【摘要】長(zhǎng)沙市洪山大橋是一座無(wú)背索的斜塔斜拉橋，跨度206m，將于2001年底建成通車，本文簡(jiǎn)要介紹了洪山大橋的主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)。
【關(guān)鍵詞】無(wú)背索
斜塔 斜拉橋 設(shè)計(jì) 關(guān)鍵技術(shù)
一、大橋地理位置
長(zhǎng)沙市洪山大橋是長(zhǎng)沙市北二環(huán)線上的一座特大橋，跨瀏陽(yáng)河，屬環(huán)線建設(shè)的關(guān)鍵工程之一，洪山大橋南接四方坪立交，北連撈刀河特大橋，橋位座落于洪山廟休閑渡假區(qū)，往東不到2km即為機(jī)場(chǎng)高速公路，往北不到3km是長(zhǎng)沙世界之窗。因該橋地理位置十分重要，業(yè)主單位長(zhǎng)沙市環(huán)線建設(shè)指揮部從提高省會(huì)城市品位的要求出發(fā)，決心將該橋建成長(zhǎng)沙市的標(biāo)志性景觀建筑物，后將湖南大學(xué)提出的無(wú)背索斜塔豎琴式斜拉橋方案提交市府辦公會(huì)議討論，獲得通過(guò)。
洪山橋的主橋跨徑達(dá)206m，建成后將位居同類型橋世界第一大跨徑。本文對(duì)該橋的總體設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)研究作一簡(jiǎn)要介紹。
二、地質(zhì)情況和其他自然條件
北岸主塔塔基地質(zhì)情況簡(jiǎn)述如下：
橋址處基巖埋置較淺，大部分地段基巖裸露，巖性為中元古界冷家溪群板巖，板巖各層特征自上而下分別為：①?gòu)?qiáng)風(fēng)化板巖，褐黃色，巖性為粉砂質(zhì)板巖和泥質(zhì)板巖，巖質(zhì)軟，風(fēng)化強(qiáng)烈，節(jié)理、裂隙極為發(fā)育，巖石破碎，采芯率低，層厚為1.8～6.9m，層頂標(biāo)高為27.46～31.83m，容許承載力[σ0]=500KPa。②弱風(fēng)化板巖，黃灰色、灰黃色、灰色，巖性為粉砂巖質(zhì)板巖及泥質(zhì)板巖，巖性脆，節(jié)理裂隙發(fā)育，鉆進(jìn)速度較慢，層厚為2.5～11.0m，層頂標(biāo)高為19.51～25.66mm，容許承載力[σ0］=1200KPa
。③微風(fēng)化板巖，青灰色、灰色，巖性為粉砂質(zhì)板巖及泥質(zhì)板巖，巖石較新鮮、堅(jiān)硬，板理發(fā)育。鉆進(jìn)速度慢，巖芯多是塊狀，柱狀及碎塊狀，層頂埋深為13.5～22.0m，頂板標(biāo)高為12.8～19.93m，地質(zhì)勘察該展未揭穿，容許承載力[σ0］=2700KPa
。
橋址處百年一遇20m高10min平均最大風(fēng)速為28m／s，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅毕颉ｉL(zhǎng)沙地震基本烈度為Ⅵ度，本橋按Ⅶ度設(shè)防，橋址為Ⅱ類場(chǎng)地上。氣象方面，長(zhǎng)沙地處亞熱帶地區(qū)，受季風(fēng)影響，雨量充沛，歷年最高氣溫40.6℃，最低氣溫-11.4℃，年平均氣溫17.1℃。
三、主要技本標(biāo)準(zhǔn)和分跨
1.道路等級(jí)：城市快速路
2.設(shè)計(jì)荷載：六車道汽——20級(jí)，掛車——120；人群荷載3.5kN／平方米，并以一輛3000kN特重車作驗(yàn)算荷載。
3.橋?qū)捈奥贩M成
全橋?qū)挘?3.2m
路幅組成：2*［0.5m防撞欄+0.5安全帶+2*3.75+3.5行車道+0.5安全帶+2.1護(hù)欄和錨索區(qū)十4.0/2人行觀光道]=33.2m
4.設(shè)計(jì)車速：60km/h
5.橋上縱坡：0.2464％，橋面橫坡；1.5%
6.主橋分跨：227m（主跨和塔區(qū)）+30.305m（輔助孔）＝257.305m
7.計(jì)算跨徑：206m
四、主橋設(shè)計(jì)要點(diǎn)
l.索塔和基礎(chǔ)
索塔采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱形結(jié)構(gòu)。截面外輪廊尺寸為
12m（順橋向） *
8.2m（橫橋向），
塔的水平傾角為58°，塔高（橋面以上）135m。對(duì)于無(wú)背索斜塔斜拉橋，塔的自重設(shè)計(jì)是關(guān)鍵
問(wèn)題之一，為了確保索培處于良好的受力狀態(tài)，我們按照以下原則確定塔的自重；即當(dāng)梁上
作用全部恒載和一半活載時(shí)，塔處于軸心受壓狀態(tài)，如圖2所示。
由幾何及平衡關(guān)系（拉索平行布置情形），可以得到：
索塔節(jié)段重量心原則上按上述公式確定，洪山橋的C值為2.432，塔身混凝土體積較大。最后出于降低重心的考慮，將索塔設(shè)計(jì)成變壁厚的形式（下厚上薄），整個(gè)索塔的混凝土體積約6700立方米。
洪山橋的人行道位于橋中央兩個(gè)索面之間，高出行車道約2m，為方便行人和確保行車順暢，設(shè)計(jì)中在塔根部開(kāi)了一個(gè)高9m、寬3m的過(guò)人孔（圖3）。塔內(nèi)還設(shè)有觀光電梯，塔頂設(shè)有觀景臺(tái)。
由于橋址處地質(zhì)條件良好，基巖露頭，因而墻身基礎(chǔ)采用了 31m（順）*30m（橫）*
9m（高）的擴(kuò)大基礎(chǔ)，在最不利組合荷載作用下，基底偏心距小于0.5m。
2.主梁
主梁為鋼混疊合結(jié)構(gòu)，橋中央設(shè)一條44m（高）*7.0m（寬）的矩形閉口鋼箱梁（箱壁厚28mm），順橋向每隔4m設(shè)一道
長(zhǎng)12.9m的箱形鋼挑梁，形成脊骨架結(jié)構(gòu)體系。鋼結(jié)構(gòu)部分的母材為16Mnq鋼，鋼挑梁上布210mm厚混凝土橋面板，橋面板與鋼挑梁間用φ22mm、間距為120mm的大頭剪力釘連接。
無(wú)背索斜拉橋相對(duì)于常規(guī)斜拉橋來(lái)說(shuō)，拉索吊點(diǎn)所能提供的剛度較小，因而在活載作用下，主梁內(nèi)力變幅相對(duì)較大，普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)難以承受這種大的內(nèi)力變幅，易開(kāi)裂，因而洪山橋的混凝土橋面板置于主梁接近中和軸的位置，從總體受力來(lái)看，橋面板只承受軸力，而鋼箱梁承擔(dān)了軸力、彎矩和扭轉(zhuǎn)。為防止鋼箱梁內(nèi)出現(xiàn)過(guò)大的應(yīng)力變幅而導(dǎo)致疲勞破壞，洪山橋與西班牙Alamillo橋一樣，梁高定為4.4m。
鋼箱梁的截面尺寸由扭轉(zhuǎn)控制設(shè)計(jì)，包括扭轉(zhuǎn)第一類穩(wěn)定和橫橋向扭轉(zhuǎn)剛度。對(duì)于鋼箱梁承壓板的局部穩(wěn)定問(wèn)題，由于我國(guó)公路橋現(xiàn)未能作出計(jì)算規(guī)定，我們分別用《日本本州四國(guó)連絡(luò)橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及解說(shuō)》（1989年）和《美國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（1994年）作了計(jì)算，二者結(jié)果基本一致。
3.斜拉索
洪山橋?yàn)閱嗡髅娼Y(jié)構(gòu)，橫橋向兩排索間距為6m，順橋向梁上索間跨為12m，共13對(duì)26根索，索的水平傾角均為25°，平行布置，索長(zhǎng)65.9～289.8m，斜拉索采用φ7高強(qiáng)度低松弛鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1670MPa，斜拉索采用241φ7和283φ7兩種規(guī)格，匹配相應(yīng)冷鑄墩頭錨錨具，斜拉索采用預(yù)制成品索，總用量約460t。
洪山橋是斜塔單邊索斜拉橋，與常規(guī)斜拉橋的受力特點(diǎn)明顯不同，因而斜拉索在塔和梁上的錨固方式（特別是塔上）值得認(rèn)真斟酌。
經(jīng)過(guò)多次分析計(jì)算，最后將拉索錨固在塔的中和軸上，這是與普通斜拉橋的區(qū)別之一，如果將拉索錨固在前箱壁上，錨固點(diǎn)集中力在塔箱截面上產(chǎn)生一個(gè)很大的附加力偶，由此產(chǎn)生的塔內(nèi)彎矩可占總彎短的30％以上，造成塔在長(zhǎng)期荷載作用下受力不良。因而將錨固點(diǎn)置于中和軸是十分必要的。
拉索的最大應(yīng)力變幅Δσ為90MPa，較小，因而拉索的疲勞不控制設(shè)計(jì)。
五、模態(tài)特性分析計(jì)算結(jié)果
初步設(shè)計(jì)階段，對(duì)洪山橋的受力特性作了全面的分析計(jì)算，用平面桿系有限元法作了梁、塔雙控應(yīng)力調(diào)索計(jì)算；用空間桿系有限元法作了模態(tài)特性和穩(wěn)定、抗震計(jì)算；用板殼單元法作了主梁扭轉(zhuǎn)計(jì)算；用8節(jié)點(diǎn)六面體單元法作了塔與索錨固點(diǎn)，塔梁固結(jié)塊的局部應(yīng)力計(jì)算等。
西班牙塞維利亞的Alamillo橋建于1992年，由Santiago
Calatrava先生設(shè)計(jì)，是世界上第一座大跨度無(wú)背索斜塔斜拉橋，Alamillo橋主跨200m，橋?qū)?2m，略小于洪山橋的建設(shè)規(guī)模，通過(guò)對(duì)洪山橋的動(dòng)力模態(tài)特性作空間計(jì)算，發(fā)現(xiàn)與Alamillo橋的計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，如表1所示。
六、科學(xué)研究
為確保洪山橋建設(shè)的安全，在大橋初步設(shè)計(jì)完成后，對(duì)下列三個(gè)問(wèn)題作了專門(mén)的試驗(yàn)研究：
（1）全橋1：30相似模型試驗(yàn)。試驗(yàn)主要目的是考察大橋在施工和營(yíng)運(yùn)階段整體受力性能，包括應(yīng)力、變形、穩(wěn)定和橋面板有效分布寬度等。
（2）塔梁固結(jié)塊1：6節(jié)段模型試驗(yàn)。試驗(yàn)的主要目的是考察拉索水平分力傳至塔根部后的分布規(guī)律，并考察鋼箱梁的彎曲扭轉(zhuǎn)受力特性是否與設(shè)計(jì)相符。
（3）節(jié)段和全橋模型風(fēng)洞試驗(yàn)。確定各截面的氣動(dòng)參數(shù)，渦激共振風(fēng)速，抖振最大振幅，顫振失穩(wěn)臨界風(fēng)速，并給出最大風(fēng)致內(nèi)力結(jié)果。
七、結(jié)束語(yǔ)
洪山大橋已于1999年12月30日破土動(dòng)工，由鐵道部大橋局五處負(fù)責(zé)施工。按計(jì)劃大橋?qū)⒂?00l年底建成，洪山大橋的建設(shè)將為我國(guó)的橋架事業(yè)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。
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