张家界澄潭大桥钢-混塔柱设计

DOI:10.3969/j.issn.1004-4655.2018.03.003

CHINA MUNICIPAL ENGINEERING

Ｎｏ．３　（Ｓｅｒｉａｌ　Ｎｏ．１９８）

Ｊｕｎ．　２０１８

张家界澄潭大桥钢－混塔柱设计

周 成

[上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司，上海 200125]

摘要：湖南省张家界澄潭大桥是国内跨径最大的采用钢-混组合塔的独塔斜拉桥，主跨为253 m，桥塔结构形式美观，设计新颖，受力复杂。为实现交通功能和桥梁景观的双重功能，巧妙构思主塔，拓展独塔斜拉桥的布置。通过优化索力减小索塔根部弯矩，利用钢锚箱锚固斜拉索，增强桥梁连接强度。关键词：独塔斜拉桥；钢-混塔柱；桥梁设计；景观桥

中图分类号：U448.27 文献标志码：A 文章编号：1004-4655（2018）03-0008-04

景观斜拉桥的设计应该有其独特的个性，避免出现雷同效果。因此，在景观斜拉桥设计中反映城市特色、体现地域文化、展示时代风貌就显得尤为重要。湖南张家界的澄潭大桥作为景观斜拉桥工程，景观设计在项目中占很大比重。要使斜拉桥本身成为一个区域的标志性建筑，就需要与周边环境在外观上有明显区别。结构也需要有足够的体量才能表现出标志性特征，这就要求桥梁主体结构自身能够成为附近区域的环境焦点[1-3]。

目前我国在斜拉桥建设中主要采用混凝土塔柱，采用钢-混组合塔较少，本桥是国内跨径最大的采用钢-混组合塔的独塔斜拉桥。为了实现交通功能和桥梁景观的双重功能，巧妙构思独塔单索面斜拉桥，拓展独塔斜拉桥的布置。通过优化索力减小索塔根部弯矩； 通过主塔断面变化，增强桥梁的美观

0K0+9851K1+015173.274174.29546.3枫香岗302K1+061.3175.915 85.73K1+147177.942251.000性。桥塔为独柱形塔，结构形式美观，设计新颖，截面横向上大下小，受力复杂，是桥梁设计的重点和难点，桥梁实施可为其他类似桥梁设计提供参考。1 项目概况

澄潭大桥位于张家界市永定区后坪镇荷花村内，西起荷花路-滨河路交叉口。新建项目总长约0. km，连接且住岗组团和荷花组团，斜拉桥总长415 m，双向6车道。主桥主跨为253 m独塔单索面斜拉桥，适应东高西低的地形，也满足水源保护区一跨过河以及机场限高的要求（见图1）。

主塔中心与主梁结构中心线重合，桥宽为35.00~39.84 m。

标准宽度的横向布置： 3.0 m（人行道）+2.0 m（非机动车道）+11.0 m（机动车道）+0.5 m（防撞护栏）+2.0 m（锚索区）+0.5 m（防撞护栏）+11.0 m（机动车

3852534K1+400176.535张家界市区≥4.5滨河路149.1056人行通道洪水位170.53 mφ2 500 mm钻孔灌注桩143.65040设计最高通航水位165.5 m图1 桥梁立面图（m）

道）+2.0 m（非机动车道）+3.0 m（人行道）=35.0 m。

收稿日期：2018-03-20

作者简介：周成（1985—），男，工程师，研究生，主要从事桥梁设计工作。

主塔位置桥梁横断面布置：3.0 m（人行道）+ 2.0 m（非机动车道）+11.0 m（机动车道）+0.5 m（防撞护栏）+6.84 m（锚索区）+0.5 m（防撞护栏）+

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11.0 m（机动车道）+2.0 m（非机动车道）+3.0 m（人行道）=39.84 m（见图2）。

3 2 11 0.5 2 0.5 11 2 3设计道路中心线人非行机锚索区非机人行道 动 机动车道 防撞护栏 机动车道1%车动道 车道 2%2%道 5.3图2 桥梁标准断面图（m）

该桥于2017年11月完成施工图设计，目前处于施工阶段。2 主要技术标准

道路等级为城市次干路，设计车速50 km/h。设计荷载：汽车荷载，城-A级；人群荷载，按CJJ 11—2011《城市斜拉桥设计规范》取用。地震基本烈度为6度，地震动峰值加速度为0.05g。成桥状态取100 a重现期，基本风速24.3 m/s。设计最高通航水位165.5 m。航道等级VI级，采用单孔双向通航。3 主塔结构设计3.1 主桥结构体系

单索面独塔斜拉桥一般采用塔、梁、墩固结体系或塔梁固结梁底设置支座的结构体系。固结体系优点是：结构刚度大、主塔和主梁的变形小，如果三者固结，则避免设置大型支座，且悬臂施工的稳定性较好，不用设临时固结措施。因此，本桥采用塔、梁、墩固结体系，辅助墩、过渡墩均置纵向活动支座，过渡墩设置抗拉支座。3.2 索塔设计

索塔为独柱形塔，截面横向上大下小，距桥面约15m处断面横向尺寸最小，此处弯矩较大，受力复杂。

主塔总高度为85.85 m，其中主体结构高为

79.85 m，顶部装饰高为6 m，桥面以上高度为73.15 m，桥面以下高度为12.7 m。

主塔采用钢-混凝土组合结构，在符合结构受力需要的基础上，减小异形主塔的建设难度。索塔由两部分组成，承台顶以上20 m为混凝土结构，混凝土型号为C60钢纤维混凝土，钢纤维参量60 kg/m3。主塔上端其余65.85 m部分为钢结构，内部箱室灌注C60钢纤维混凝土，形成组合结构。钢结构与灌注混凝土通过开孔板连接。主体结构钢材类型为Q345qD。

主塔横断面为渐变蝴蝶型断面。

混凝土结构塔柱在主梁以下为双肢塔柱，每肢断面为单箱单室，塔柱壁厚最薄处约1.2 m，最厚处约4.4 m， 顺桥向宽度从14.152 m变化到9.280 m，横桥向宽度从9.773 m变化到6.937 m。

在桥面以上双肢塔柱合二为一，塔柱断面为单箱双室，塔柱壁厚最薄处约1.4 m，最厚处约2.1 m，顺桥向宽度从15.2 m变化到9.987 m，横桥向宽度从6.151 m变化到5.025 m。塔柱和箱梁固结。

钢结构塔柱从钢-混结合面往上总高度为65.850 m，其中主体结构部分59.850 m，顶部装饰部分6.000 m。主体结构部分顺桥向宽度从钢-混结合面的9.987 m变化到主体结构顶部3.559 m，横桥向宽度从钢-混结合面5.025 m变化到塔柱中部6.259 m，再变化到主体结构顶部4.556 m。

上塔柱钢结构由主体受力板和外部装饰板组成，主体受力断面板厚度40~60 mm，由2道通长腹板和顶底翼缘板组成，板厚40~60 mm，腹板间距1 600 mm，中间形成斜拉索锚固区域。塔柱外缘四周造型钢板厚度16 mm，在主体受力钢板和外侧造型钢板之间填充C60钢纤维混凝土，形成组合断面。壁板设置开孔板式加劲肋和组合连接件，开孔板加劲肋之间用横联拉结，防止施工时钢板变形。横隔板采用实腹式形式，板厚采用16 mm，标准间距2 m，中间设置人孔。

钢塔构造见图3、图4和图5。

00外顶板5 2000251.000 m0外顶板 060251.000 m 600000 00 2020580 558600 050 6000 202005588 991钢端板1185.150 m钢端板185.150 ma)顺桥向 b)横桥向

图3 主塔构造图

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开孔板5 948填充钢纤维混凝土103 2 06 302038 2 4002 400 6008 06 103 2纵桥向图4 塔身钢-混组合结构横断面图

2 082 3 883 1 981 1 981 3 883 2 082151 615 2图5 塔根混凝土结构横断面示意图

索塔顶部装饰钢结构高6 m，壁板厚度为30 mm，壁板设置板式加劲肋，肋板厚度20 mm。

索塔锚索区索距2.0 m，拉索锚固采用常规冷铸锚体系，对称锚固于塔柱内腹板两侧。3.3 钢-混结合段设计

钢-混结合段长5.0 m，设置上、下2块承压板，钢-混结合段以下承压板为界，分为3 m上截段和2 m下截段。3 m上截段为钢箱填充混凝土，主板件伸入混凝土段2 m形成下截段。钢塔柱与混凝土塔柱之间通过焊钉、开孔板、承压板及预应力筋连接。钢-混结合段主要板件开有φ80 mm 圆孔，穿过直径25 mm 钢筋与进入该孔的混凝土一起形成开孔板连接件。节段部分壁板上设置焊钉连接件，与开孔板连接件共同承担钢塔柱与混凝土塔柱间力的传递。

承压板和主塔箱型主板件厚60 mm，其余板件厚20~40 mm（见图6、图7）。

桥塔结构中心线CY1b穿筋孔ZF1b000 5CY1aCY1aDX1bDX1aDX1a11 340DX1b穿筋孔侧面1/2竖向预应力侧面1/2图6 钢-混结合段接头构造图（立面）

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桥塔结构中心线桥塔结构32中心线0 59 987图7 钢塔承压板断面

桥梁中钢-混结合段包括格构式的钢塔柱、端承压板、预应力筋、开孔板、焊钉。该连接性能较好，荷载传递路径可靠，现场施工方便，能够满足桥梁巨大的竖向荷载由钢塔传至混凝土结构。钢-混结合段是桥塔受力最为复杂之处，建立三维实体模型对其进行模拟分析。荷载在本钢-混结合段内逐步扩散，同时具备多重可靠的连接措施，且钢-混分

界面没有阶梯形台阶，节点位置无明显的结构分层。3.4 桥塔斜拉索锚固构造

斜拉索穿过主塔腹板，进入钢锚箱，从钢锚箱锚板穿出后，用锚具锚固在锚板上。钢锚箱由锚垫板、承压板、支撑板及加劲板组成。钢锚箱板之间、钢锚箱与周边主塔腹板的连接通过焊接实现。锚固区详细构造见图8、图9。

纵桥向横隔板主塔中心线斜拉壁厚15索套筒N6拉索套筒横隔板斜装饰板腹板腹板装饰板图8 锚箱构造图（立面）

主塔中心线对称中心线N28腹板30N1熔透8N388N5磨光顶紧N8熔透8N450 700 50图9 锚箱（断面）构造图

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从该桥的锚固区构造看，其传力机理简单明确：斜拉索锚头锚垫板承压板支撑板主塔腹板主塔全截面。其中，钢锚箱与斜拉索直接相连，钢锚箱的应力水平直接影响整个锚固区结构安全。通过建立锚固区精细化有限元模型，研究锚固区的空间受力行为，对结构进行优化分析，使锚固区结构安全可靠。3.5 附属设施

为方便施工以及维修，设计时在主塔柱内设有钢爬梯。在每道接缝附近均安装施工工作平台，平台间通过爬梯连接。3.6 施工顺序与体系转换

1）主桥基础施工。

2）搭设现浇临时支架并预压，浇筑主梁混凝土段及引桥混凝土，待混凝土强度和养护龄期达到设计要求后纵向张拉预应力钢束。

3）工厂预制主塔钢结构节段，运输并现场吊装，完成主塔钢结构部分。

4）主跨混凝土梁梁端拼装桥面吊机。5）主塔内现浇节段混凝土，节段高度为一个索距2 m；工厂预制主梁节段，运送至现场后安装钢梁节段；待主塔内混凝土达到强度和养护龄期后，安装并张拉该节段斜拉索；桥面吊机移动至下一节段。

6）按5）顺序施工至主梁最大悬臂；4号墩处搭设临时支架，安装临时支架处钢梁；吊装合龙钢梁梁段，完成主桥合龙。

7）拆除桥面吊机；拆除全桥临时支架，完成主桥体系转换。

8）桥面二期工程施工。

9）根据现场情况调整斜拉索索力；完成成桥竣工试验。4 结构计算

澄潭大桥钢塔柱结构计算包括钢塔柱整体受力分析、局部稳定分析和钢混结合段受力分析。

4.1 整体受力分析4.1.1 计算模型

为得到钢塔的应力分布，建立全桥的空间有限元模型（见图10）。其中，主梁采用单主梁模型，斜拉索在下锚点与主梁连接，计算程序采用MIDAS Civil软件。

图10 计算模型

4.1.2 参数选择

所选择的材料各种参数列于表1。

表1 所选材料的各种参数

构件弹性模量/线膨胀系数MPa-1/容重/（℃）kN·m-3

泊松比钢

2.10×1051.2×10-578.50.30混凝土3.60×1041.0×10-5250.17斜拉索

2.05×1051.2×10-578.5

0.30

4.1.3 主塔计算内容

成桥状态荷载工况按照规范进行主塔应力、变形、施工阶段及成桥稳定性的计算。4.2局部稳定分析

按JTG D—2015《公路桥梁钢结构设计规范》验算成桥状态各计算工况的钢塔柱板件局部屈曲情况。

4.3 钢-混结合段受力分析

模型中混凝土采用Solid65混凝土单元，弹性模量取3.60×104 MPa，泊松比取0.17；钢板采用4 节点板壳单元SHELL63进行建立。5 结语

澄潭大桥在综合考虑周边环境、使用功能、经济技术和社会效益等因素后确定采用斜拉桥形式，主塔纤细修长、造型别致，与周围环境相呼应，具有较好的景观效果。为了实现交通功能和桥梁景观的双重功能，巧妙构思独塔单索面斜拉桥，拓展独塔斜拉桥的布置。通过优化索力减小索塔根部弯矩；通过主塔断面变化，增强桥梁的美观性。在结构设计上采用主梁与索塔相固结的方式传递主梁内力，异型索塔采用钢锚箱锚固斜拉索，桥塔钢-混结合段处采用承压板加分散板的方式处理，从而较好解决钢与混凝土的连接问题。参考文献：

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