国内首座独柱分离式主梁钢塔斜拉桥
图1 浦仪公路西段在路网中的定位
浦仪公路西段上坝大桥跨越长江八卦洲左侧夹江，大堤间距约2100m，大桥由西跨堤桥、西引桥、主桥、东引桥、东跨堤桥组成，其中主桥采用（50+180+500+180+50）m独柱形钢塔双索面钢箱梁斜拉桥，西、东跨堤桥分别为100m主跨和80m主跨变截面预应力混凝土连续箱梁桥，东西引桥为50m跨径等截面混凝土连续箱梁桥。全桥总体布置如图2所示。
图2 浦仪公路西段上坝大桥总体布置图（单位：m）
主要技术标准——
1.道路等级：双向六车道一级公路，兼具城市快速路功能。
2.设计速度：100km/h。
3.荷载标准：公路—I级；人非荷载2.5KN/m2。
4.桥面宽度：主桥标准横断面总宽54.4m。钢箱梁断面分幅布置在索塔两侧，外侧设置行人与非机动车道。上坝大桥引桥标准横断面总宽40.3+Lm。人非系统标准横断面全宽4.0m。
5.环境类别：I类。
6.桥涵设计洪水频率：1/300。
7.抗震设防标准：主桥P1水准地震重现期取500年，地表水平地震加速度0.134g，P2水准地震重现期取2000年，地表水平加速度0.215g；引桥P1水准地震重现期取100年，地表水平加速度0.078g；P2水准地震重现期取2000年，地表水平加速度0.209g。
8.航道等级：桥梁通航净高不小于32m，双向通航净空宽度不小于328m。
9.船撞力：西侧过渡墩、辅助墩防撞船型为10000吨级（压载），西侧主墩为10000吨级，东侧主墩为3000吨级。
10.基本风速：根据《公路桥梁抗风设计规范JTG/T D60-01-2004》及抗风专题研究报告，取28.9m/s。
总体设计
桥型方案
根据通航要求、河工模型试验结果和水利部门的意见，本桥主跨不宜小于500m。由于江面宽约2000m，对于主跨500m的桥梁，斜拉桥和拱桥可满足本项目的建设条件，但是对于主跨500m的拱桥，已经是超大跨度了，技术难度、施工风险和工期风险很大，因此采用斜拉桥方案。对于索塔材料，采用混凝土塔或钢塔都是可行的。混凝土塔结构尺寸较大、重量大、施工速度较慢，而钢塔结构尺寸较小、重量轻、节段工厂化制作、施工速度快，较混凝土塔缩短工期6个月以上、质量易控制。虽然钢塔总体造价较混凝土塔有一定增加，但基础工程量较混凝土塔基础有所减少，基础部分造价略降。根据对本项目特点和具体建设条件的研究，为保证工期，最终采用可以大量工厂化制造、施工速度快的钢塔钢箱梁斜拉桥方案。
在桥跨布置上，由于桥位处深槽偏右岸，设计中将一个主墩设在右岸（八卦洲侧）水边，另一个主墩设在浅水中。主桥为双塔双索面钢塔钢箱梁斜拉桥，采用全漂浮体系，桥跨布置为（50+180+500+180+50）m，见图2。
塔形方案
由于本桥位于城市边缘，距长江边的幕燕风光带较近，在景观方面有较高的要求，而斜拉桥的塔形对全桥景观效果起着至关重要的作用。斜拉桥典型桥塔形式主要是 H形、钻石形或人字形，以及独柱形塔。双塔斜拉桥桥面以上索塔的高度与主跨跨径之比宜为1/4～1/6，则本桥桥面以上塔高在83～125m之间。考虑到空间索面桥面上建筑限界净空因素，并为使全桥有高耸、挺拔的景观效果，桥面以上宜取较高值。而桥面以下，通航净高要求在最高通航水位以上不小于32m，则下塔柱高度约为45m，全塔高度约为160～170m。
对于常规的H形和钻石形塔，由于下塔柱高度相对较矮，桥面又有人非系统，索塔易显得矮胖，景观效果相对略差。而独柱塔外观简洁挺拔，个性鲜明，尤其是对宽桥有很好的适应性，能取得较好的景观效果，且独柱钢塔斜拉桥在国内尚无先例，塔形无雷同，给人耳目一新的感觉。在受力方面，独柱钢塔施工阶段抗风稳定性较差，但在成桥阶段，塔柱受四根拉索不同角度对称张拉，抗风稳定性优于H形塔。在工期方面，独柱塔吊装块件最少，工期最省。造价方面，独柱塔少了一个塔肢，用钢量最少，虽然增加了两幅主梁间横梁用钢量，但钢塔的综合单价比钢箱梁高，独柱塔造价最低。因此本桥虽为双塔斜拉桥，但每个索塔采用独柱结构的钢塔。
采用独柱钢塔，主梁如仍旧是整体断面，桥面须在索塔处开孔使塔柱穿过，桥面部分有较大的浪费。由于本桥设置有人非系统，双向六车道一级公路标准断面宽度33.0m，主桥两侧另设4.0m的人非宽度，不含锚索区及风嘴，桥面宽度已达41m。采用独柱塔，塔柱在主梁处的截面尺寸约8～10m宽，两幅主梁将拉开或开孔10m左右，桥面总宽将达到55m左右（含锚索区和风嘴），主梁宜采用分离式钢箱梁。本桥采用左右两幅分离式钢箱梁断面，两幅梁之间用箱形钢横梁连接，可以减轻主梁自重，减少钢材用量。另外，拉索从独柱钢塔上拉到主梁两侧机动车道外侧，形成空间双索面，人非系统悬挑于拉索之外，行人与非机动车视野开阔，整个斜拉桥的塔、梁、索、横梁骨架清晰，立体感分明，有较强的美感。独柱钢塔见图3。
图3 索塔构造图（单位：cm）
独柱钢塔由于桥面以上塔柱截面尺寸较小，而且钢结构阻尼比小，易产生风振问题。对于矩形塔柱这种细长的钝体断面，可能发生的风振是驰振、涡振及抖振。通过数值风洞试验和模型试验，证明本桥独柱塔无驰振这一发散的危险性振动，但在特定风速下，在桥塔自立状态（即塔柱施工完挂斜拉索之前），可能产生较大振幅的涡激共振。进一步的风洞试验研究表明，通过提高独柱钢塔的阻尼比，可以有效地减小涡振振幅。我国公路桥梁抗风设计规范中，钢结构的阻尼比为0.5%，但实测的国内泰州大桥钢中塔及日本的许多钢塔，阻尼比均小于0.5%。日本规范建议对不同的振动频率，采用不同的阻尼比。本桥钢塔的特征振动频率为0.23Hz，对应此频率日本规范建议采用0.15%的阻尼比较合适。模型试验中，对钢塔阻尼比分别为0.1%、0.25%、0.5%、1.0%、1.2%都进行了风洞试验。结果表明，当阻尼比为1%时，涡振振幅小于10cm；当阻尼比为1.2%时，已无涡振现象。在桥塔自立状态时，通过增设TMD的措施来提升结构阻尼比，以抑制涡激共振和抖振振幅，当设置30吨TMD时，钢塔阻尼比可达到1.2%。因此，设计采用在塔顶设置TMD 的方法来解决钢塔涡振问题。
结构支承体系
由于采用独柱钢塔，为保证景观效果，索塔在主梁处不设下横梁，上部结构采用纵向漂浮体系，索塔与两侧钢箱梁之间设置横向抗风支座约束横向位移，不设竖向支座。索塔与中跨和边跨的第一道横梁之间各设置2个纵向黏滞阻尼器（每个索塔4个），以改善结构的动力响应、控制纵向位移，单个阻尼的阻尼系数为1000、速度指数为0.4。黏滞阻尼器对脉动风、刹车和地震引起的动荷载具有阻尼耗能作用，而对温度和汽车引起的缓慢位移无约束。当由静风、温度和汽车引起的塔梁相对纵向位移，在阻尼器设计行程以内时，不约束主梁运动。
过渡墩及辅助墩处设置纵向滑动拉拔支座，并限制横向位移。辅助墩与主梁底部之间设置纵向限位挡块，以限制主梁的风荷载位移。主桥约束体系概要汇总于表1。
主桥结构设计
索塔设计
（1）索塔主要构造
索塔为独柱形钢塔，塔高166.0m，主梁以上索塔高度为130.693m。索塔采用切角矩形断面，单箱多室布置，由四周壁板和三道腹板（一道横腹板和两道纵腹板）构成。为了减小塔柱截面风阻系数，改善涡振性能，设置尺寸为0.8m×0.8m的切角，将截面进行钝化。塔柱桥面以上基本为等截面，断面尺寸为6.0m（横桥向）×6.5m（顺桥向），自桥面以上开始向下圆弧渐变，至底部断面16.0m（横桥向）×9.5m（顺桥向）。
塔柱壁板和腹板厚度根据计算分析采用44mm和50mm两种，全塔采用板式加劲肋，横隔板的间距为1.6～3.8m。为方便维修人员通行，在塔柱内设置电梯通道及人行爬梯通道。塔柱腹板上设若干人孔，可供维修人员从桥面部位进入塔内，以及在塔内部各个室之间可相互穿越。
图4 索塔一般断面和塔底断面图（单位：mm）
（2）索塔节段划分与连接
塔柱共划分为19个节段，为缩短塔柱架设工期，塔柱节段间采用栓接接头。T1～T5节段采用浮吊吊装，其余节段采用塔吊安装。为减少塔柱节段间拼接缝数量对景观效果的影响，在起吊重量不变的前提下，对塔柱节段采取了竖向分块的设计，竖向拼缝通过耳板设在塔柱内部。考虑到索塔安装中误差的调整，在浮吊架设的J1～J4和锚索区下方J10接口，设置了调整接头。
（3）拉索在塔上的锚固方式
拉索在塔上的锚固如采用钢锚箱，则塔柱壁板和内外侧腹板均受较大水平力，不利于竖向分块的螺栓连接。而采用钢锚梁，锚梁平衡了恒载拉索水平力，塔柱壁板和腹板受力很小，有利于简少竖向螺栓拼缝， 且构造上，拉索锚固区用钢量相近，锚梁只多了中间梁的部分，全桥一共增加钢材130吨。另外，锚箱必须与塔柱一起在工厂制作后整体吊装，锚梁可与塔柱分开吊装，可减轻吊重8～10吨。因此从受力和安装角度考虑，本桥采用锚梁方案。锚梁构造见图5。
图5 锚梁构造图（单位：mm）
（4）塔底连接
钢塔底部与混凝土承台的连接，采用高强螺杆的锚固方案，塔柱根部的压应力主要通过塔柱底板传递到承台混凝土中，而拉应力则通过锚固螺杆传递到基础中。由于索塔在成桥后，除裸塔和地震工况外，塔柱基本不出现拉应力，预拉力的数值根据最不利工作状态下，塔底截面无拉力出现状况（底板不出现缝隙）来控制。
钢箱梁设计
（1）横断面设计
主桥标准横断面总宽54.4m，钢箱梁断面分幅布置在索塔两侧，外腹板外侧设置行人与非机动车道，单幅箱梁（含人非系统挑臂）宽22.05m。分幅式箱梁具有良好的颤振稳定性能，根据主梁节段模型风洞试验表明，颤振临界风速均大于120m/s，满足颤振稳定性检验要求。钢箱梁标准横断面见图6。
图6 钢箱梁标准横断面（单位：mm）
（2）梁段划分与构造
考虑构造及施工架设等因素，主梁划分为67个梁段，均采用全断面焊接方式。主梁节段标准长度16m、边跨尾索区节段标准长度为9.6m。中跨标准梁段采用桥面吊机施工，边跨标准梁段采用高支架存梁施工，标准梁段起吊重量约391t，特殊梁段最大起吊重量约495t。
顶板采用16mm钢板，横向近外腹板锚索区采用20mm板厚，U肋厚8mm。底板根据受力需要，不同区段采用14～28mm四种不同的钢板厚度，底板U肋分6mm和8mm两种。为提高横隔板的整体受力性能、有利于保障桥面板刚度，横隔板采用整体式，横隔板标准间距为3.2m。两幅钢箱梁在拉索对应位置，采用中间箱形横梁连接，箱形横梁宽度为横隔板间距。为设置塔梁间的纵向阻尼器及施工阶段塔梁的临时纵向约束，在近塔处B梁段增设一道横梁。标准横梁顶底板厚20mm，腹板厚16mm，B梁段连接阻尼的横梁腹板加厚至30mm。
索梁锚固构造采用锚箱，锚箱构造分成了M1～M3共三种类型。
（3）人非系统挑臂
人非系统挑臂由顶板及挑臂板组成，顶板厚14mm，采用U形加劲肋，在靠近端部及腹板处采用板肋。挑臂板厚12mm，下翼缘板厚14mm。伸缩缝处挑臂板加厚至20mm。
（4）压重构造
为确保在正常运营荷载下，过渡墩及辅助墩不出现上拔力，在桥墩附近钢箱梁内施加压重。过渡墩、辅助墩墩顶压重区域单幅为170kN/m（局部120kN/m），全桥共计混凝土压重材料1220m3。压重采用底板钢槽放置重混凝土块方式，混凝土容重要求达到35kN/m3。
图7 钢箱梁压重布置示意图
斜拉索设计
采用1860MPa平行钢丝斜拉索，全桥共4×16×2=128根斜拉索，最长274m，最大规格为PES7-283，单根最大重量为25.7t。
下部结构设计
根据索塔所处位置的地形、地质、水文和环境等自然因素以及地层情况，设计采用群桩基础，每个索塔承台下共18根桩，单桩直径为φ2.8m；索塔承台顶设置锥形塔座，塔座厚3.5m，承台厚6.0m。辅助墩和过渡墩基础，均采用群桩基础，单桩直径为φ2.2m。 西主墩和西边墩位于水中，均进行了防船撞设计。
全桥BIM正向出图设计
上坝大桥主桥钢箱梁及钢塔构件众多，并且塔柱下段是双向曲面结构，局部构造复杂，对加工制造的要求也高。若采用传统的平面、立面和侧面三视图的设计方法，塔柱内的许多曲面构造无法表达，对设计师的要求很高。另外塔柱节段、钢锚箱构造复杂，板件数量多，制图工作量大，而且在设计过程中不容易发现细部构造的问题，比如焊接空间以及局部碰撞问题。
为解决上述问题，在本项目设计中，在国内大跨桥梁设计中，首次采用了全桥三维BIM正向设计技术。 所谓正向设计，是相对于过去的BIM翻模设计而言的。以前的BIM设计，一般是先完成三视图设计，根据设计图纸，建立BIM模型。而本桥采用的是“先建模，后出图”的设计方式，即不经过传统的三视图出图阶段，直接利用Catia软件建立桥梁结构的三维模型，然后根据出图需要，进行二维平、立、侧面投影出图。正向设计可将BIM三维模型与二维三视图相关联，让同类型的图纸能够批量化生成，这就大大简化了出图工作量。BIM三维模型还可以和局部计算的有限元模型关联起来，将BIM模型直接导入有限元软件进行局部分析，根据计算分析结果，修改各个桥梁结构的构件参数，使得二维图纸能够随三维模型的参数变化而变化。另外，完成设计计算分析和出图后的BIM模型，可以传递给施工单位和运营养护单位，在施工和运营维护阶段，不断为模型补充后续信息，为桥梁的施工、管养提供可视化的后续服务。
浦仪公路西段上坝大桥作为南京公路一环的最后一个重要节点，采用了适合桥位处建设条件的独柱钢塔钢箱梁斜拉桥设计方案，这种独柱变截面钢塔的全新桥梁造型设计，较好地适应了城市周边的建设条件，解决了宽桥的景观效果问题，在国内是首创。另外，根据本桥的具体特点，采用双向曲面变化的钢塔构造设计、竖向分块的塔柱节段设计、为减少塔壁拉力的钢锚梁设计，均是国内钢塔斜拉桥中首创。同时，本桥是国内第一个采用BIM正向出图设计的大型桥梁，解决了传统三视图双向曲面投影出图的难题，为复杂桥梁设计提供了新的设计思路，提升了桥梁设计品质，并对后续的预制加工、管理养护提供了技术支持。本桥已于2018年3月开工建设，计划于2020年底建成通车。
本文刊载 / 《桥梁》杂志 2018年 第6期 总第86期
作者 / 韩大章 华新 丁磊
作者单位 / 中设设计集团股份有限公司
编辑 / 陈晨
责编 / 陈晨
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