悬索桥设计实践及其探讨
摘要： 通过结合实例，基于结构安全性、适用性、经济性等原则，充分考虑到悬索桥的柔性优势，提出其详细设计思路，为同类工程提供参考借鉴。
关键词： 悬索桥,锚碇设计,索塔设计,锚体设计
1引言
某高速公路主线全线采用双向四车道设计标准，车速设计为80km/h，路基宽度设计为24.5m，该高速公路上设计有塔梁分离式悬索桥方案，悬索桥的主跨设计长度为1085m。本桥梁锚碇座落在半山腰的一小台阶，地形较平坦，锚碇后方为陡坡，坡度约45度，坡高约150m。
2悬索桥梁设计
本桥梁主缆的孔跨布置设计为242m+1176m+116m，主梁全长为1000.5m;主桥横桥向设2%横坡，桥面系宽24.5m，钢桁加劲梁全宽27m。采用两根主索，主索垂跨比F/L=1/9.6，主索中心距为27m，采用平面索布置;全桥采用71对吊索，吊索标准间距为14.5m，端吊索的间距29m;主跨梁高(主桁中心线处)7.5m;主梁桥台处设竖向支座和横向抗风支座。鉴于桥梁所处地区的地质情况，设计时有效地避开吉首岸山体裂隙和危岩体对索塔的影响，同时也避开索塔与公路隧道的相互影响。
主桥中央分隔带宽度为2m，鉴于连接隧道的中央分隔带宽度为4.4m，因此，在与隧道衔接的范围内，中央分隔带渐变过渡，主桥的硬路肩宽度相应压缩。因地形和线路走向的原因，悬索桥位于0.80%的单向纵坡上。主桥总体设计中考虑主缆的理论顶点受纵坡影响，使得索塔高度和边跨主缆的布置更合理，全桥主缆受力更均匀。
2.1 锚碇设计
锚碇作为悬索桥设计的关键部位，其设计是重点之一。整个桥梁的锚碇由锚体和锚固系统所组成。
锚体设计。本桥梁采取重力锚，锚体分锚块、散索鞍支墩及基础、前锚室、后锚室四部分。其中锚块主要受预应力锚固系统传递的主缆索股拉力，散索鞍支墩主要承受由散索鞍传递的主缆压力，前锚室、散索鞍支墩及锚块形成一个完整的三杆件人字状构造的空间受力构件。同实体(重力式)结构相比，采用这种杆件系统能大量降低材料用量，充分发挥材料强度从而降低造价。
同时考虑到重力锚由于锚碇体积比较大，为避免锚块和散索鞍支墩基础浇筑施工后出现收缩与温度裂缝，锚块和散索鞍支墩基础共分四块进行浇筑，各块之间设置2m后浇段，后浇段采用微膨胀混凝土;另外为了抑制混凝土的收缩与龟裂、提高抗渗能力锚塞体混凝土掺入聚丙烯纤维网。
两岸锚碇的锚体都属于大体积混凝土结构，其温控设计及温控施工方案由施工单位自行设计，并由设计、监理确认后实施。此温控设计和材料用量费用在预算中单独列出。同时为了有效地降低大体积混凝土水化热，锚块、锚塞体、散索鞍支墩及基础等部位混凝土采用低水化热水泥，并充分考虑掺入粉煤灰后混凝土的后期活性，采用60天龄期的抗压强度作为设计强度。锚碇各永久外露部分表面钢筋保护层内均设一层直径为φ5mm，间距为10×10cm的带肋钢筋焊网;茶洞岸锚碇各永久外露部分表面钢筋保护层内均设一层直径为φ8mm，间距为20×20cm的带肋钢筋焊网，以增强混凝土表面抗裂性能。
2.2 锚固系统设计
本桥梁设计为了有效地减少用钢量，同时合理设计锚块和锚塞体形状，并节约混凝土用量，本桥采用预应力锚固系统。预应力钢束起初沿索股发散方向布置，再按一定半径收敛最后与大缆合力线平行锚固于后锚面，前后锚面均为大缆合力线垂直的平面。吉首岸重力锚散索长度为29米，锚固长度为25米;茶洞岸隧道锚散索长度为29米，锚固长度为43米。锚固系统设计要点如下：
(1)锚固系统由索股锚固连接器和预应力钢束锚固系统构造组成。索股锚固连接器构造由拉杆及其组件、连接器组成;预应力钢束锚固构造由管道、预应力钢绞线及锚具、防腐油脂、锚头防护帽等组成。拉杆上端与主缆索股锚头相连接，另一端与前锚面的连接器相连接。索股锚固连接器由2根拉杆和连接器构成，本桥梁重力锚每根主缆有103套索股锚固单元，茶洞岸隧道锚每根主缆有103套索股锚固单元，总计锚固单元412套。
(2)单索股锚固单元采用15-16规格预应力钢束锚固，双索股锚固单元采用15-31预应力钢束锚固，分别采用特制的15-16和15-31型锚具，其关键是应满足设计所需的锚下应力不超过C30混凝土的受力要求。
(3)钢绞线采用环氧树脂全喷涂及预应力管道内灌注防腐油脂的双重防腐体系，在前锚面设置有油脂面观测管，桥梁运营期间根据油面观测结果实施补充灌注，锚头张拉端不封锚并留有换束所需工作长度。在特征位置锚固连接部分应设置压力传感器，施工及运营期间可随时监测索股受力情况。预应力钢束张拉控制应力为0.65Ryb。公称直径为15.24 mm，标准强度fpk=1860MPa, 技术标准应符合ASTM A416-2003的规定。在锚下混凝土达到100%强度时，方可对称张拉预应力钢束。为方便施工，张拉均采取后锚面单端张拉。15-16型的张拉控制力为2711.3kN，15-31型的张拉控制力为5253kN。均按双控原则张拉，延伸量允许误差应控制在5%以内，且不允许断丝。张拉完毕后，从后锚面向前锚面方向压注防腐油脂。施工单位应根据锚固系统定位要求自行设计定位支架，并由设计、监理确认后实施。本桥锚固系统所用定位支架数量在参考国内同类桥梁的基础上并根据本桥索股的具体数量、长度、锚体体积综合得出，实际用钢量可按发生计量。
2.3 索塔设计
(1)本桥梁的索塔采用双柱式门式框架结构，由扩大基础、塔座、塔柱(上塔柱-0.8m壁厚、中塔柱-1.0m壁厚、下塔柱-1.2m壁厚)和横梁(上横梁、中横梁)组成。索塔自扩大基础顶以上高129.316m(包括防护罩高度4.3m)，塔柱横桥向由上向下向外倾斜，倾斜斜率为内1000：58.816(塔顶中心距27m，塔底中心距41m)，塔柱设上、中两道横梁，塔柱底设塔座并坐落在分离式扩大基础上。其中分离式扩大基础高5m，单侧基础纵向×横向分别为21mx18m，基础嵌固在基坑内。扩大基础为C30钢筋混凝土结构;塔座、塔柱为C55钢筋混凝土结构;上、下横梁为C55预应力混凝土结构。
(2)塔座高6m，塔柱外轮廓纵横向宽度均按3：1的斜率渐变，塔座纵向从上至下由9.0m(标高577.200m)变为13.0m(标高571.200m)，塔座横向从上下由6.0m(标高577.200m)变为10.0m(标高571.200m);塔内璧轮廓纵横向宽度均按3：1的斜率渐变;在塔座底设3.0m厚的实体段。塔柱横向等宽6m;顺桥向顶部由于索鞍需要宽度为9m(高9m)，竖向设4.5m高的过渡段，宽度从上向下由9m(标高687.216m)变为8.113m(标高682.716m)，桥塔其余部分顺桥向宽度按1000：4.201的斜率渐变，由8.113m(标高682.716m)向下渐变为9.0m(标高577.200m)。塔柱为空心矩形箱结构(空心矩形外边采用半径R50倒角过渡)，上塔柱壁厚0.8m，塔顶设置4m的实体段;中塔柱壁厚1.0m;下塔柱壁厚1.2m。为了满足塔柱受力和横梁预应力锚固，对塔柱局部壁厚进行加厚。在塔柱内横梁顶、底板对应的位置设置横隔板，在中塔柱与下塔柱变壁厚处设有一处隔板。
(3)上横梁高5.5m～8.0m，底缘为半径25.5793m的圆曲线，宽度为8.0m，壁厚0.8m;中横梁高5.5m～8.0m，底缘为半径38.823m的圆曲线，宽度为7.391m～7.458m，壁厚0.8m。上、中横梁均设有两道0.6m厚的横隔板。横梁预应力锚固采用深埋工艺，锚固在塔柱外侧，预应力管道采用塑料波纹管、真空压浆工艺。
(4)塔柱内设人行检修楼梯供维修人员使用，维修人员可以从地面爬塔外检修楼梯上到塔柱进人洞进入塔柱，沿塔内检修楼梯上行，直到中横梁或上横梁，通过过人洞进入中横梁、上横梁，由上横梁内的楼梯到达上横梁顶。塔柱进人洞设钢框架，与被截断的塔柱主筋、箍筋焊接，保持被截断主筋的传力连续。在塔柱、横梁上分别设置通风孔。
2.4 吊索设计
本桥为单跨钢桁架悬索桥，中间跨设置吊索，端部吊索J00、C00离塔中心距离分别为66m、51.5m，J00~J01、C00~C01、C01~C02吊索间距为29.0m，其余吊索中心距均为14.5m。根据吊索受力特点，并综合考虑材料性能、制造加工、安装维护、后期更换等因素，本桥设计采用钢丝绳吊索，靠近主塔的三个吊点(J00、C00、C01)， J00、C01每侧吊点设3根吊索，C00每侧吊点设两根吊索，通过预应力岩锚将其锚固于岩石上。其余每侧吊点设2根吊索，与钢桁架采用销铰式连接。J00、C01吊索设置一根CPS15B-19和四根CPS15B-9预应力锚杆，其对应的锚索设计张力分别为2960KN和1400KN,C00吊索设置一根CPS15B-15和四根CPS15B-5预应力锚杆,其对应的锚索设计张力分别为2496KN和780kN。
3钢桁加劲梁
钢桁加劲梁包括钢桁架和桥面系，由主桁架、主横桁架、上下平联及抗风稳定板组成。主桁架为带竖腹杆的华伦式结构，由上弦杆、下弦杆、竖腹杆和斜腹杆组成。上弦杆、下弦杆采用箱形截面，除支座处腹杆采用箱型断面外其余均采用工字型截面。主桁桁高7.5m，桁宽27m，节间长度7.25m。一个标准节段长度14.5m，由2个节间组成，在每节间处设置一道主横桁架。主横桁架采用单层桁架结构，由上、下横梁及竖、直腹杆组成，其中上下横梁采用箱形截面，腹杆均采用工字型截面。上、下平联均采用K形体系、箱型截面。根据风洞试验结果，在桥面系以上和桥面系以下分别布置上、下纵向抗风稳定板。上抗风稳定钢板高860mm，与两道内侧防撞栏结合一起(详见另册文件)，下抗风稳定板与主横桁架相连，由高1000mm、带纵向加劲肋钢板组成。
4桥面系设计
桥面系采用纵向工字梁与混凝土桥面板的钢-混组合结构形式。纵梁横向间距1.92m，梁高0.63m～0.86m，简支在主桁横梁上弦杆上，理论跨径7.25m，纵梁仅在两端设置横隔梁。桥面板采用预制混凝土板，预制板长7.21m、宽1.62m、厚0.16m。纵向接缝宽0.3m，桥面板通过接缝处纵梁上的剪力钉与纵梁相结合。各跨桥面板间采用桥面连续构造，每101.50m桥面板设一道通缝断开，通缝设无缝伸缩缝以保证桥面美观和行车顺畅。纵向接缝采用微膨胀混凝土以改善由于砼收缩对钢-砼组合结构的影响，桥面连续结构采用钢纤维混凝土以提高抗裂、抗疲劳性能。桥面预制板的每根纵梁下面与钢桁架的主横桁架上横梁的上翼缘板之间设置LZTZ500型盆式橡胶支座，全桥桥面系共设支座3808个。
5结论
文章结合悬索桥工程设计实例，设计时充分考虑安全及其经济原则，发挥悬索桥柔软的优势，对钢桁梁悬索桥设计的关键问题展开探讨，结合实践提出本工程桥梁的设计思路，旨在能为同类工程提供参考。
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