【摘要】本文介紹位于強風強震區的世紀大橋主孔斜拉橋的結構設計概況和特點，包括橋梁的設計條件、總體布置、邊主梁、主塔以及結構抗風、抗震設計特點。
【關鍵詞】世紀大橋 斜拉橋 邊主梁 結構設計
一、工程概況
世紀大橋位于海口市中心區西北、海甸河入海口處。跨越新港港區，南岸為濱海公園，南引橋穿過規劃中的濱海高層區與濱海立交相接，北岸與海甸島沿江五路平接。本橋為《海口市城市總體規劃》所選定的橋位，是海口市道路網絡工程的重要組成部分，是溝通海甸島與市中心區的南北主干道，與龍昆北路、海秀大道、和平路、沿江五路構成圍繞市區的環線。
世紀大橋主孔跨越新港港區，受通航凈高不小于24m、中孔雙向通航凈寬不小于310m。邊孔通航凈寬不小于130m、橋下通行3000t級海輪要求的限制，經多方案比選論證，最終選定的橋式方案為147＋340＋147（m）的斜拉橋。
本橋基礎工程已經施工完畢，正在進行主塔施工，預計2001年底前建成通車。
二、主要技術標準及設計條件
（1）橋上線路等級：城市主干道一級
（2）設計行車速度：60km/h
（3）橋面按六車道布置，兩側各設1.5m人行道
（4）橋面最大縱坡為3．5％，橫坡為2．0％
（5）通航標準：最高通航水位4.0m，通航凈高24m，通航凈寬單向130m、雙向310m。
（6）設計荷載
汽車荷載：汽-20級設計、掛-100驗算
人群荷載：3.5kN／平方米（不考慮全橋滿人荷載）
溫度荷載：體系升降溫±10℃，索與塔、梁溫差10℃，主梁上下緣及主塔左右側溫差5℃
船撞力按3000t級考慮
設計基本風速V10＝46.3m/s
地震荷載：根據橋址區地震安全性評價報告的結論：在100年使用期內超越概率為10％的地震烈度為8．3度，基巖加速度峰值為264gal；在50年使用期內超越概率為10％的地震烈度為7.91度，基巖加速度峰值為241gal。
三、結構設計
1．總體設計布置
本橋的結構體系為雙塔雙索面預應力混凝土邊主梁斜拉橋，其總體布置見圖1。其跨度組成為147＋340＋147m，橋面全寬為30．4m［1.6（索區）+1.85（人行道及欄桿）+11.5（機動車道）＋0.5（雙黃線）＋
11.5（機動車道）＋ 1.85（人行道及欄桿）＋ 1.6（索區）］。
主梁從抗震方面考慮盡量減少結構自重，降低結構的地震反應，從方便施工角度出發，采用預應力混凝土邊主梁結構形式，主梁寬跨比為1：11.2，高跨比為1：162；主塔從抗風方面考慮采用鉆石型混凝土框架結構和較矮的塔高，塔高H與跨度L之比為0.22；斜拉索采用空間扇形布置，與鉆石型主塔配合彌補主梁抗扭剛度的不足，提高結構的扭轉自振頻率和扭彎頻率比，為主梁的抗風穩定性提供較好的基礎，其在主梁上的間距為7.2m，采用平行鋼絲拉索體系。
主塔固結于沉井頂面，主梁通過豎向支座支承于主塔橫梁上，在其縱向設置一對彈性支承索提供水平彈性約束以降低結構的地震反應，側向設置抗風支座，主梁在邊墩處通過豎向拉壓支座和部分壓重解決邊墩負反力問題以利于結構抗震，并在側向設置抗風支座。由上述支承體系構成本橋的立面內為半飄體系，在橫向為三跨連續體系。
2．主塔設計
主塔采用鉆石型混凝土框架結構，混凝土強度等級采用C50；塔底高程為4.10m，塔頂高程為110．00m，主塔自沉井頂面至塔頂的高度為106．90m；在高程24．28m處設一道橫梁，將塔柱分為上、下兩部分，構成鉆石形狀；上塔柱傾斜率為1：4．883，下塔柱傾斜率為1：2．617。主塔結構見圖2。
下塔柱尺寸為縱向7．0m，橫向從塔底7．0m漸變至橫梁處5．0m，壁厚100m的箱形截面；中塔柱尺寸為縱向7.0m，橫向4.0m，壁厚70cm的箱形截面；上塔柱（索錨固區）尺寸為縱向7.0m，橫向4.0m，縱向壁厚130cm，橫向壁厚100cm的箱形截面；索與塔軸線的交點的間距為1．0～1.5m，采用箱內壁錨固形式。
4．斜拉索設計
斜拉索采用塑料護套半平行鋼絲束拉索體系，塑料護套為雙層熱擠PE形成，內層為黑色，外層為彩色。全橋斜拉索中的最大規格為241φ7。
四、結構計算分析
1．靜力分析
本橋的靜力計算主要進行了體系成橋狀態各工況的靜力分析、施工安裝計算、主塔橫向計算、主梁橫梁及橋面板計算，本文在此著重介紹本橋的體系成橋和施工安裝計算分析要點，其余為常規計算，本文在此從略。
體系成橋和施工安裝計算分析的計算圖式采用平面杯系模型，施工安裝計算采用無應力索長法；其理論基于微變形理論，對結構的非線性影響須作特殊處理；另外由于主梁采用邊主梁結構，其截面有效寬度的取值將直接影響結構的計算；為此在本橋計算過程中作了如下處理：
非線性影響主要從三個方面進行：一是斜拉索垂度影響采用割線彈性模量代替標準彈性模量；二是收縮徐受影響按《公規》上規定辦理；三是幾何大位移影響采用非線性分析程序進行分析，其結果與不考慮幾何非線性的結果相比較，本橋各控制截面計算內力比較結果為0．89～1.06，認為非線性系數取值1．1能夠滿足結構安全要求，因此在車橋計算中將活載增
大10％后進行計算分析。
本橋主梁截面有效寬度取值是根據《節段式混凝土橋梁設計和施工指導性規范》（1989美國各州公路和運輸工作者協會出版）第4.3.2條規定計算；計算結果為：中跨bf／b=0．97，bs/b=0．80，邊跨bf／b=0．92，bs/b=0．70（其中，b為翼緣寬，bf為跨中部有效翼緣寬，bs為支點處的效翼緣寬）。
2．局部應力分析及光彈試驗
本橋由于塔上錨固采用箱內錨固形式且錨固壁較薄；梁上錨固為適應美觀要求將錨精扣入梁體，為慎重起見，對斜拉索錨固區進行了局部應力分析及光彈試驗以驗證簡化計算模型和指導配筋。
3．結構抗風試驗研究分析
本橋地處我國遭臺風侵襲頻度最大的地區之一，臺風影響周期長，為確保大橋在施工全過程和成橋運營狀態下的抗風安全，進行了節段模型、全橋氣動彈性模型的風洞試驗和理論分析，對大橋成橋狀態、施工最大單懸臂狀態和施工最大雙懸臂狀態的抗風性能作出了全面的檢驗和判斷。
根據橋址區的氣象資料和《公路橋涵設計規范）推算得出橋位處的設計基本風速V10＝46．3m/s，由此推算到橋面高度處（平均高度為30m）的設計基準風速為Vd=55．2m／s，檢驗橋梁顫振穩定性的檢驗風速VC＝86m／s，施工階段顫振檢驗風速按10年重現期取用0.84倍成橋狀態的相應風速，為0.84［VC］＝72m／s。風洞試驗研究成果得出如下結論：
盡管大橋主梁采用抗扭剛度較低的預應力混凝土邊主梁結構，但是采用了抗扭性能良好的空間斜索面體系和"鉆石"型主塔，使結構仍然具有較高的整體剛度，尤其是抗扭剛度，從而使扭轉顫振臨界風速超出110m／s，遠大于顫振檢驗風速，在施工和成橋運營階段均具有足夠的抗風穩定性。
主梁斷面接近薄平板特性，具有良好的氣動外形，在自然風場中，大橋發生較大振幅渦激共振的可能性很小，可以不必考慮渦激共振對結構疲勞及運行舒適性的影響。
在模擬自然風的紊流場中，成橋狀態和施工階段兩個主要狀態的抖振響應實測值均比考慮Sears函數及不考慮Sears函數抖振響應理論分析的結果為小，因此抖振分析和風載內力計算采用考慮Sears函數抖振的結果。
從抖振分析和風載內力計算分析結果得出：在施工最不利最大雙懸臂階段的塔根縱向彎距極大值為53037t·m，施工期間需要進臺或采用其他抗風措施。
4．抗震研究分析
本橋因地處強震區，除按照我國現行規范的反應譜方法進行計算外，還對結構進行了地震時程反應分析。反應譜曲線和時程曲線由國家地震局地震研究所提交的《橋址區地震安全性評價報告》給出。考慮三種地震荷載組合，即縱向、45°向、橫向分別與豎向組合。結構各部位的地震反應經檢算均在容許范圍內。
五、特殊問題的技術處理
1．主塔塔柱傾斜度大的問題
由于主塔塔柱傾斜度較大，在施工體系轉換過程中若不進行恒載內力調整，主塔結構將難以承受結構自重產生的巨大彎距，為此在設計過程中進行了恒載內力調整的多方案比選。
2．主梁邊跨應力幅過大的問題
由于海口地區的石料絕大部分為火成巖，強度不高，C60混凝土的配制石料須從很遠的石料場運輸，為節省工程造價，僅在邊跨合龍段附近應力幅較大的區段采用C60混凝土，其余均采用C50混凝土。
3．邊域支座負反力問題
為解決邊墩支座負反力問題，通常做法為在梁體上施加壓重，但由于本橋邊跨橫跨水域且主梁為邊主梁結構，梁體施加壓重的區段若太長將給施工帶來很大困難，因此，在設計中采用拉壓球形支座的方案加以解決。本橋研制出的拉壓球形支座的技術參數為：豎向承壓力大于500t，豎向抗拉力大于250t，水平承載力為豎向承壓力的10％，轉角位移量±0..015rad，水平位移量±200mm。
4．強風強震問題
大橋的抗風抗震設計是一對矛盾的問題，從抗風角度出發，希望結構剛度和自重較大，但從抗震角度出發，又希望結構的剛度較柔和自重較輕。怎樣合理解決抗風抗震問題是本橋的設計重點。在綜合考慮各方因素后，本橋采用較輕柔的邊主梁、空間斜索面并配以"鉆石"型主塔以及在主塔與主梁交接處其縱向通過彈性支承索的連接等結構措施，并經過試驗研究論證得到證實是切實可行的。
根據結構抖振計算分析結果：本橋在施工最不利最大雙懸臂階段的塔根縱向彎距較大。為此對本橋各懸臂施工階段進行了抖振計算分析，考慮了包括在塔頂放置減振水箱、在主梁上設置抗風纜等抗風措施。最終確定的主梁懸臂施工期間的抗風措施為：在工期安排方面，將主梁懸臂施工第7號索至合龍的施工階段避開臺風期；另外在主梁懸臂施工至邊跨第11號索位置處插打交承樁，設計出一簡單方便的連接構造大風時與主梁連接、無風時解開，對結構的抖振反應進行控制，以確保大橋在施工期間抗風的安全。
參考文獻
「l」嚴國敏編著．現代斜拉橋．成都：西南交通大學出版社，1996
