獨(dú)塔空間索面自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2012-06-29 08:14:12郭錦良

城市道橋與防洪 2012年4期

郭錦良

(廣州瀚陽工程咨詢有限公司，廣東廣州510620)

1 工程概況及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)唐山灣國(guó)際旅游島的總體規(guī)劃中四縱三橫、六點(diǎn)一片的交通體系，擬建設(shè)迎賓路跨海特大橋工程。該工程路線設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 605.824 m。其中，道路全長(zhǎng)為75.524 m，橋梁全長(zhǎng)為1 530.3 m。主橋橋長(zhǎng)330.3 m，采用獨(dú)塔空間索面自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)（見圖1）橋跨布置為：7.15 m（北邊跨牛腿）+108 m（混凝土加勁梁副跨）+168 m（混凝土加勁梁主跨）+40 m（主跨協(xié)作跨）+7.15 m（南邊跨牛腿）。

橋梁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：（1）一級(jí)公路兼城市主干道；（2）設(shè)計(jì)車速：60 km/h；（3）車道：雙向 4 車道；（4）年平均相對(duì)濕度：67%；（5）荷載標(biāo)準(zhǔn)：公路—Ⅰ級(jí)、人群 2.5 kN/m2。

橋面布置：3.0 m(人行道兼非機(jī)動(dòng)車道)+1.5 m(纜索保護(hù)區(qū))+8.0 m(車行道)+0.5 m(中央防撞護(hù)欄)+8.0 m(車行道)+1.5 m(纜索保護(hù)區(qū))+3.0 m(人行道兼非機(jī)動(dòng)車道)＝25.5 m。

2 結(jié)構(gòu)體系的選擇

17號(hào)橋墩處選擇墩梁固結(jié)。18號(hào)橋塔處：豎向采用支座支承，橫橋向設(shè)置限位裝置，縱橋向設(shè)置阻尼器。19號(hào)及20號(hào)橋墩處：豎向采用支座支承，橫橋向設(shè)置限位裝置，縱橋向設(shè)置阻尼器。

3 主要構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1 橋塔設(shè)計(jì)（見圖2）

橋塔外觀采用“菩提葉”形狀設(shè)計(jì)，以菩提葉的形狀呼應(yīng)當(dāng)?shù)仄刑釐u的佛教文化，梭形的橋塔又吸取了西方哥特式教堂的尖塔元素，表達(dá)了祥云島上復(fù)原圓明園與西方文化淵源。

橋塔上、下塔柱為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，塔高99.548 m，其中主體結(jié)構(gòu)高82.43 m，塔頂鞍罩高17.118 m。橋面設(shè)計(jì)高程以上部分塔高為76.968 m，其中塔柱部分高為59.85 m。塔底設(shè)計(jì)高程為0.84 m（采用85黃海高程系統(tǒng)），塔頂設(shè)計(jì)高程為100.388 m。下塔柱橫橋向外側(cè)壁厚度由2.3 m變化至2.0 m，內(nèi)側(cè)壁厚度由1.5 m變化至1.2 m，順橋向兩側(cè)壁厚度由2.1 m變化至1.6 m。上塔柱橫橋向外側(cè)壁厚度由2.0 m變化至1.5 m，內(nèi)側(cè)壁厚度由1.5 m變化至1.2 m，順橋向兩側(cè)壁厚度由1.5 m變化至1.3 m。塔柱內(nèi)室于距塔底31.699 m、43.699 m、55.699 m、67.699 m處各設(shè)置一道50 cm厚的水平隔板。塔柱標(biāo)準(zhǔn)截面外輪廓面積為30.25 m2，挖空率為23.3%。

3.2 橋墩設(shè)計(jì)

橋墩包含17號(hào)墩、19號(hào)墩和20號(hào)墩，其中17號(hào)墩為剛構(gòu)墩，19號(hào)墩及20號(hào)墩為支座墩。橋墩墩身均采用單薄壁實(shí)心墩結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)，17#墩身為A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，19#及20#墩為全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，橫截面呈圓端形布置，有助于減小水流阻力。薄壁墩墩身標(biāo)準(zhǔn)厚度為2.0 m，墩身總寬23.0 m，橋墩中部設(shè)置寬度為7.0 m的拱形門，增加了橋下的通透性和美觀性。

3.3 加勁梁設(shè)計(jì)（見圖3）

加勁梁采用C60混凝土結(jié)構(gòu)，包含中間節(jié)段（標(biāo)準(zhǔn)段）、北側(cè)主纜錨固塊、南側(cè)主纜錨固塊、A合攏段及B合攏段。加勁梁中間節(jié)段（標(biāo)準(zhǔn)段）采用單箱三室魚腹式斷面形式，橫截面中間處梁高為2.5 m，懸臂長(zhǎng)度采用2.765 m。頂板寬度為25.5 m，厚度為25 cm；底板寬度為20.1 m，厚度為25 cm；中腹板厚度為40 cm，邊斜腹板變厚。箱梁標(biāo)準(zhǔn)室寬為5.5 m。梁體橋塔處橫梁寬度為3.0 m，吊點(diǎn)處橫隔板厚度為40 cm，吊點(diǎn)處橫隔縱向間距為6.0 m。

3.4 主纜設(shè)計(jì)

該橋主纜采用預(yù)制平行索股逐根架設(shè)的施工方法（PPWS），其抗拉強(qiáng)度不小于1 670 MPa。主纜由3跨組成，副跨—主跨—主跨錨跨。副跨理論跨徑102.5 m，主跨理論跨徑168.0 m。綜合考慮主纜纜力、橋梁整體剛度、塔高等因素，經(jīng)分析比較后，主跨的理論垂跨比為1:10.45。

圖1 主橋橋型立面圖

圖2 塔柱截面及三維圖

圖3 加勁梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

全橋主纜共2根，每根主纜中含61股平行鋼絲索股，每股含127φ5.0 mm的鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，豎向排列成尖頂?shù)恼呅?。緊纜后，主纜為圓形，其直徑為 486 mm(索夾內(nèi))和 492 mm（索夾外）。

高鐵對(duì)琿春市旅游業(yè)產(chǎn)生了巨大影響，長(zhǎng)琿高鐵于2015年9月20日正式開通運(yùn)營(yíng)，對(duì)比2014年至2017年黃金周琿春市重點(diǎn)景區(qū)旅游數(shù)據(jù)可以看到，高鐵對(duì)琿春市旅游業(yè)的巨大推動(dòng)作用。

3.5 吊索及索夾設(shè)計(jì)

配合加勁梁梁段的劃分及長(zhǎng)度，主跨設(shè)順橋向間距6 m的24個(gè)吊點(diǎn)，副跨設(shè)順橋向間距6m的16個(gè)吊點(diǎn)。所有吊索均采用109φ5.0鍍鋅平行高強(qiáng)鋼絲并帶HDPE護(hù)套的成品索。全橋共160根（80組）吊索，吊索抗拉強(qiáng)度不小于1 670 MPa。

索夾由于吊索拉力及主纜傾角不同，索夾長(zhǎng)度和螺桿數(shù)量均不相同。為便于制造和施工，將相近長(zhǎng)度的索夾并為：索夾A～I(xiàn)共九類，其中索夾H為散索套（鞍）附近的無吊索索夾（兼有連接防護(hù)套功能），索夾I為主索鞍出口處楔形密閉式索夾（連接防護(hù)套）。索夾采用上、下對(duì)合型設(shè)計(jì)，通過M36螺桿進(jìn)行連接，每根M36螺桿設(shè)計(jì)最終預(yù)緊力為450 kN。在吊索安裝張拉完畢及主纜防護(hù)前，分兩次再?gòu)埨?，補(bǔ)足螺桿預(yù)緊力。

3.6 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

橋塔承臺(tái)長(zhǎng) 22.75 m、寬16.5 m、高7.0 m，其中加臺(tái)部分高為3.0 m，兩個(gè)承臺(tái)間加設(shè)橫向聯(lián)系梁，系梁高4.0 m，寬6.0 m。橋塔基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁徑為D2.5 m,計(jì)算樁長(zhǎng)100 m，樁間距為6.25 m，單樁樁頂豎向力設(shè)計(jì)值按23 500 kN控制，每個(gè)承臺(tái)下設(shè)置12根樁，共計(jì)24根樁。

橋墩承臺(tái)長(zhǎng)24.4 m、寬8.7 m、高4.0 m，橋墩基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁徑為D2.0 m，橫橋向樁間距為5.3 m，縱橋向樁間距為5.5 m。單樁樁頂豎向力設(shè)計(jì)值按15 000 kN控制，每個(gè)承臺(tái)下設(shè)置10根樁。

4 模型介紹

主橋整體分析采用兩種計(jì)算方法：（1）大位移理論，該橋施工階段模擬采用大位移理論考慮施工階段的大位移（幾何非線性）特性。（2）線性有限位移法，成橋階段采用線性有限位移法將成橋狀態(tài)下的主纜和吊索內(nèi)力轉(zhuǎn)換為幾何剛度后做線性分析。該橋采用Midas civil橋梁分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算（見圖4）。實(shí)際建模過程中，將主梁、橋墩及橋塔按三維梁?jiǎn)卧M；將主纜及吊索按三維索單元模擬。主梁共劃分115個(gè)梁?jiǎn)卧?，橋塔共劃?3個(gè)梁?jiǎn)卧瑯蚨站鶆澐譃?個(gè)梁?jiǎn)卧?，主纜共劃分為88個(gè)索單元，吊索共劃分為80個(gè)索單元。

圖4 Midas civil程序中主橋三維圖

采用Midas civil橋梁分析軟件對(duì)獨(dú)塔類型的懸索橋成橋線形進(jìn)行求解時(shí)，往往會(huì)遇到很多困難。該橋通過采用“平良法”操作技巧，避免了很多問題?！捌搅挤ā钡牟僮鞑襟E：（1）利用建模助手建立第一個(gè)雙塔模型用于尋找獨(dú)塔主跨主纜線形，按目標(biāo)參數(shù)調(diào)整雙塔模型的主纜線形，使其邊跨主纜線形接近獨(dú)塔主跨主纜線形。（2）利用建模助手建立第二個(gè)雙塔模型用于尋找獨(dú)塔邊跨主纜線形，以步驟1的主纜水平力為目標(biāo)更新第二個(gè)雙塔模型的主纜線形。（3）利用建模助手建立第三個(gè)雙塔模型，通過刪除另一半得到獨(dú)塔的全橋模型，并將步驟（1）、（2）所得的雙塔模型的邊跨主纜線形、初始內(nèi)力及吊索的初始內(nèi)力更新至獨(dú)塔的全橋模型中的“懸索橋分析”。（4）運(yùn)行步驟（3）的模型，主纜及吊索的初始內(nèi)力將發(fā)生變化。（5）利用步驟（4）各吊索初始內(nèi)力的變化量，調(diào)整各吊索承擔(dān)的恒載，重復(fù)步驟（1）～（4），直至步驟（4）的變化量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 主要荷載確定

（1）結(jié)構(gòu)自重：預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)按26 kN/m3計(jì)算自重，普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)按25 kN/m3計(jì)算自重；鋼結(jié)構(gòu)按78.5 kN/m3計(jì)算自重。

（2）二期恒載：按40 kN/m取用。

（4）預(yù)應(yīng)力：預(yù)應(yīng)力管道采用塑料波紋管成形，管道摩擦系數(shù)u=0.17，管道偏差系數(shù)K=0.001 5，錨具變形和鋼束回縮量為6 mm（單端），管道壓漿采用真空灌漿工藝。

（5）基礎(chǔ)變位：主橋主塔不均勻沉降按25 mm考慮，邊墩不均勻沉降按20 mm考慮；運(yùn)營(yíng)階段基礎(chǔ)沉降率估算見表1所列。

表1 運(yùn)營(yíng)階段基礎(chǔ)沉降量估算一覽表

（6）汽車荷載：整體計(jì)算采用公路—I級(jí)車道荷載，按4車道計(jì)算，計(jì)算時(shí)考慮車道荷載的縱、橫向折減系數(shù)，汽車沖擊力按規(guī)范取值，橫向計(jì)算及局部計(jì)算時(shí)采用車輛荷載計(jì)算，汽車沖擊力按規(guī)范取值1.3。

（7）汽車制動(dòng)力：?jiǎn)诬嚨乐苿?dòng)力按加載長(zhǎng)度上的豎向靜活載的10%計(jì)算，并不小于165 kN，多車道按規(guī)范乘以以下系數(shù)取值，同向2車道為2，同向3車道為2.34，同向4車道為2.68。

（8）人群荷載：?jiǎn)蝹?cè)人群線荷載為8.63 kN/m。

（9）橋址處設(shè)計(jì)基本風(fēng)速按《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T D60-01-2004)附錄A取值，按100 a重現(xiàn)期的26.7 m/s風(fēng)速取值，并按《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T D60-01-2004)相關(guān)規(guī)定計(jì)算加勁梁、橋塔及拉索縱橋向及橫橋向的風(fēng)荷載。

（10）整體升降溫：橋址處多年平均氣溫10.2℃，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度為10℃；混凝土梁體系升溫20℃、體系降溫-20℃。

（11）溫度梯度：混凝土結(jié)構(gòu)豎向溫差按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》計(jì)算。

（12）構(gòu)件溫差：主纜與混凝土加勁梁、混凝土橋塔間的溫差取±15℃。

（13）地震作用：地震動(dòng)峰值加速度為0.15 g。

（14）船只撞擊作用：橫橋向撞擊力為6 424 kN，順橋向撞擊力為4 818 kN。

6 主要施工步驟

（1）施工橋塔樁基礎(chǔ)及橋墩樁基礎(chǔ)；（2）分層澆筑橋塔承臺(tái)基礎(chǔ)及橋墩承臺(tái)基礎(chǔ)；（3）施工橋塔下塔柱及下橫梁；（4）施工橋塔上塔柱節(jié)段和橋墩墩身；（5）搭設(shè)加勁梁澆筑支架,并對(duì)支架進(jìn)行預(yù)壓；（6）施工加勁梁節(jié)段構(gòu)件；（7）繼續(xù)施工橋塔上塔柱節(jié)段；（8）施工加勁梁北、南側(cè)錨固塊；（9）繼續(xù)施工橋塔上塔柱節(jié)段；（10）澆筑加勁梁北、南側(cè)合攏段；（11）施工橋塔上橫梁；（12）安裝主索鞍及散索套的下半部；（13）安裝貓道；（14）架設(shè)主纜索股，調(diào)整主纜線形及錨固跨拉力；（15）安裝副跨散索套和主跨散索套的上半部，并擰緊螺栓；（16）緊纜及安裝索夾；（17）安裝吊索；（18）拆除主梁支架及橋塔下橫梁支架；（19）施工橋面系。

7 主纜成橋線形及空纜坐標(biāo)

主纜成橋線形見圖5所示?？绽|坐標(biāo)見表2所列。

8 主纜中心索股及吊索無應(yīng)力長(zhǎng)度

8.1 主纜中心索股無應(yīng)力長(zhǎng)度（見圖6，表3）

8.2 吊索無應(yīng)力長(zhǎng)度（見表4）

9 主要構(gòu)件力學(xué)分析結(jié)果（見表5～9）

該橋的加勁梁、主纜、吊索及基礎(chǔ)等構(gòu)件由靜力工況控制設(shè)計(jì)，各個(gè)計(jì)算指標(biāo)均滿足要求；橋塔塔柱及橋墩構(gòu)件則由地震工況控制設(shè)計(jì)。其中，橋墩按能力保護(hù)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。經(jīng)分析，E1地震組合作用下，橋墩處于彈性受力階段；E2地震組合作用下，橋墩潛在塑性鉸區(qū)域進(jìn)入塑性受力階段，其轉(zhuǎn)角、側(cè)移及抗剪能力均滿足規(guī)范要求。