylons was determined,using the method combining the link model of the transverse frames and the solid model of the segment details.The analysis of the force conditions of the pylons proved that the va— rious components of the pylons could satisfy the relevant requirements in the codes. Key words:cable—stayed bridge;pylon;pylon shape;transverse frame;anchorage zone in PY— lon;struetural design;key technique;finite element method 收稿日期:2014—10—23 作者简介:李刚,工程师,E-mail:freeskylg@126.corn。研究方向:大跨度桥梁混凝土结构设计。 万州长江 桥桥塔没汁 李 刚 l 工程概况 730+4×57.5)m。主跨采用双索面布置.主 钢箱梁结构;边跨采用巾央索面布置.主梁为混 变宽箱梁结构;钢一混结合段位丁桥塔巾心线 万州长江i桥位于重庆市万州J)(丰城 巾心地 带,是一J坐公路兼城市道路功能的桥梁。大桥建设 条件复杂、设计难度大,跨江主桥为主跨730 m的双 塔混合梁斜拉桥(冈1) ,跨径布置为(4×57.5+ 跨2 m位置。南于受地形影响,南塔位丁深 而北塔位于IIJ坡上,导致南、北桥塔塔高相差较 l!:量I立 互}.盟=旦} ——————————————————————三型)_—————一 , 『‘—一点!:曼l !:旦I至!:曼I至!:曼】 I (北f ) I- 『钉新 (『幸『 , 十 哪\\~、 图l 万州长江三桥总体布置 , ,I _ ]I门 Fig.1 Overall Arrangement of Third Wanzhou Chanffjiang River Bridge 2主要技术标准 (1)道路等级:一级公路,兼城市桥梁交通功能。 (2)设汁‘ 道:双向6乍道。 (3)设计汽车荷载:公路一I级。 (4)设计 行车速度:主线桥为60 km/h。 (5)通航标准:I(2)级航道.通航净高不小于 24 m,单孔双向通航净宽小小于465 m。 (6)船撞力标准:桥塔按5 000 t船舶计算,设 计船撞力为32 MN。 (7)抗震设防标准:按地震基本烈度7度设防。 图2桥塔造型方案 3桥塔结构设计 Fig.2 Schemes of Pylon Configuration 对斜抻桥Inj ,桥塔是全桥最关键的受力构件 之一 _ ,南丁该桥南桥塔位于深水 ,为尽量减小 _深水基础的规模,最终确定采用钻石型桥塔。确定 塔型后,进行桥塔景观设计,对5种造型方案 (图 2)进行比选,最终选择采H_j欧式建筑风格、蕴含钟楼 为6.3~8 m、纵向为11.6~11.93 m。下塔柱 段高4.2 m,横向靠塔内侧壁厚为2.5 rll,其余 壁厚均为2.0 m;塔柱底渐变段高4.0 rn,塔底 在横向外侧、横向内侧、纵向分别加厚为2.8, 古韵的方案二(两山钟楼为万州标志性建筑之一)。 考虑主桥总体布置的要求,并经过多次受力优 化,最终确定了桥塔结构。桥塔由上、中、下塔柱和 下横梁构成,南塔高248.12 m。北塔高208.2 m,两 2.5 m。下塔柱与承台之间没置高3 nl的实 渡段。 南塔下塔柱高53.62 m,外轮廓尺寸横 6.3~1O.3 m、纵向为11.6~l3 m。下塔柱标 塔下横梁以上保持一致。桥塔结构见图3。 3.1下塔柱 高26.82 m,壁厚均采用1.3 m;下塔柱顶加厚 9.3 m,壁厚横向为1.8 m、纵向为2.0 m,柱顶 段与标准段之间的渐变段高5.0 m;塔柱底 两桥塔下塔柱有所不同,北塔下塔柱高l3.7 m,外轮廓尺寸在相同高度处和南塔保持一致,横向 段高8.0 m,塔底壁厚均加厚为2.5 m。塔柱 96 桥梁建设Bridge Construction 立l向 1 290 L・_一 下塔柱截面 l立面 l 290 L塔柞截咖 曼 二 j 下横梁截面 —一 .r 葑 卜横粱截I“l 1 300 — ・a J———・ (a)北塔 (b)南塔 位:cm 图3桥塔结构 Fig.3 Structures uf Pylons 台之问设置高4.5 ITI的实体过渡段。南于南塔位 于深水f)‘=.为增强塔柱防船撞能力,在下塔柱箱形截 面内增设1道横隔板,板厚1.0 m,同时在塔柱之间 增设了弧形连接板,以保证两侧塔柱能共同承受船 撞力。为减小水流冲击,并降低船撞力影响,将塔柱 截面设计为多边形截面,在塔外侧设置2道4.5 ITI× 1.0 IT1的倒角。 3.2 下横梁 3.4 L塔柱 f 塔柱(不含塔冠)高79.5 m,采JE}j等截面。考 虑到索塔锚同区布置预应力的方便,塔柱采用带网 角的矩形截面,外轮廓尺寸横向为4.5 m、纵向为 7.6 m。壁厚横向为0.8 m、纵向为1.4 m。塔顶为 5.2 m高的塔冠景观构造,为体现西山钟楼的建筑 风格,2道上塔柱之间设置了6道连接横梁。连接横 梁采用“H”形等截面,高3.5 m、宽7.0 n1,中 隔板 厚0.8 m,腹板厚1.2 m。 4设计关键技术 …丁造型及受力的考虑,两塔下横梁采用变高 梁。跨【11采用单箱单室构造,梁高5.0 m、宽10.5 ITI.顶、底板壁厚均为0.8 11"1,腹板厚1.2 m。考虑受 力及造型的需要,根部梁高增加为12.0 rn,由于根 部梁高很大,该处采用单箱双室构造。 3.3 巾塔柱 两塔巾塔柱高109.8 ITI,截面形式与下塔柱类 4.1桥塔总体汁算方法选择 南于该桥南、北塔塔高相差很大,直接导致高度 较小的北塔总体刚度远大于南塔。又由于北塔处基 岩裸露,而南塔处有很厚的覆盖层,北塔基础刚度明 似,同样为外侧带倒角的多边形截面,截面外轮廓尺 寸横向为6.3 Ill、纵向为8.2~l1.6 m。中塔柱标 显高于南塔,这进一步加大了两塔的刚度差别。为 充分考虑两塔刚度差的影响,该桥桥塔设计时直接 准段高77.8 in,壁厚横向为1.0 in、纵向为1.2 m; 柱底加厚段高7.0 ITI,壁厚横向为1.6 rll、纵向为 1.8 m,柱底加厚段与标准段之间的渐变段高5.0 在总体模型(采用MIDAS Civil建立的全桥_二维杆 系有限元模型,图4)中进行结构计算与优化 一 , 并将基础刚度计人模型。 4.2北塔下塔柱与下横梁横向框架难点处理 in;柱顶渐变段高6.0 rn,壁厚均加厚为1.8 m;柱顶 渐变段之上为高11.5 ITI的塔柱交汇段,考虑受力、 景观等方面要求,构造较为复杂。 通过在总体模型中进行斜拉索索力的调整及塔 截面的多次优化,桥塔大部分截面的受力都很好地 万州长江 桥桥塔没汁 李刚 97 5。由图5可知,除钢束锚同Ⅸ及垫石与塔底同结面 等应力集巾区域外,最大主拉应力约为1.3 MPa,最 大主压应力约为15.6 MPa,均满足规范要求 。j,圆 满地解决了该桥桥塔设计中最大的技术难题。 4.3索塔锚同区预应力布置方案确定 索塔锚同区是斜拉桥桥塔设计的关键之一。该 图4全桥三维杆系有限元模型 Fig.4 l'hree-Dimensional Link Finite Element Model of Whole Bridge 桥索塔锚同区采用预应力锚固体系,预应力设计时, 首先通过杆系横向框架模型得到初步的预应力束 型,再建立上塔柱节段实体模型,考察索塔锚同区的 控制在了规范容许的范围内。但由于北塔下塔柱高 度非常小,造成下塔柱与下横梁组成的横向框架刚 度过大,由此带来了一系列受力难点。为解决该难 题,设计时采取了3项对策:①优化施_T步骤。对 局部受力状况,经反复优化,最终确定了理想的预应 力布置方案。在该预应力布置方案下塔柱局部受力 见罔6,南图6可知,除个别应力集中区域外,最大 主拉应力约为1.1 MPa,最大主压应力约为9.8 下横梁进行分段施 r,在下横梁与塔柱交界处设置 后浇段,在后浇段合拢前,先张拉一部分预应力,这 部分预应力直接作用在下横梁』二,不会对下塔柱产 生影响;在后浇段合拢后,再张托剩下的预应力。② 优化下横粱及下塔柱的结构尺寸。从而减小横向框 架刚度。下横梁跨巾梁高仅设计为5.0 m,明显小 于同规模斜拉桥;尽量减小下塔柱的外轮廓尺寸,而 适当增加壁厚(尤其是靠内侧的塔壁),这样既增加 了截面面积,又没有显著提高截面的抗弯惯矩,同时 通过适当改变截面中性轴的位置,改善截面的应力 MPa,均满足规范要求 ,塔柱受力状况良好。 5 结 语 万州长江 桥桥塔采用蕴含钟楼古韵的钻石塔 型,造型新颖。由于地形条件影响.南、北桥塔高差 较大,尤其是北塔的下塔柱高度相对一般斜拉桥小 很多,南此带来了一系列的受力难题。设计过程中 通过采取多项措施,网满地解决了这些技术难题,且 在保证受力安全的同时,最大可能地兼顾了景观要 求。桥塔施_丁拟采用泵送混凝土丁艺 1。】,塔柱施l丁 状况。③为进一步降低塔柱外侧角点的手i7=应力,增 加结构的安全储备,考虑在塔壁外侧设置竖向预应 力。施T时将竖向预应力钢束的同定端预埋在承台 内,在施T塔柱时再同步分批次张拉预应力,从而给 塔壁外侧受拉 一定的预压应力,改善结构运营期 的受力状况。 为验证以上3项对策的效果,建立考虑施I:阶 段和预应力作用的实体有限元模型对北塔下塔柱与 下横梁横向框架进行局部应力分析,计算结果 图 以爬模为主,横梁主要采用支架现浇工艺。该桥于 2014年9月30日正式开l丁,预计于2018年交付使用。 参考文献(References): [1] 巾铁大桥勘测没计院集团有限公司.万州长江=三桥施 丁罔设计[Z].武汉:201 2. 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