扬州市开发大桥桥型构思及结构设计

曹文祥

扬州市城市规划设计研究院有限责任公司

摘要：扬州市开发大桥方案桥梁总长668m，主桥跨越京杭大运。主桥采用单塔单索面不对称斜拉桥，跨径布置3×30+（35+100+135+45）m+4×32.2m+（32.2+33+32.2+32.2）m，采用塔、墩、梁固结体系，桥面布置双向六车道，总宽39m。桥梁采用“帆”式桥塔，主墩采用钻孔灌注桩形式。引桥采用等高度预应力混凝土连续箱梁结构。经采用有限元软件对主桥进行结构整体计算，结果表明，主桥结构各项指标均满足规范要求。

关键词：桥梁设计；单塔单索面不对称；斜拉桥；桩基础；结构分析

1工程概况

开发路为扬州市区南部重要的东西向城市主干路，是城市南区一条横向分流通道。本次开发路东延工程是现状道路的延伸，起点位于运河南路，终点至广陵产业园沙湾南路，全长3.3km..开发路桥是本工程跨越京杭大运河（二级航道）的重要节点工程。主桥采用（35+100+135+45）m单塔单索面不对称斜拉桥。主要技术标准为：双向六车道城市主干路,设计速度：50km/h，两侧布置3.5m非机动车道+2.25m人行道，主桥桥面宽39m。

图1扬州开发大桥主桥布置

2桥梁总体设计

2.1线路总体设计

根据扬州市《总规》，本次设计开发路东延工程西起运河南路，东接沙湾南路，全长3324米，与运河南路、滨河路、京杭南路、秦邮路、宝林南路、龙泉路、刘南路，沙湾南路相交，上跨运河南路及滨河路，和现状G328之间采用下穿互通。

跨京杭运河桥为双向六车道。桥梁两侧为减少填挖方及将来地块便于衔接，设计采用了较大的纵坡及较短的坡长。桥西侧纵坡为2.5％，东侧纵坡为2.5%，凸曲线半径4400米。

图2运河南路～沙湾南路

2.2桥型方案构思

隋炀帝开通运河，在扬州与长江交会。2500年来，随着京杭运河的不断开凿和延伸，船运也承载着扬州文化不断传播，船作为载体诠释了大运河和扬州之间的特殊关系。通过对帆船外形归纳(见图3)，本桥拟用帆的结构外形为参照物，以意化的船帆为桥主塔，将跨京杭运河桥方案选用为不对称单索面独塔斜拉桥。

图3帆船艺术原型

3桥梁结构设计

3.1总体布置

主桥梁体及索塔均为钢结构。主桥横向布置为2.25m人行道+3.5m非机动车道+11.75m快车道+4.0m索塔区+11.75m快车道+3.5m非机动车道+2.25m人行道，总宽39m。（引桥桥宽39～51m）。桥面行车道双向横坡为1.5％，人行道横坡为2.0%。主桥采用钢箱梁结构，梁高3.3m。全桥下部基础均采用钻孔灌注桩形式。

3.2主梁

主梁采用钢箱梁，桥面全宽39m，主梁梁高3.3m，采用封闭箱梁，顶板设1.5%的横坡，底板采用流线型，整个断面与引桥斜腹板断面相匹配。顶板按正交异性板设计，板厚采用14mm，顶板的加劲纵肋采用6mm钢板压制成的梯形闭口肋，闭口肋顶宽300mm，高260mm，底宽184mm。横梁采用整板式的横隔板，分普通横梁及锚索横梁两种，锚索横梁的横隔板厚度为20mm，斜拉索与钢梁的锚固结构为全焊结构。

图4主桥横断面图

3.3桥塔

主塔采用船帆造型，桥面以上为钢结构，桥面系以下为混凝土结构。塔身及塔根部纵桥向分为A、B两个塔柱，塔身接主梁处横桥向宽3.5m，纵桥向分别长3.0m及3.50m，塔顶区域两塔柱合二为一。两塔柱间共设置5对钢横梁。索塔布置于道路中分带内，与主梁固结。索塔桥面以上总高度68m，塔身外缘角隅处采用圆弧进行拟合。塔身上预埋拉索钢管，以供斜拉索通过。塔顶及塔身部分采用钢结构内灌C50微膨胀混凝土，A、B两个塔柱深入钢箱梁并灌注C50砼。塔顶设避雷装置，并设置航空标志灯。

3.4斜拉索

目前斜拉桥采用的斜拉索类型主要有平行钢丝斜拉索和钢绞线斜拉索，通过比较采用平行钢丝斜拉索。

斜拉索为单面索（每一索面由两排索组成），扇形布置于中间分隔带内，全桥共24对，48根。斜拉索锚固点在主跨侧纵向间距为8.5m，在辅跨侧纵向间距6.0m，塔上竖向间距采用2.5、3m。斜拉索张拉端位于主梁中箱室内，距离梁顶面1.0m，锚固端位于索塔塔柱内缘，拉索锚头用不锈钢盖板遮盖。

斜拉索采用塑包平行钢丝束，钢丝采用∅7镀锌高强钢丝，单根拉索由7-187、7-139两种型号拉索组成，钢丝标准强度为1670MPa。护套采用双层，内层为黑色高密度聚乙烯，外层为彩色高密度聚乙烯。拉索为单端张拉，塔上为固定端，梁上为张拉端，锚具采用冷铸锚锚具。

主梁拉索锚固区锚垫板厚40mm,并设置上下贯通的中隔板，板厚20mm，锚垫钢板与中隔板、张拉槽口钢板等焊接连接，并设置加劲板。拉索索管采用273×6.5、325×12mm的无缝钢管，索管采用双面焊焊接于锚板上，顺索管方向在索管外侧设置4道加劲肋。拉索锚固区在张拉前，均灌注C50微膨胀砼。

为防止人为因素及超高车辆可能对拉索造成的损伤，在拉索主梁端2.5m高度范围内外包1mm厚亚光不锈钢钢管防护。

3.5桥墩、基础

3.5.1主墩

主墩墩身为异形框架结构，墩身横桥向顶宽13m、底宽14m，墩身接主梁处纵桥向长13.63m，接承台处长10.33m。主桥5号主墩下部采用23.0m×23.0m×5.0m钢筋混凝土承台，承台下设25根直径1.8米钻孔灌注桩。承台采用C40混凝土现浇，桩基采用C30水下混凝土。

3.5.2主桥中间墩

主桥中间墩，4、6号辅助墩采用板式墩身+承台+钻孔灌注桩形式，横桥向双幅布置，桥墩横桥向设置2个墩身及承台，沿道路中心线对称布置，距道路中心线距离为8.5m。单幅墩柱承台尺寸为6.5m×6.5m×2.5m，下设4根直径1.5m钻孔灌注桩。墩柱采用C40混凝土，承台采用C30混凝土，桩基采用C30水下混凝土。

3.5.3交接墩

交接墩，主桥3、7号交界墩采用板式墩身+承台+钻孔灌注桩形式，横桥向双幅布置，桥墩横桥向设置2个墩身及承台，沿道路中心线对称布置，距道路中心线距离为10.5m。单幅墩柱承台尺寸为6.5m×7.1m×2.5m，下设4根直径1.5m钻孔灌注桩。墩柱采用C40混凝土，承台采用C30混凝土，桩基采用C30水下混凝土。

4结构计算

4.1主桥空间分析成果

将主桥结构离散成空间杆系模型(图5)，进行有限元分析，本次设计采用有限元专业分析软件MIDASCivil2012。

4.2抗震分析

4.2.1抗震设计参数

本桥桥位处抗震设防烈度为7度，地震动加速度峰值为0.15g，场地类别为Ⅲ类。

计算采用有限元程序Midas/civil2012，分别建立线性、非线性动力计算模型进行抗震性能分析。模型中主塔、主梁、桥墩均离散为空间梁单元，斜拉索采用空间桁架单元。主梁与拉索通过主从约束连接。索力采用初拉力荷载模拟；活动盆式橡胶支座的摩擦效应采用双线性理想弹簧单元模拟，使用分层文克尔土弹簧模型模拟桩基础。主桥动力模型如图6所示。

图6方案主桥动力模型图

1）采用E1下的工程场地反应谱对结构进行反应谱分析，并对响应结果做结构抗震强度验算。

2）采用E2（50年内2%超越概率水平）下的工程场地人工地震动加速度时程对结构进行时程响应分析，并对结构延性及能力保护构件进行验算。

在进行时程分析时，地震动输入分别采用50年超越10%的场地水平加速度时程和50年超越2%的场地水平加速度时程(见表)。地震的激励方向采用纵向+横向+竖向的方式，其加速度最大值按1（纵向）：0.85（横向）：0.65（竖向）的比例调整。每种概率水平提供三条地震波，时程分析结果采用三条波地震作用下的最大值。

4.2.2分析结果

E1工况（50年10％超越概率）验算结果

从验算结果可以看出，在E1地震作用下主桥桥墩和基础的地震组合效应均小于截面的初始屈服弯矩，说明了在E1地震作用下结构保持弹性，结构基本没有损伤，满足E1地震作用下的性能要求。

(2)E2工况（50年2％超越概率）验算结果

表4.2E2地震作用下活动抗震盆式橡胶支座允许位移验算

从验算结果可以看出，在E2地震作用下主桥桥墩和基础的组合效应均小于截面的等效屈服弯矩，结构局部可能发生轻微的损伤，震后不需修复或简单修复可继续使用，满足E2地震作用下的性能要求。

4.3主桥抗风计算成果

4.3.1桥梁设计风特性参数

根据《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/TD60-01-2004），开发路跨京杭大运河大桥桥位处的基本风速为V10=27.1m/s，设计基准风速为Vd=26.3m/s。

4.3.2成桥状态动力特性分析

本报告采用有限元专业分析软件MIDASCivil对成桥状态三维自振特性进行了计算分析，计算过程中主梁和桥墩均采用空间梁单元，拉索采用三维索单元。主梁和主塔采用塔梁固结的方式；桥塔底部不考虑桩土相互作用。

全桥有限元计算模型如图7所示。成桥状态的主要频率和振型特点如表4.4所示。

经计算，静风失稳临界风速Vcr=175.6m/s大于静风失稳检验风速57.2m/s，且远远大于该桥桥址处的实际风速，说明该桥具有较高的静风稳定性。

4.3.4颤振稳定性验算

经计算，颤振临界风速Vcr=197.0m/s远远大于颤振检验风速[Vcr]=46.3m/s，说明该桥的颤振稳定性符合规范要求。

5结语

扬州市开发路大桥的设计选择了适合该桥建桥条件的（35+100+135+45）m单塔单索面不对称斜拉桥方案。其造型美观、外形独特，与周边的环境相协调，使整个桥梁如一幅优美的画面。梁、塔、索的几何构图及柔性曲线与刚性直线融合，使桥梁受力清晰、动态分明，充分体现了结构和力学结合的美。通过有限元分析，本桥的主桥、主塔及拉索的应力均满足规范要求，抗震性能良好，同时静风稳定性和颤振稳定性符合规范要求。作为满足交通功能的桥梁，它不仅结构优美，而且具有结构受力合理、景观效果好、施工便捷、质量可靠的优点。

参考文献

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[5]《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/TD60-01-2004）.