武汉鹦鹉洲长江大桥桥塔设计.docx

武汉鹦鹉洲长江大桥桥塔设计李翠霞（中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 ）要：鹦鹉洲长江大桥设计为三塔四跨钢 混结合加 劲 梁 悬 索 桥，跨 度 布 置 为（摘），两主跨主缆跨度均为 ，主缆矢跨比为，边跨主缆跨度均为 。 三塔不等高，中塔为钢 混混合结 构，高 ；边 塔 为 混 凝 土 结 构，高 。 桥塔横向均为框架结 构，塔柱之间均设置上下 道横梁。中塔混凝土下塔柱纵向采用台阶式的形结构，钢上塔柱纵向采用人字形结构；边塔纵向采用形塔结构。 桥塔塔柱根据位置的不同分别采用单箱单室和单箱三室截面；横梁采用预应力混凝土结构。桥塔施工采用泵送混凝土工艺。 分别对桥塔进行稳定及纵、横向静力计算分析，结果表明结构强度、刚度、稳定性均满足规范要求。关键词：悬索桥；桥塔；钢 混混合结构；形结构；人字形结构；设计；稳定分析；静力分析中图分类号：；文献标志码： （ ，）： （）， ， ， ， ， ， ， ， ：；收稿日期：作者简介：李翠霞，高级工程师，：。 研究方向：斜拉桥及悬索桥设计。武汉鹦鹉洲长江大桥桥塔设计李翠霞概 况鹦鹉洲长江大桥位于武汉市中心城区，为武汉 市第 座长江大桥，该工程起于汉阳区江城大道墨 水湖北路，向东临动物园、沿马鹦路穿拦江堤路、鹦 鹉大道，跨长江至武昌，再经鲇鱼套货场、津水路接 至梅家山立交，之后与雄楚大街相接。 该桥距武汉 长江大桥约，距杨泗港长江大桥，是 规划的二环线的重 要组 成部分，正 桥 总 长 度 。该桥主桥为世界上首座三塔四 跨钢 混 结合加劲梁悬索桥，跨度布置为（） （图），两主跨主缆跨度均为 ，主缆矢跨比 为，边跨主缆跨度均为 ，主缆中心线在 中塔顶处理 论 交 点 高 程 为 ，在 边 塔 顶 处 理论交点高 程 为 ，主 缆中心线理论散索 点高 程 为 。 横 向 根 主 缆 的 中 心 间 距 。主梁采 用 四 跨 简 支 结 构 体 系，中 塔 为 钢 混混合结构，边塔为混凝土结构。 中塔下横梁及两边塔下横梁上设有主梁竖向支座和横向抗风支座。方案。大桥桥塔由中塔与边塔组成。中塔为设计的重点和难点。由于墩位处下塔柱 处于水位变动区，水位落差较大（ ），从结构耐久性方面考虑，采用钢筋混凝土结构； 鉴于钢结构具有较好的刚度和强度性能，上塔柱采 用钢结构。因而确定中塔采用钢 混混合结构。考虑到边塔在施工阶段因承受纵、横向风载而受弯；成桥后因传递上部构造恒载而主要受压，同时 在活载、风载、温度变化等外力作用下也要受弯，只 是偏心矩较小，为小偏心构件。因此，边塔采用钢筋混凝土框架结构，合理而且经济。桥塔纵向可选择的型式有人字形塔、形塔等。通过对中塔纵向结构型式的 研 究，人 字 形 塔 和形塔结构均能提供较好的刚度指标。 通过计算分析，中塔钢塔柱纵向最终采用人字形结构，单跨满载时， 钢 混结合面的弯矩较小，不出现拉力，结构受力明 确，构造及制造简单。中塔下塔柱纵、横向采用台阶 的形式，与下游相近的武汉长江大桥主墩形式相呼 应，整体简单。边塔采用形塔结构。由于悬索桥有主缆布置的需要，所以桥塔横向均采用双柱式布置，塔柱之间设置横梁连接。主要技术标准（）主线设计：城市快速路；双向 车道。（）设计汽车荷载：公路 级；行车速度： 。（）通航净宽：设置两主孔，单孔双向通航宽不 小于 ；通航 净 高：设 计 最 高 通 航 水 位 以 上，通 航孔净高不小于 。（）船撞力标准：桥梁 个桥塔墩均按 吨 级江海轮及代表船队标准进行防撞设计。（）抗震设防标准：按地震基本烈度 度设防。桥塔结构设计该悬索桥共有 个桥塔，分别为南、北边塔和中 塔（图），三塔外观造型除中塔纵向外其余基本一 致。中塔全高（从承台顶面至鞍座底） ，采用钢混混合结构；两边塔等高，均为 （从塔座顶面至鞍座底），采用钢筋混凝土结构。桥塔两塔柱间横向中 心 间 距，塔 顶 均 为 ，中 塔 塔 底 为 ，边塔塔底为 ，桥塔均由上、中、下塔柱以及 上、下横梁和塔顶鞍座防护罩等部分组成。中塔桥塔方案构思鹦鹉洲长江大桥位于武汉长江大桥上游不足 处，又处在黄鹤楼的景观视线内，大桥桥型设计 放弃了斜拉桥，避免了近 高的桥塔对城市景 观 的影响，采用三塔四跨钢 混结合加劲梁悬索桥下塔柱中塔下塔柱横向为门式框架结构，两塔柱间的横向中心距为 。两边的塔柱纵、横向均呈台 阶形式，上部宽度纵、横向均为 级递减，顶部最大 尺寸为 （横向） （纵向），横向两塔柱间图鹦鹉洲长江大桥总体布置 桥梁建设，（）图桥塔结构 由高 的横梁连接。中塔下塔柱上部 区段为矩形实体结构，尺寸为： （横 向）、 （纵 向）。为减小水流的冲击，下塔柱下部纵向变为六边形截面，其 中，下 部 区 段 为 六 边 形 实 体 结 构，尺 寸 为： （横向）、 （纵向）；中间 区段为六边形空心结构，外部尺寸同下部，基本壁厚 为（横向）、（纵向），纵向中间布有 厚 的隔板，在与下部及横梁交界部一定范围内壁厚逐 渐加厚。 为便于检查人员进入，实体段开 的人孔，电力管线也从该人孔进入塔柱内。 中塔下 横梁为单箱三室矩形截面，高 、宽 ，顶、底、 腹板壁厚均为。 横向布置 束、纵向布置 束 高强度、低松弛预应力钢绞线束。塔柱共 划 分 为 个 节 段 （）， 个 拼接接缝（）。 节 段 长 ，其 中 节段最重，约，采用浮吊吊装，其余节段均采 用塔吊吊装。 塔柱节段采用高强度螺栓连接。 上横梁分 段吊装，最大吊重为。钢上横梁外形为横置的 形，连于塔柱顶部的 直线段内，梁高 ，顶板、底板及腹板的板厚 均为 ，横梁内每隔 设置 道横隔板，横 隔板厚 。钢上塔柱与混凝土下塔柱连接设计为便于钢塔柱安装，中塔下塔柱顶布置有混凝土塔座。混凝土塔座底部，纵、横向尺寸均为 ，均 以一定的坡度布设，以适应钢塔柱底板的安装。中塔钢上塔柱根部的压力主要通过钢上塔柱底 座板传递到混凝土下塔柱中，设计在下塔柱顶截面 预埋 根直径为 的 预拉力螺 杆与钢上塔柱底座板进行连接。 拉应力通过锚固螺 杆传递，故螺杆施加预拉力，预拉力的数值根据工作 状态下塔底截面无拉力出现的状况来控制。 钢塔柱 与混凝土塔柱连接段构造见图。上塔柱上塔柱、上横梁均采用钢结构，上塔柱纵向呈人字形结构，高 （从混凝土塔座中心算至鞍座 底）。 上塔柱横向为门式框架结构，两人字形塔柱间 的横向中心距为 （塔顶处）、 （下横梁处）， 坡度为。塔柱纵向由塔顶的 变化到 的直 线段，经由曲线段过渡到 的斜腿段。 横向自 塔顶至上塔柱底等宽为 。 塔柱断面采用单箱 多室布置，由四周壁板和 道腹板构成。 塔柱壁板厚度为 ，腹板厚度为 。边塔边塔横向两 塔 柱 间 的 中心间距由塔顶的 变至塔底塔座顶的 。 塔柱横向尺寸为 ，纵向尺寸从顶面的 变化到塔底的 。 为与中塔保持一致，对下塔柱截面进行了特殊设计，武汉鹦鹉洲长江大桥桥塔设计李翠霞型中加劲梁采用三维梁单元模拟，主缆和吊杆采用只受拉单元模拟；桥塔中钢结构采用板壳单元模拟，混凝土结构采用实体单元模拟，钢筋采用杆单元模 拟。计算中计入了 的结构几何缺陷和焊接 残余应力对局部屈曲应力的影响；分别考虑单跨满 载、双跨满载、极限风荷载和横向偏载四种工况。计 算结果表明，在所有工况下，桥塔结构的安全系数均 大于主缆，满足规范要求。静力分析静力分析包括纵向计算和横向计算。计算荷载图钢塔柱与混凝土塔柱连接段构造有： 恒载。 包括主缆、吊索、索夹、主缆 防 护 及 检修道、钢 混结合梁、桥面系、主梁检查系统等自重。 基本可变荷载。公路 级，双向 车道。 其他可变荷载。温度作用，设计基准温度为 ，体 系升温为 ，体系降温为 ，侧照引起的桥塔 左、右侧温差 。设计基本风速，地表 高处 年重 现 期 平 均 最 大 风 速 为 将纵向截面外设为三角形（壁厚从边缘向中间逐渐加厚）而形成六边形截面。上、中塔柱为了减小风阻 系数，改善涡振 性 能 以 及 景 观 效 果，截 面 四 周 切 的直角。下塔柱 高 ，横 向 等 宽 、纵 向 宽 ，采用单箱单室截面，基本壁厚为（横向）、 （纵向）。中塔柱高 ，横向等宽 、纵向宽 ，采 用 单 箱 单 室 截 面，基 本 壁 厚 为 （横向）、 （纵 向）。 中 塔 柱 在 桥 面 处 设 有 的进人孔，电力管线从该处通过。上塔柱 高 ，横 向 等 宽 、纵 向 宽 ，采用矩形截面，壁厚 为 （横 向）、 （纵向），上塔柱与上横梁对应处开 的进人孔，在鞍座底设置有 厚的实体段。塔顶部设有鞍座防护罩，具有保护鞍座及景观的功能。边塔上、下横梁均为预应力混凝土单箱单室结 构，顶、底、腹板厚度均为 。 下横梁高 ，横 向长 ，纵向宽 ，上 横 梁 横 向 设 置 为 下置 形，高度由中间 向两边渐变至，横向 长约 ，纵向宽 。 下横梁共布置有 束、上横梁共布置有 束 高强度、低松 弛预应力钢绞线束。下横梁两边塔柱外侧布置有宽 的检修走道，下横梁顶面布置有支座垫石。塔柱均按照普通钢筋混凝土构件设计，塔柱截面竖向采用 的受力主筋，采用机械连接。偶然荷载。 地震作用，主 桥年 超 越概率 地表水平地震加速度 年 ，超越概率 地表水平加速度 。（）纵向计算。采用非线性分析程序建立桥塔空间有限元计算模型，采用梁单元模拟桥塔，桥塔下端采用固结约束，上端通过与主缆共用节点模拟其 边界条件。 分 别 考 虑 恒 载、活 载 （按 极 限 影 响 线 布 载）、纵向风荷载、温度作用等计算工况，并进行了多 种不利组合，验算桥塔纵向面内截面应力。 计算结 果表明，在所有组合工况下，中塔钢结构部分最大应力为 ，最小应力为 ；桥 塔 混 凝土结构部 分 最 大 应 力 为 ，最 小 应 力 为 ，均满足规范要求。（）横向 计 算。 采 用 程 序，将 桥 塔 作 为 塔底固结的结构体系，计算各种荷载组合工况下的桥塔塔柱和上、下横梁的截面应力。 主要考虑施工 阶段、成桥及运营阶段的不同荷载组合工况。 横向 风荷载按施工期间的风力、无活载风力、有活载风力 计算。另外，分析还考虑了各状态下对应 的 地 震效应。经过检算，桥塔塔柱截面最大应力为，最小应力为 ；上、下横梁截面最大应 力为 ，最小应力为 ，均满足规范要求，并有一定的安全储备。桥塔计算分析稳定分析采用通用有限元软件 对桥塔进行了考 虑几何非线性和材料非线性的二类稳定性分析。模桥塔施工该桥桥塔施工采用泵送混凝土工艺，施工方 法以爬模为主，以传统的万能杆件构架为辅。桥梁建设，（）桥塔涂装：为追求更好的景观效果，对桥塔涂装时尚的国际“橘”红色以与钢板梁协调，在起到保护 作用的同时也可体现亮化后的景观效果。， ：）严 国 敏现 代 悬 索 桥 北 京：人 民 交 通 出 版 社，（ ：， ）结 语武汉 鹦 鹉 洲 长 江 大 桥 是 武 汉 市 第 座 长 江 大 桥，是武汉市最宽的长江大桥，也是世界上首座三塔 四跨钢 混 结 合 加 劲 梁 悬 索 桥。 大桥桥型结构合 理，中塔采用 钢 混 混 合 结 构，边塔采用混凝土结 构，塔高适中，与武汉长江大桥景观相协调。主缆起 伏的外形富有韵律美，桥塔稳重的气势与浩瀚的长 江相呼应，三塔耸立，寓意武汉三镇全面协调可持续 均衡蓬勃发展。 大桥于 年 月 日开工，将 于 年底交付使用。 ，公路悬索桥设计规范（报批稿）（， （） 郑史雄，徐伟，高宗余武汉天兴洲公铁两用长江大桥抗风性能研究桥梁建设，（）：，（ ， ， ，（）：，） ，公路桥梁抗风设计规范（ ，） ，公路桥梁抗震设计细则（ ， ）参考文献（）：中铁大桥勘测设计院集团有限公司武汉鹦鹉