海口世纪大桥主孔斜拉桥设计

一、工程概况
世纪大桥位于海口市中心区西北、海甸河入海口处。跨越新港港区，南岸为滨海公园，南引桥穿过规划中的滨海高层区与滨海立交相接，北岸与海甸岛沿江五路平接。本桥为《海口市城市总体规划》所选定的桥位，是海口市道路网络工程的重要组成部分，是沟通海甸岛与市中心区的南北主干道，与龙昆北路、海秀大道、和平路、沿江五路构成围绕市区的环线。
世纪大桥主孔跨越新港港区，受通航净高不小于24m、中孔双向通航净宽不小于310m。边孔通航净宽不小于130m、桥下通行3000t级海轮要求的限制，经多方案比选论证，最终选定的桥式方案为147＋340＋147（m）的斜拉桥。
本桥基础工程已经施工完毕，正在进行主塔施工，预计2001年底前建成通车。

二、主要技术标准及设计条件
（1）桥上线路等级：城市主干道一级
（2）设计行车速度：60km/h
（3）桥面按六车道布置，两侧各设1.5m人行道
（4）桥面最大纵坡为3．5％，横坡为2．0％
（5）通航标准：最高通航水位4.0m，通航净高24m，通航净宽单向130m、双向310m。
（6）设计荷载
汽车荷载：汽-20级设计、挂-100验算
人群荷载：3.5kN／平方米（不考虑全桥满人荷载）
温度荷载：体系升降温±10℃，索与塔、梁温差10℃，主梁上下缘及主塔左右侧温差5℃
船撞力按3000t级考虑
设计基本风速V10＝46.3m/s
地震荷载：根据桥址区地震安全性评价报告的结论：在100年使用期内超越概率为10％的地震烈度为8．3度，基岩加速度峰值为264gal；在50年使用期内超越概率为10％的地震烈度为7.91度，基岩加速度峰值为241gal。

三、结构设计
1．总体设计布置
本桥的结构体系为双塔双索面预应力混凝土边主梁斜拉桥，其总体布置见图1。其跨度组成为147＋340＋147m，桥面全宽为30．4m［1.6（索区）+1.85（人行道及栏杆）+11.5（机动车道）＋0.5（双黄线）＋ 11.5（机动车道）＋ 1.85（人行道及栏杆）＋ 1.6（索区）］。

主梁从抗震方面考虑尽量减少结构自重，降低结构的地震反应，从方便施工角度出发，采用预应力混凝土边主梁结构形式，主梁宽跨比为1：11.2，高跨比为1：162；主塔从抗风方面考虑采用钻石型混凝土框架结构和较矮的塔高，塔高H与跨度L之比为0.22；斜拉索采用空间扇形布置，与钻石型主塔配合弥补主梁抗扭刚度的不足，提高结构的扭转自振频率和扭弯频率比，为主梁的抗风稳定性提供较好的基础，其在主梁上的间距为7.2m，采用平行钢丝拉索体系。
主塔固结于沉井顶面，主梁通过竖向支座支承于主塔横梁上，在其纵向设置一对弹性支承索提供水平弹性约束以降低结构的地震反应，侧向设置抗风支座，主梁在边墩处通过竖向拉压支座和部分压重解决边墩负反力问题以利于结构抗震，并在侧向设置抗风支座。由上述支承体系构成本桥的立面内为半飘体系，在横向为三跨连续体系。
2．主塔设计
主塔采用钻石型混凝土框架结构，混凝土强度等级采用C50；塔底高程为4.10m，塔顶高程为110．00m，主塔自沉井顶面至塔顶的高度为106．90m；在高程24．28m处设一道横梁，将塔柱分为上、下两部分，构成钻石形状；上塔柱倾斜率为1：4．883，下塔柱倾斜率为1：2．617。主塔结构见图2。
下塔柱尺寸为纵向7．0m，横向从塔底7．0m渐变至横梁处5．0m，壁厚100m的箱形截面；中塔柱尺寸为纵向7.0m，横向4.0m，壁厚70cm的箱形截面；上塔柱（索锚固区）尺寸为纵向7.0m，横向4.0m，纵向壁厚130cm，横向壁厚100cm的箱形截面；索与塔轴线的交点的间距为1．0～1.5m，采用箱内壁锚固形式。

4．斜拉索设计
斜拉索采用塑料护套半平行钢丝束拉索体系，塑料护套为双层热挤PE形成，内层为黑色，外层为彩色。全桥斜拉索中的最大规格为241φ7。

四、结构计算分析
1．静力分析
本桥的静力计算主要进行了体系成桥状态各工况的静力分析、施工安装计算、主塔横向计算、主梁横梁及桥面板计算，本文在此着重介绍本桥的体系成桥和施工安装计算分析要点，其余为常规计算，本文在此从略。
体系成桥和施工安装计算分析的计算图式采用平面杯系模型，施工安装计算采用无应力索长法；其理论基于微变形理论，对结构的非线性影响须作特殊处理；另外由于主梁采用边主梁结构，其截面有效宽度的取值将直接影响结构的计算；为此在本桥计算过程中作了如下处理：
非线性影响主要从三个方面进行：一是斜拉索垂度影响采用割线弹性模量代替标准弹性模量；二是收缩徐受影响按《公规》上规定办理；三是几何大位移影响采用非线性分析程序进行分析，其结果与不考虑几何非线性的结果相比较，本桥各控制截面计算内力比较结果为0．89～1.06，认为非线性系数取值1．1能够满足结构安全要求，因此在车桥计算中将活载增
大10％后进行计算分析。
本桥主梁截面有效宽度取值是根据《节段式混凝土桥梁设计和施工指导性规范》（1989美国各州公路和运输工作者协会出版）第4.3.2条规定计算；计算结果为：中跨bf／b=0．97，bs/b=0．80，边跨bf／b=0．92，bs/b=0．70（其中，b为翼缘宽，bf为跨中部有效翼缘宽，bs为支点处的效翼缘宽）。
2．局部应力分析及光弹试验
本桥由于塔上锚固采用箱内锚固形式且锚固壁较薄；梁上锚固为适应美观要求将锚精扣入梁体，为慎重起见，对斜拉索锚固区进行了局部应力分析及光弹试验以验证简化计算模型和指导配筋。
3．结构抗风试验研究分析
本桥地处我国遭台风侵袭频度最大的地区之一，台风影响周期长，为确保大桥在施工全过程和成桥运营状态下的抗风安全，进行了节段模型、全桥气动弹性模型的风洞试验和理论分析，对大桥成桥状态、施工最大单悬臂状态和施工最大双悬臂状态的抗风性能作出了全面的检验和判断。
根据桥址区的气象资料和《公路桥涵设计规范）推算得出桥位处的设计基本风速V10＝46．3m/s，由此推算到桥面高度处（平均高度为30m）的设计基准风速为Vd=55．2m／s，检验桥梁颤振稳定性的检验风速VC＝86m／s，施工阶段颤振检验风速按10年重现期取用0.84倍成桥状态的相应风速，为0.84［VC］＝72m／s。风洞试验研究成果得出如下结论：
尽管大桥主梁采用抗扭刚度较低的预应力混凝土边主梁结构，但是采用了抗扭性能良好的空间斜索面体系和"钻石"型主塔，使结构仍然具有较高的整体刚度，尤其是抗扭刚度，从而使扭转颤振临界风速超出110m／s，远大于颤振检验风速，在施工和成桥运营阶段均具有足够的抗风稳定性。
主梁断面接近薄平板特性，具有良好的气动外形，在自然风场中，大桥发生较大振幅涡激共振的可能性很小，可以不必考虑涡激共振对结构疲劳及运行舒适性的影响。
在模拟自然风的紊流场中，成桥状态和施工阶段两个主要状态的抖振响应实测值均比考虑Sears函数及不考虑Sears函数抖振响应理论分析的结果为小，因此抖振分析和风载内力计算采用考虑Sears函数抖振的结果。
从抖振分析和风载内力计算分析结果得出：在施工最不利最大双悬臂阶段的塔根纵向弯距极大值为53037t·m，施工期间需要进台或采用其他抗风措施。
4．抗震研究分析
本桥因地处强震区，除按照我国现行规范的反应谱方法进行计算外，还对结构进行了地震时程反应分析。反应谱曲线和时程曲线由国家地震局地震研究所提交的《桥址区地震安全性评价报告》给出。考虑三种地震荷载组合，即纵向、45°向、横向分别与竖向组合。结构各部位的地震反应经检算均在容许范围内。

五、特殊问题的技术处理
1．主塔塔柱倾斜度大的问题
由于主塔塔柱倾斜度较大，在施工体系转换过程中若不进行恒载内力调整，主塔结构将难以承受结构自重产生的巨大弯距，为此在设计过程中进行了恒载内力调整的多方案比选。
2．主梁边跨应力幅过大的问题
由于海口地区的石料绝大部分为火成岩，强度不高，C60混凝土的配制石料须从很远的石料场运输，为节省工程造价，仅在边跨合龙段附近应力幅较大的区段采用C60混凝土，其余均采用C50混凝土。
3．边域支座负反力问题
为解决边墩支座负反力问题，通常做法为在梁体上施加压重，但由于本桥边跨横跨水域且主梁为边主梁结构，梁体施加压重的区段若太长将给施工带来很大困难，因此，在设计中采用拉压球形支座的方案加以解决。本桥研制出的拉压球形支座的技术参数为：竖向承压力大于500t，竖向抗拉力大于250t，水平承载力为竖向承压力的10％，转角位移量±0..015rad，水平位移量±200mm。
4．强风强震问题
大桥的抗风抗震设计是一对矛盾的问题，从抗风角度出发，希望结构刚度和自重较大，但从抗震角度出发，又希望结构的刚度较柔和自重较轻。怎样合理解决抗风抗震问题是本桥的设计重点。在综合考虑各方因素后，本桥采用较轻柔的边主梁、空间斜索面并配以"钻石"型主塔以及在主塔与主梁交接处其纵向通过弹性支承索的连接等结构措施，并经过试验研究论证得到证实是切实可行的。
根据结构抖振计算分析结果：本桥在施工最不利最大双悬臂阶段的塔根纵向弯距较大。为此对本桥各悬臂施工阶段进行了抖振计算分析，考虑了包括在塔顶放置减振水箱、在主梁上设置抗风缆等抗风措施。最终确定的主梁悬臂施工期间的抗风措施为：在工期安排方面，将主梁悬臂施工第7号索至合龙的施工阶段避开台风期；另外在主梁悬臂施工至边跨第11号索位置处插打交承桩，设计出一简单方便的连接构造大风时与主梁连接、无风时解开，对结构的抖振反应进行控制，以确保大桥在施工期间抗风的安全。

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