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厦门海沧大桥索塔设计及结构分析
王梓夫 徐国平 （中交公路规划设计院）
一、工程概述
厦门海沧大桥系国家“九五”期间重点项目，该桥为跨越厦门(本岛)与海沧开发区(大陆)之间海域的特大型桥梁集群工程。工程起点与海沧开发区内的马青公路采用立交衔接，终点与厦门市仙岳路衔接。工程主线全长约5930m，其中桥梁工程长度约为3410m，引道工程长度为2520m。大桥设双向六车道，桥面总宽32m，设计行车速度80km/h，设计荷载为汽车－超20级、挂车－120、人群荷载3kN/m2，桥面最大纵坡为2.5%。工程总投资28.7亿元。主体工程东航道桥为230m+648m+230m的三跨连续全漂浮体系悬索桥。该桥索塔采用了大直径群桩基础，每塔墩共设28根钻孔桩，其中东塔桩基按嵌岩桩设计，西塔桩基按摩擦桩设计。索塔采用混凝土框架式门型索塔，塔柱顶端向内倾斜，并且上塔柱和塔底lOm以上的下塔柱的斜度相同，塔底lOm段的斜率采用曲线变化。塔柱断面采用圆端八边形。断面自下而上有规律地减小。索塔共设二道横梁，横梁为六边箱形预应力混凝土结构，上、下横梁底部设置了圆弧曲统上横梁顶部设置了装饰罩(后改为装饰墙)。
二、基础设计
l、索塔基础条件
东塔位于东渡港小轮码头内，表层为人工填土，压实稍密，厚1～8m，之下为海相沉积及残积砂土，厚4～9m。下伏基岩为斜长花岗斑岩和变质砂岩，两者呈侵人接触。斜长花岗斑岩强风化带厚1～5m，质软；中风化带厚1～9m，但地质较坚硬，较破碎；微风化带岩质坚硬，平均天然单轴极限抗压强度为89.31MPa。变质砂岩分布于塔区周边，受花岗斑岩侵人影响，岩石具有一定的变质现象，硅化明显。变质砂岩全、强风化带厚2～11m，岩质软；中风化带厚0～5m，岩质较硬；微风化带岩质坚硬，平均天然单轴极限抗压强度为153MPa。
西塔基础海底高程为-4m～－9m(黄海高程，以下同)，海床表层为海相沉积淤泥，厚3～9m，其下零星分布0～2m厚的残积亚粘土。下伏基岩为侏罗系下统黎山组砂岩、泥岩、泥质粉砂岩，岩质软硬相司，节理、裂隙发育，岩体较破碎，风化严重，风化带较厚。强风化带厚约20～30m，最厚达41m，岩质较软，易碎，钻孔桩桩周侧向极限摩阻力为120～18OkPa，容许承载力为400～500kPa。中风化带厚8～33m，岩质较坚硬，岩石较完整，局部夹透镜状分布的强风化带及微风化带岩层。容许承载力为600～800kPa，微风化带埋藏深度为50～70m，岩面新鲜，岩质坚硬，容许承载力为800～1000kPa。
2、基础型式选定
东、西索塔基础一般构造见图1。
图1 索塔基础一般构造(尺寸单位：cm)
根据地质报告，东塔基础处微风化斜长花岗斑岩岩面埋深为8～15m，岩质坚硬，平均天然单轴极限抗压强度为89.3lMPa；覆盖层存在部分人工填石；东塔区地下水与海水关系密切，其水位滞后海水水位约3.5h，最大涌水量为46.7m3/d。因此在初步设计阶段对东塔基础提出了大直径钻孔桩及扩大基础二种型式，钻孔桩基础又按直径2.Om、2.5m两种方案进行了比较。由于扩大基础存在着深基坑的开挖，而东渡港码头又不容许进行大面积开挖，因此必须采用支护结构(钢板桩围堰)，但覆盖层中存在着大量的人工填筑大块石(实际施工时发现存在残遗的钢筋混凝土结构)，施工难度较大。最终未采纳扩大基础方案。对于桩基础方案，考虑到采用嵌岩桩，基岩强度较高，桩径过大施工有一定的困难，因此最终决定采用2.Om直径的钻孔灌注桩基础。
西塔位于东航道西侧浅海域中，距火烧屿约150～200m。此处最大水深为8～13m，索塔处基岩组成为下统黎山组砂岩、泥岩和泥质粉砂岩，各种岩性的岩层交替出现，规律性较差。微风化岩面埋深为50～70m，岩石强度不高。根据水文、地质等条件，西塔基础采用钻孔灌注桩基础，并按摩擦桩设计。考虑到摩擦桩直径不宜太大，西塔最终选择直径2.Om的桩。
3、桩基计算与桩长确定
东塔处基岩埋置较浅，基岩强度较高。基础采用‘m’法计算。东塔基桩按支承桩设计计算。基础计算主要设计参数为：基岩单轴极限抗压强度Rjn=84790kPa，岩石地基系数C0=516.2×105，内摩擦角φ＝30°。西塔位于东航道西侧浅海域中，覆盖层为淤泥及强、中风化岩，微风化岩埋藏较深，按摩擦桩设计计算。基础计算主要设计参数为：桩身自由长度取15.6m，岩石地基系数C0=516.2×105，内摩擦角φ＝25°，桩周各土层平均极限摩阻系数为l60kN/m2。索塔基桩内力及配筋计算结果见表1。
表1 索培基桩内力及配筋计算结果
项目 荷载组合 恒载+
活载 恒载+活载+
船撞(顺桥) 恒载+活载+
船撞(横桥) 恒载+温降+
风载(顺桥) 恒载+温降+
风载(横桥)
承台底
内力 顺桥My(kNm) -130560 -130560 -264800 -337710 -124040
横桥Mx(kNm) -145030 -161150 -108130 -131540 190630
Qy(kN) -845 -845 -11310 -4354 0
Qx(kN) -7034 7415 -6940 -6380 -8570
N(kN) 254020 254120 254016 236570 237170
单桩最大轴力(kN) 26613 27317 29505 27024 23453
桩身最
不利组合 弯矩(kNm) 3663 3692 6787 3942 4197
相应轴力(kN) 24777 25482 27670 25189 21618
应力(MPa) 混凝土σh 11.7 11.9 16.1 12.1 11.3
钢筋σg 112.5 115 153.8 116.7 108.6
根据表1计算结果，由桩顶反力，地质资料，得到东塔墩桩基的计算长度。结合工程实际经验，确定东塔实际工程桩长为11.5m，西塔实际工程桩长为65m。
三、景观设计与塔型选定
1、景观设计
随着我国桥梁事业的蓬勃发展，桥梁景观设计越来越被结构工程师们所重视。特别是特大跨径桥梁，其美学方面的要求应与结构同等重要，往往成为一个城市、一个地区的标志性建筑物。一个结构的美主要体现在其外在形象的自然属性，如形、线、光、色、质、音等，以及它们之间的组合关系。悬索桥在众多桥型结构中，其三条线，即竖直的塔、曲线的缆索、水平的主梁及桥面系，空间透视感极好，突出了悬索桥轻盈、高耸、简洁的完美形象。主塔将竖向及斜向心理引诱线引向塔顶，形成人们瞩目的重要部位。高耸挺拔气势夺人的塔，配以轻柔的索、无限延伸的加劲梁，这些都突出了桥塔作为主体的主导地位，形成了悬索桥突出的个性和鲜明的形象。
(1)线条
线条能产生一种视觉上的联系，而且是视觉艺术中各因素之间最为直接的联系和沟通方式。线条既有独立性，也能分隔它所在的块面成为形、体的一个构成因素；既能产生和谐，又能产生动态的紧张。不同直线的斜度也会让人联想到人运动时的动感。所以往往为了寻求对人视觉上的刺激、振动和迁移，常采用斜线的动势来反映力传递的速度和力度。
两条直线上窄下宽，力量分散，减轻地基荷载集度，突出了稳定感。曲线所表现出的活力和动势给人一种轻巧飘逸的感觉。直线与曲线的结合使用，往往形成我们桥梁结构的主体轮廓造型。
(2)比例与尺度
比例的问题广泛存在于桥梁结构设计中，桥梁结构整体或局部本身的三维尺寸的关系；桥梁结构整体与局部或局部与局部之间的三维尺寸关系；桥梁结构实体部分与空间部分的比例关系。另外还有凸出部分和凹进部分、高起部分和低落部分的比例关系等。0.618:1及整数平方根所形成的级数是索塔设计中常用的比值。
海沧大桥索塔经过多方案的比较，索塔各部(包括塔柱、塔冠、承台等)采用了以曲线造形为基调的设计构思，达到了集古典建筑艺术与现代建筑风格为一体的效果。本桥的索塔造形在国内外同类桥梁中是具有鲜明个性的，它的景观性是高品位的。
(3)索塔的色彩与装饰
桥梁的色彩同结构造型一样是决定桥梁美的重要因素。人们目视一个物体，是以“形”和“色”来加以区分的。桥梁不是单独孤立存在而被人观赏，它必然是与周围的环境物像一起映人人们的眼帘，成为景观的一个重要组成部分而存在的。也就是说，索塔的色彩是作为环境色的一个重要因素而展示它的形象，所以索塔的色彩设计不是无足轻重的。尤其对钢塔，除锈涂色是防腐的一个工序，其色彩设计又变成极其必然的事情。
2、塔型选定
海沧大桥东航道桥索塔采用框架式门型索塔，塔柱顶端向内倾斜，并且上塔柱和塔底lOm以上的下塔柱的斜度相同，塔底lOm段的斜率采用曲线变化。塔柱断面采用圆端八边形。断面自下而上有规律地减小。索塔共设二道横梁，横梁为六边箱形预应力混凝土结构，上、下横梁底部设置了圆弧曲线，上横梁顶部设置了装饰墙。索塔一般构造见图2。
图2 索塔一般构造(尺寸单位：cm)
根据主缆间距及桥面宽度，索塔两塔柱的向内倾斜度为0.0321。塔柱在高程5.5m至
124.525m范围内为圆端八边形断面，为便于施工，圆端半径皆为4.833m。高程在124.525m至129.025m范围内(即塔冠部分)为圆端四边形断面，为便于施工，圆端半径皆为6.083m。在塔柱底部以上10m高度范围内，顺桥向塔柱断面宽度按圆弧规律变化，两侧圆弧半径为26.07m，横桥向塔柱断面宽度亦按圆弧规律变化，半径为34.57m，塔柱内侧为斜率0.0321的直线。若不考虑塔柱底部以上lOm高度范围内圆弧加宽，塔柱宽度自下而上断面尺寸从6m(横桥向)×7m(顺桥向)线性变化至5m(横桥向)×5.4m(顺桥向)，主索鞍底塔冠断面尺寸为6m(横桥向)×8m(顺桥向)。塔柱底断面尺寸为7.5m(横桥向)×llm(顺桥向)。塔柱底部以上10m高度范围内，壁厚分别从2.45m、2.95m、1.5m变化至0.95m。塔柱10m以上至下横梁底壁厚为0.95m，塔柱在下横梁及人洞处作局部加厚，壁厚为1.7m。塔柱在桥面至上横梁底壁厚为0.7m，塔柱在上横梁处作局部加厚，壁厚为1.2m。塔冠采用实心断面，以承受塔顶巨大的压力。
索塔上、下横梁底部设置了圆弧曲线，为便上、下横梁模板能周转使用，两横梁圆弧半径皆为37.318m。下横梁为六边箱形断面，跨中断面尺寸为6m(高度)×6m(宽度)，根部断面尺寸为10m(高度)×6m(宽度)，壁厚均为0.6m。上横梁也为六边箱形断面，跨中断面尺寸为5m(高度)×5m(宽度)，根部断面尺寸为7.949m(高度)×5m(宽度)。
四、结构计算分析
1、计算方法及内容
针对海沧大桥索塔结构形式，其计算内容及方法如下，计算图式见图3。
图3 索塔计算离散图
(1)顺桥向按平面杆系有限元方法的SAP84程序计算索塔结构各工况及不同荷载组合下的内力、应力及变形。
(2)横桥向按平面框架杆系方法的QJX综合程序计算索塔结构各工况及不同荷载组合下
的内力、应力及变形。
(3)施工阶段验算，按施工实际情况分顺桥向和横桥向分别计算，包括裸塔状态时的风力计算和最大悬臂状态时的风力计算。
(4)采用SAP91程序分别利用梁单元和八节点实体单元分析索塔稳定性和斜拉索锚固区计算。
2、计算荷载与荷载组合
(1)由上部结构恒载和活载通过主缆传至塔顶主索鞍的竖向力及水平力，以及通过支座传至下横梁的支反力(本桥为全飘浮结构，无此项力)。
(2)风荷载
直接作用于索塔的横桥向及顺桥向的风荷载；作用于钢箱梁、桥面防撞护栏、缆索、吊杆上的风荷载通过主索鞍及下横梁抗风支座传至索塔的力。
(3)船舶撞击荷载
西塔考虑横桥向船撞力20000kN，顺桥向船撞力10000kN。
(4)地震荷载
本桥地震基本烈度为7度，按8度计算。
(5)温度荷载
上部结构由于温度变化所产生的荷载通过塔顶主索鞍传至索塔，索塔本身的温度变化及塔柱断面不均匀温度分布产生的荷载。
(6)施工过程中的施工荷载。
3、荷载组合
索塔受力计算主要荷载组合工况
(1)施工阶段
①恒载+施工阶段风荷载
②恒载+施工荷载
③恒载+施工荷载+施工阶段风荷载
(2)运营阶段
①恒载+活载
②恒载+风载+温度
③恒载+活载+温度
④恒载+活载+风载+温度
⑤恒载+活载+船撞力
4、索塔主要计算结果
控制工况截面内力及应力详见表2。
表2 控制工况试面内力及应力
节点 内力 正截面(MPa) 斜截面(MPa)
N(kN) Q(kN) M(kN) σ上 σ下 σzlm
52 136698 2253 138137 5.8 1.3 -0.003
48 131319 1864 125316 11.3 2.5 -0.005
34 115761 195 -42421 3.1 5.9 0.00
31 114606 -162 90296 7.3 1.2 0.00
4 91071 -3346 -12891 4.3 5.6 -0.027
2 82779 261 5667 2.1 1.9 0.00
53 168417 14297 -274358 0.3 6.5 -0.098
57 160198 13779 -106812 4.7 12.2 -0.250
71 144640 12110 143527 10.3 0.9 -0.180
74 120194 7466 -63315 2.3 6.6 -0.067
101 96659 4281 74822 9.0 1.5 -0.041
103 82778 261 4989 2.1 1.9 0.00
121横梁 74423 -11694 49351 8.9 2.9 -0.673
109横梁 63140 -3332 50882 8.8 0.9 -0.116
五、塔柱配筋及横梁配索
塔柱断面外侧设置φ32的束筋，断面内侧设置φ25的钢筋。塔柱底部最外一层圆弧束筋插入承台顶面以下5Ocm锚固，其它束筋插人至承台底锚固。
上、下横梁皆为预应力混凝土结构，预应力钢束均布设在竖向腹板内，下横梁共设40束钢束，上横梁共设30束钢束。在断面中性轴以下的钢束线型为圆弧形，以满足横梁受力的要求。为避免弯曲钢束张拉时沿径向发生崩劈，钢束长度范围内设置了防劈钢筋。为满足塔柱与横梁间的受力要求，横梁的纵向钢筋皆锚固于塔柱内，预应力钢束锚固于塔柱的外侧。因预应力锚具布置需切断的塔柱钢筋，封锚时应全部采用双面(或单面)焊接连接(焊接长度应满足要求)。横梁钢束布置见图4。
图4 横梁配束示意 (尺寸单位：cm)
厦门海沧大桥通过业主、设计、施工、监理等方方面面的不懈努力和精诚协作，于1999年12月30日建成通车。该桥系国内首次全面实施景观设计的特大型桥梁，这座大桥集中体现了我国二十世纪桥梁建设的先进水平，具有很高的技术含量。
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