【摘要】長沙市洪山大橋是一座無背索的斜塔斜拉橋，跨度206m，將于2001年底建成通車，本文簡要介紹了洪山大橋的主要設計特點。
【關鍵詞】無背索
斜塔 斜拉橋 設計 關鍵技術
一、大橋地理位置
長沙市洪山大橋是長沙市北二環線上的一座特大橋，跨瀏陽河，屬環線建設的關鍵工程之一，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，往東不到2km即為機場高速公路，往北不到3km是長沙世界之窗。因該橋地理位置十分重要，業主單位長沙市環線建設指揮部從提高省會城市品位的要求出發，決心將該橋建成長沙市的標志性景觀建筑物，后將湖南大學提出的無背索斜塔豎琴式斜拉橋方案提交市府辦公會議討論，獲得通過。
洪山橋的主橋跨徑達206m，建成后將位居同類型橋世界第一大跨徑。本文對該橋的總體設計和關鍵技術研究作一簡要介紹。
二、地質情況和其他自然條件
北岸主塔塔基地質情況簡述如下：
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強風化板巖，褐黃色，巖性為粉砂質板巖和泥質板巖，巖質軟，風化強烈，節理、裂隙極為發育，巖石破碎，采芯率低，層厚為1.8～6.9m，層頂標高為27.46～31.83m，容許承載力[σ0]=500KPa。②弱風化板巖，黃灰色、灰黃色、灰色，巖性為粉砂巖質板巖及泥質板巖，巖性脆，節理裂隙發育，鉆進速度較慢，層厚為2.5～11.0m，層頂標高為19.51～25.66mm，容許承載力[σ0］=1200KPa
。③微風化板巖，青灰色、灰色，巖性為粉砂質板巖及泥質板巖，巖石較新鮮、堅硬，板理發育。鉆進速度慢，巖芯多是塊狀，柱狀及碎塊狀，層頂埋深為13.5～22.0m，頂板標高為12.8～19.93m，地質勘察該展未揭穿，容許承載力[σ0］=2700KPa
。
橋址處百年一遇20m高10min平均最大風速為28m／s，主導風向為西北向。長沙地震基本烈度為Ⅵ度，本橋按Ⅶ度設防，橋址為Ⅱ類場地上。氣象方面，長沙地處亞熱帶地區，受季風影響，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、主要技本標準和分跨
1.道路等級：城市快速路
2.設計荷載：六車道汽——20級，掛車——120；人群荷載3.5kN／平方米，并以一輛3000kN特重車作驗算荷載。
3.橋寬及路幅組成
全橋寬：33.2m
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護欄和錨索區十4.0/2人行觀光道]=33.2m
4.設計車速：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）+30.305m（輔助孔）＝257.305m
7.計算跨徑：206m
四、主橋設計要點
l.索塔和基礎
索塔采用預應力混凝土箱形結構。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。對于無背索斜塔斜拉橋，塔的自重設計是關鍵
問題之一，為了確保索培處于良好的受力狀態，我們按照以下原則確定塔的自重；即當梁上
作用全部恒載和一半活載時，塔處于軸心受壓狀態，如圖2所示。
由幾何及平衡關系（拉索平行布置情形），可以得到：
索塔節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，將索塔設計成變壁厚的形式（下厚上薄），整個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索面之間，高出行車道約2m，為方便行人和確保行車順暢，設計中在塔根部開了一個高9m、寬3m的過人孔（圖3）。塔內還設有觀光電梯，塔頂設有觀景臺。
由于橋址處地質條件良好，基巖露頭，因而墻身基礎采用了 31m（順）*30m（橫）*
9m（高）的擴大基礎，在最不利組合荷載作用下，基底偏心距小于0.5m。
2.主梁
主梁為鋼混疊合結構，橋中央設一條44m（高）*7.0m（寬）的矩形閉口鋼箱梁（箱壁厚28mm），順橋向每隔4m設一道
長12.9m的箱形鋼挑梁，形成脊骨架結構體系。鋼結構部分的母材為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。
無背索斜拉橋相對于常規斜拉橋來說，拉索吊點所能提供的剛度較小，因而在活載作用下，主梁內力變幅相對較大，普通鋼筋混凝土結構難以承受這種大的內力變幅，易開裂，因而洪山橋的混凝土橋面板置于主梁接近中和軸的位置，從總體受力來看，橋面板只承受軸力，而鋼箱梁承擔了軸力、彎矩和扭轉。為防止鋼箱梁內出現過大的應力變幅而導致疲勞破壞，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控制設計，包括扭轉第一類穩定和橫橋向扭轉剛度。對于鋼箱梁承壓板的局部穩定問題，由于我國公路橋現未能作出計算規定，我們分別用《日本本州四國連絡橋上部結構設計標準及解說》（1989年）和《美國公路橋梁設計規范》（1994年）作了計算，二者結果基本一致。
3.斜拉索
洪山橋為單索面結構，橫橋向兩排索間距為6m，順橋向梁上索間跨為12m，共13對26根索，索的水平傾角均為25°，平行布置，索長65.9～289.8m，斜拉索采用φ7高強度低松弛鍍鋅高強鋼絲，抗拉標準強度1670MPa，斜拉索采用241φ7和283φ7兩種規格，匹配相應冷鑄墩頭錨錨具，斜拉索采用預制成品索，總用量約460t。
洪山橋是斜塔單邊索斜拉橋，與常規斜拉橋的受力特點明顯不同，因而斜拉索在塔和梁上的錨固方式（特別是塔上）值得認真斟酌。
經過多次分析計算，最后將拉索錨固在塔的中和軸上，這是與普通斜拉橋的區別之一，如果將拉索錨固在前箱壁上，錨固點集中力在塔箱截面上產生一個很大的附加力偶，由此產生的塔內彎矩可占總彎短的30％以上，造成塔在長期荷載作用下受力不良。因而將錨固點置于中和軸是十分必要的。
拉索的最大應力變幅Δσ為90MPa，較小，因而拉索的疲勞不控制設計。
五、模態特性分析計算結果
初步設計階段，對洪山橋的受力特性作了全面的分析計算，用平面桿系有限元法作了梁、塔雙控應力調索計算；用空間桿系有限元法作了模態特性和穩定、抗震計算；用板殼單元法作了主梁扭轉計算；用8節點六面體單元法作了塔與索錨固點，塔梁固結塊的局部應力計算等。
西班牙塞維利亞的Alamillo橋建于1992年，由Santiago
Calatrava先生設計，是世界上第一座大跨度無背索斜塔斜拉橋，Alamillo橋主跨200m，橋寬32m，略小于洪山橋的建設規模，通過對洪山橋的動力模態特性作空間計算，發現與Alamillo橋的計算和實測結果基本一致，如表1所示。
六、科學研究
為確保洪山橋建設的安全，在大橋初步設計完成后，對下列三個問題作了專門的試驗研究：
（1）全橋1：30相似模型試驗。試驗主要目的是考察大橋在施工和營運階段整體受力性能，包括應力、變形、穩定和橋面板有效分布寬度等。
（2）塔梁固結塊1：6節段模型試驗。試驗的主要目的是考察拉索水平分力傳至塔根部后的分布規律，并考察鋼箱梁的彎曲扭轉受力特性是否與設計相符。
（3）節段和全橋模型風洞試驗。確定各截面的氣動參數，渦激共振風速，抖振最大振幅，顫振失穩臨界風速，并給出最大風致內力結果。
七、結束語
洪山大橋已于1999年12月30日破土動工，由鐵道部大橋局五處負責施工。按計劃大橋將于200l年底建成，洪山大橋的建設將為我國的橋架事業發展作出貢獻。
參考文獻
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