长沙市洪山大桥（无背索斜塔斜拉桥）总体设计和关键技术研究

一、大桥地理位置
长沙市洪山大桥是长沙市北二环线上的一座特大桥，跨浏阳河，属环线建设的关键工程之一，洪山大桥南接四方坪立交，北连捞刀河特大桥，桥位座落于洪山庙休闲渡假区，往东不到2km即为机场高速公路，往北不到3km是长沙世界之窗。因该桥地理位置十分重要，业主单位长沙市环线建设指挥部从提高省会城市品位的要求出发，决心将该桥建成长沙市的标志性景观建筑物，后将湖南大学提出的无背索斜塔竖琴式斜拉桥方案提交市府办公会议讨论，获得通过。
洪山桥的主桥跨径达206m，建成后将位居同类型桥世界第一大跨径。本文对该桥的总体设计和关键技术研究作一简要介绍。

二、地质情况和其他自然条件
北岸主塔塔基地质情况简述如下：
桥址处基岩埋置较浅，大部分地段基岩裸露，岩性为中元古界冷家溪群板岩，板岩各层特征自上而下分别为：①强风化板岩，褐黄色，岩性为粉砂质板岩和泥质板岩，岩质软，风化强烈，节理、裂隙极为发育，岩石破碎，采芯率低，层厚为1.8～6.9m，层顶标高为27.46～31.83m，容许承载力[σ0]=500KPa。②弱风化板岩，黄灰色、灰黄色、灰色，岩性为粉砂岩质板岩及泥质板岩，岩性脆，节理裂隙发育，钻进速度较慢，层厚为2.5～11.0m，层顶标高为19.51～25.66mm，容许承载力[σ0］=1200KPa 。③微风化板岩，青灰色、灰色，岩性为粉砂质板岩及泥质板岩，岩石较新鲜、坚硬，板理发育。钻进速度慢，岩芯多是块状，柱状及碎块状，层顶埋深为13.5～22.0m，顶板标高为12.8～19.93m，地质勘察该展未揭穿，容许承载力[σ0］=2700KPa 。
桥址处百年一遇20m高10min平均最大风速为28m／s，主导风向为西北向。长沙地震基本烈度为Ⅵ度，本桥按Ⅶ度设防，桥址为Ⅱ类场地上。气象方面，长沙地处亚热带地区，受季风影响，雨量充沛，历年最高气温40.6℃，最低气温-11.4℃，年平均气温17.1℃。


三、主要技本标准和分跨
1.道路等级：城市快速路
2.设计荷载：六车道汽——20级，挂车——120；人群荷载3.5kN／平方米，并以一辆3000kN特重车作验算荷载。
3.桥宽及路幅组成
全桥宽：33.2m
路幅组成：2*［0.5m防撞栏+0.5安全带+2*3.75+3.5行车道+0.5安全带+2.1护栏和锚索区十4.0/2人行观光道]=33.2m
4.设计车速：60km/h
5.桥上纵坡：0.2464％，桥面横坡；1.5%
6.主桥分跨：227m（主跨和塔区）+30.305m（辅助孔）＝257.305m
7.计算跨径：206m

四、主桥设计要点
l.索塔和基础
索塔采用预应力混凝土箱形结构。截面外轮廊尺寸为 12m（顺桥向） * 8.2m（横桥向），
塔的水平倾角为58°，塔高（桥面以上）135m。对于无背索斜塔斜拉桥，塔的自重设计是关键
问题之一，为了确保索培处于良好的受力状态，我们按照以下原则确定塔的自重；即当梁上
作用全部恒载和一半活载时，塔处于轴心受压状态，如图2所示。

由几何及平衡关系（拉索平行布置情形），可以得到：

索塔节段重量心原则上按上述公式确定，洪山桥的C值为2.432，塔身混凝土体积较大。最后出于降低重心的考虑，将索塔设计成变壁厚的形式（下厚上薄），整个索塔的混凝土体积约6700立方米。
洪山桥的人行道位于桥中央两个索面之间，高出行车道约2m，为方便行人和确保行车顺畅，设计中在塔根部开了一个高9m、宽3m的过人孔（图3）。塔内还设有观光电梯，塔顶设有观景台。

由于桥址处地质条件良好，基岩露头，因而墙身基础采用了 31m（顺）*30m（横）* 9m（高）的扩大基础，在最不利组合荷载作用下，基底偏心距小于0.5m。
2.主梁
主梁为钢混叠合结构，桥中央设一条44m（高）*7.0m（宽）的矩形闭口钢箱梁（箱壁厚28mm），顺桥向每隔4m设一道
长12.9m的箱形钢挑梁，形成脊骨架结构体系。钢结构部分的母材为16Mnq钢，钢挑梁上布210mm厚混凝土桥面板，桥面板与钢挑梁间用φ22mm、间距为120mm的大头剪力钉连接。
无背索斜拉桥相对于常规斜拉桥来说，拉索吊点所能提供的刚度较小，因而在活载作用下，主梁内力变幅相对较大，普通钢筋混凝土结构难以承受这种大的内力变幅，易开裂，因而洪山桥的混凝土桥面板置于主梁接近中和轴的位置，从总体受力来看，桥面板只承受轴力，而钢箱梁承担了轴力、弯矩和扭转。为防止钢箱梁内出现过大的应力变幅而导致疲劳破坏，洪山桥与西班牙Alamillo桥一样，梁高定为4.4m。
钢箱梁的截面尺寸由扭转控制设计，包括扭转第一类稳定和横桥向扭转刚度。对于钢箱梁承压板的局部稳定问题，由于我国公路桥现未能作出计算规定，我们分别用《日本本州四国连络桥上部结构设计标准及解说》（1989年）和《美国公路桥梁设计规范》（1994年）作了计算，二者结果基本一致。

3.斜拉索
洪山桥为单索面结构，横桥向两排索间距为6m，顺桥向梁上索间跨为12m，共13对26根索，索的水平倾角均为25°，平行布置，索长65.9～289.8m，斜拉索采用φ7高强度低松弛镀锌高强钢丝，抗拉标准强度1670MPa，斜拉索采用241φ7和283φ7两种规格，匹配相应冷铸墩头锚锚具，斜拉索采用预制成品索，总用量约460t。
洪山桥是斜塔单边索斜拉桥，与常规斜拉桥的受力特点明显不同，因而斜拉索在塔和梁上的锚固方式（特别是塔上）值得认真斟酌。
经过多次分析计算，最后将拉索锚固在塔的中和轴上，这是与普通斜拉桥的区别之一，如果将拉索锚固在前箱壁上，锚固点集中力在塔箱截面上产生一个很大的附加力偶，由此产生的塔内弯矩可占总弯短的30％以上，造成塔在长期荷载作用下受力不良。因而将锚固点置于中和轴是十分必要的。
拉索的最大应力变幅Δσ为90MPa，较小，因而拉索的疲劳不控制设计。


五、模态特性分析计算结果
初步设计阶段，对洪山桥的受力特性作了全面的分析计算，用平面杆系有限元法作了梁、塔双控应力调索计算；用空间杆系有限元法作了模态特性和稳定、抗震计算；用板壳单元法作了主梁扭转计算；用8节点六面体单元法作了塔与索锚固点，塔梁固结块的局部应力计算等。
西班牙塞维利亚的Alamillo桥建于1992年，由Santiago Calatrava先生设计，是世界上第一座大跨度无背索斜塔斜拉桥，Alamillo桥主跨200m，桥宽32m，略小于洪山桥的建设规模，通过对洪山桥的动力模态特性作空间计算，发现与Alamillo桥的计算和实测结果基本一致，如表1所示。


六、科学研究
为确保洪山桥建设的安全，在大桥初步设计完成后，对下列三个问题作了专门的试验研究：
（1）全桥1：30相似模型试验。试验主要目的是考察大桥在施工和营运阶段整体受力性能，包括应力、变形、稳定和桥面板有效分布宽度等。
（2）塔梁固结块1：6节段模型试验。试验的主要目的是考察拉索水平分力传至塔根部后的分布规律，并考察钢箱梁的弯曲扭转受力特性是否与设计相符。
（3）节段和全桥模型风洞试验。确定各截面的气动参数，涡激共振风速，抖振最大振幅，颤振失稳临界风速，并给出最大风致内力结果。

七、结束语
洪山大桥已于1999年12月30日破土动工，由铁道部大桥局五处负责施工。按计划大桥将于200l年底建成，洪山大桥的建设将为我国的桥架事业发展作出贡献。

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