鄭永陽,扶名福

(1.南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院,南昌 330031;2.南昌市城市規(guī)劃設(shè)計研究總院,南昌 330038)

朝陽大橋主橋總體設(shè)計

鄭永陽1,2,扶名福1

(1.南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院,南昌 330031;2.南昌市城市規(guī)劃設(shè)計研究總院,南昌 330038)

朝陽大橋主橋總長1 208 m,對該橋設(shè)計采用的多項新材料、新工藝、新技術(shù)及其主要工程特點和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。針對并利用贛江水域?qū)掗?需涵蓋實測航跡線與規(guī)劃主航道,橋垮布置為79 m+5×150 m+79 m六塔單索面斜拉橋。主梁采用波形鋼腹板-PC組合梁;橋塔采用“合”造型;索距采用6.5 m,從建筑造型、材料用量和受力性能等方面最佳。為保證全橋結(jié)構(gòu)性能最優(yōu),結(jié)構(gòu)支承體系采用塔梁固結(jié)、梁墩分離形式,邊跨與中跨跨徑比值為0.53。

斜拉橋;組合結(jié)構(gòu);波形鋼腹板;箱形梁;斜拉索;支承體系;受力體系;設(shè)計

1 概述

朝陽大橋為南昌市“十橫十縱”干線性道路九洲大道快速路跨越贛江的交通聯(lián)系通道[1],其位于現(xiàn)有跨江大橋南昌大橋、生米大橋之間(距南昌大橋約2.5 km,距生米大橋約3.5 km),連接南昌市朝陽新城和紅角洲地區(qū),東與朝陽新城的九洲大街相接,西與紅角洲地區(qū)的前湖大道相接。朝陽大橋的建設(shè)對推進(jìn)南昌市“一江兩岸“規(guī)劃總體的實施,進(jìn)一步加快朝陽新城、紅角洲地區(qū)的發(fā)展,改善南昌市的投資環(huán)境,拓展城市發(fā)展空間,優(yōu)化城市布局均有重大意義。同時朝陽大橋的建成將極大地緩解跨江通道的交通瓶頸,減輕南昌大橋、生米大橋、八一大橋的交通壓力[2- 3]。

2 方案構(gòu)思

本項目橋位處贛江江面寬達(dá)1.6 km,距下游的連續(xù)梁橋南昌大橋約2.5 km,距上游的中承式拱橋生米大橋約3.5 km,根據(jù)橋址處自然條件,結(jié)合通航要求,主橋的通航孔橋方案為79 m+5×150 m+79 m波形鋼腹板-PC組合梁[4-8]六塔斜拉橋,見圖1。

朝陽大橋的橋塔造型是書法“合”字的變形,體現(xiàn)出崇尚海納百川,包容萬象的大同理念。主橋主塔造型“合”,寓意“帆合連進(jìn)”。多塔和單面拉索多樣組合,如同排列有序的船只縱橫在贛江江面,揚帆遠(yuǎn)航,帆合連進(jìn)。

圖1 朝陽大橋全景效果圖

本方案根據(jù)通航需求,將主跨確定為150 m,邊跨根據(jù)受力及構(gòu)造要求確定為79 m,最終跨徑布置為79 m+ 5×150 m+79 m的六塔七孔斜拉橋方案。該方案適航水域?qū)掗?涵蓋了實測航跡線與規(guī)劃主航道。近期采用二孔單向通航,遠(yuǎn)期根據(jù)航運發(fā)展及航道變遷的需要增設(shè)或調(diào)整通航孔,其設(shè)計通航孔方案能夠滿足橋區(qū)正常通航及遠(yuǎn)期發(fā)展的需要,橋梁平面布置合理。同時結(jié)合項目背景,文化理念,橋梁景觀等諸多因素分析,主橋整體上呈現(xiàn)很強的序列感和韻律感,并可以通過橋塔的造型設(shè)計,充分體現(xiàn)南昌地域文化特色和環(huán)境特色,橋梁整體與兩岸景觀結(jié)合融洽協(xié)調(diào)一致,總體布置見圖2。

圖2 主橋總體布置(單位:mm)

3 索距布置

3.1 索距總體布置方案設(shè)計

朝陽大橋索距布置初步設(shè)定為6.5 m和8.0 m,從橋梁外觀、材料用量和受力性能[9]3個方面進(jìn)行比選,下面分別給出了采用2種索距的橋梁在縱向的布置形式。

3.1.1 6.5 m索距布置方案

采用6.5 m索距的方案在每側(cè)設(shè)置9根拉索,塔梁結(jié)合部無索區(qū)的長度為11.5 m,跨中無索區(qū)的長度為10.0 m,橋塔根部在縱向的分布范圍為14.5 m。

3.1.2 8.0 m索距布置方案

采用8.0 m索距的方案在每側(cè)設(shè)置7根拉索,塔梁結(jié)合部無索區(qū)的長度為16.5 m,跨中無索區(qū)的長度為8.0 m,橋塔根部在縱向的分布范圍為13.0 m。

3.2 索距總體布置方案比選

3.2.1 建筑外觀比選

6.5 m索距方案塔梁結(jié)合部無索區(qū)的長度比橋塔根部在縱向的長度略小,從拉索區(qū)至橋塔根部的縱向間距分別為6.5、11.5 m和14.5 m,形成了視覺上的過渡,總體布置較為均勻。

在8.0 m索距方案中,塔梁結(jié)合部無索區(qū)的長度大于橋塔根部在縱向的長度,在拉索區(qū)至橋塔根部區(qū)域沒有形成視覺上的連續(xù)性,較為突兀。

3.2.2 材料用量比選

在6.5 m索距方案中,每側(cè)拉索為9根,在主梁上需布置9個鋼錨箱;在8.0 m索距方案中,每側(cè)拉索為7根,主梁上需布置7個鋼錨箱。從材料用量上來看, 6.5 m索距方案耗材較多,加工成本偏高。

3.2.3 拉索及鋼錨箱的受力性能比選

8.0 m索距單根拉索索力較大,鋼錨箱受力很大。在6.5 m索距方案中,拉索及鋼錨箱的受力狀態(tài)優(yōu)于8.0 m索距方案中的結(jié)果,同時拉索對主梁位移的控制較好。因此,采用6.5 m索距方案。

3.3 索距總體布置方案比選結(jié)論

從建筑造型、材料用量和受力性能3方面綜合考慮,采用6.5 m索距方案。

4 塔梁墩連接形式

上塔柱外輪廓為拋物線形的開叉方案[10],下塔柱采用隆起的鉆石造型,從而形成曲線柔和,雙臂合龍呈現(xiàn)出花苞的形態(tài)。斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系,從總體上可以分為漂浮體系,半漂浮體系,塔梁固結(jié)體系[11]和剛構(gòu)體系[12]。結(jié)合本方案的具體情況,景觀上要求按照單索面設(shè)計。漂浮、半漂浮體系顯然是不合適的,若采用剛構(gòu)體系,考慮到梁體以下塔身不高,剛度較大,在升降溫工況情況下將會產(chǎn)生很大的附加內(nèi)力,處理困難。因此,本方案最合理的結(jié)構(gòu)體系是塔梁固結(jié)、梁墩分離,雖然增加了制作構(gòu)造,但解決了附加溫度力的問題,結(jié)構(gòu)合理可靠。

下面給出3個可行方案,根據(jù)其結(jié)果進(jìn)行比較,得出結(jié)構(gòu)體系的選擇理由。

4.1 塔梁墩連接總體布置方案設(shè)計

(1)雙塔梁墩固結(jié)(圖3)

(2)獨塔梁墩固結(jié)方案(圖4)

(3)塔梁固結(jié)、梁墩分離方案(圖5)

圖3 雙塔梁墩固結(jié)方案總體布置

圖4 獨塔梁墩固結(jié)方案總體布置

4.2 塔梁墩連接總體布置方案比選

對橋梁采用單梁單元進(jìn)行模擬,使用MIDASCIVIL-2012進(jìn)行計算,橋梁有限元模型如圖6所示。

圖6 橋梁有限元模型

4.2.1 塔墩受力狀態(tài)(表1)

表1 整體升溫20℃塔墩受力狀況

從橋塔受力狀態(tài)來看,塔梁固結(jié)、梁墩分離方案中的應(yīng)力和彎矩較小。

4.2.2 主梁受力狀態(tài)(表2)

從主梁受力狀態(tài)來看,塔梁固結(jié)、梁墩分離方案中的應(yīng)力和彎矩較小。

表2 整體升溫20℃主梁受力狀況

4.3 塔梁墩連接總體布置方案比選結(jié)論

根據(jù)橋塔、橋墩和主梁在整體升、降溫作用下的受力狀態(tài),塔梁固結(jié)、梁墩分離方案最優(yōu),決定采用該方案。

5 斜拉橋受力體系

根據(jù)塔梁固結(jié)、梁墩分離方案,對橋梁進(jìn)行拉索、體外預(yù)應(yīng)力鋼筋配置方案進(jìn)行比選。

本橋為景觀橋,為了滿足建筑效果的需求,橋塔下部分叉的截面較小。橋塔分叉使橋塔下部的剛度增大,在荷載作用下邊塔將承擔(dān)較大的不平衡內(nèi)力,使該部位處于不利狀態(tài)。在滿足建筑效果的前提下,為了使橋塔分叉的受力狀態(tài)最優(yōu),制定了如下設(shè)計原則。

(1)使每個橋塔下部2個分叉構(gòu)件所受內(nèi)力盡量平衡,避免2個分叉構(gòu)件所受內(nèi)力相差過大而使該部位的混凝土壓應(yīng)力超標(biāo);

(2)在滿足條件(1)的原則下,使拉索和主梁在永久作用下的內(nèi)力處于合理范圍內(nèi);

(3)在滿足條件(1)、(2)的原則下,使主梁永久作用狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)和持久狀況下的應(yīng)力保持在合理范圍內(nèi),盡量使主梁滿足全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的設(shè)計要求。

5.1 斜拉橋受力體系方案設(shè)計

(1)斜拉橋體系

在本方案中,將斜拉索作為橋梁結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件,斜拉索對承載力貢獻(xiàn)較大的體系稱為斜拉橋結(jié)構(gòu)體系。按此思路進(jìn)行拉索和預(yù)應(yīng)力鋼筋的配置,使主梁基本滿足全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的設(shè)計要求。

(2)部分斜拉橋體系

斜拉索對承載力貢獻(xiàn)較小,以梁受力為主的體系稱為部分斜拉橋。在本方案中,張拉索力設(shè)定為斜拉橋體系方案中索力的80%,進(jìn)行拉索和預(yù)應(yīng)力鋼筋的配置,使主梁基本滿足全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的設(shè)計要求。

5.2 斜拉橋受力體系方案比選

5.2.1 材料用量比選

(1)拉索用量比選(表3)

表3 拉索布置方案(拉索型號)

2種方案的材料用量如表4所示。

表4 斜拉橋體系方案中拉索用量

從2種方案的拉索指標(biāo)來看,斜拉橋體系耗費拉索較多,拉索索力噸位和錨箱受力較大。

(2)預(yù)應(yīng)力鋼筋用量比選

在擬定的2種比選方案中,施工階段縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋均采用精軋螺紋鋼筋和鋼絞線混合布置,用量相同。下面僅對2種方案在成橋之后的縱向鋼束用量進(jìn)行比較,預(yù)應(yīng)力鋼筋材料用量如表5所示。

從2種方案的預(yù)應(yīng)力鋼筋指標(biāo)來看,部分斜拉橋體系耗費預(yù)應(yīng)力鋼筋較多。

(3)材料用量比選

表5 斜拉橋體系方案中縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋用量kg/m2

根據(jù)以上材料用量,進(jìn)行造價估算。拉索造價擬定為4萬元/t,鋼絞線造價擬定為1萬元/t。各方案造價比較見表6。

表6 各方案造價

根據(jù)以上估算價格,2種方案的造價相差不大,兩者無明顯差異。

5.2.2 主梁構(gòu)造形式比選

完全斜拉橋的預(yù)應(yīng)力鋼絞線指標(biāo)較低,從主梁的構(gòu)造形式來看,其主梁頂?shù)装宓念A(yù)應(yīng)力鋼筋管道間距在合理范圍內(nèi)。

部分斜拉橋的預(yù)應(yīng)力鋼絞線指標(biāo)明顯高于完全斜拉橋,主梁在跨中底板和支點頂板須布置較多預(yù)應(yīng)力鋼筋,管道間距過于密集,不利于混凝土的澆筑,若施工期間出現(xiàn)偏差,頂、底板易產(chǎn)生縱向裂縫。

從主梁構(gòu)造形式來看,完全斜拉橋體系較為合理。

5.2.3 上部結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)比選

(1)內(nèi)力狀態(tài)

在完全斜拉橋體系方案中,主梁主要受到軸力和彎矩的作用,所受剪力較小,橋塔受到的軸力較大,拉索噸位較大;在部分斜拉橋體系方案中,主梁受到的軸力、剪力和彎矩都比較大,橋塔受到的軸力較小,拉索的噸位較小。

(2)應(yīng)力狀態(tài)

在完全斜拉橋體系方案中,主梁應(yīng)力水平較低,橋塔應(yīng)力水平較高;在部分斜拉橋體系方案中,主梁應(yīng)力水平較高,橋塔應(yīng)力水平較低。

(3)位移狀態(tài)

在完全斜拉橋體系方案中,由于拉索剛度大,主梁和橋塔的徐變位移增量較小;在部分斜拉橋體系方案中,主梁和橋塔的徐變位移增量相對較大;2種方案在靜活載、人群和非機動車共同作用下的位移量十分接近。

根據(jù)以上分析可知,完全斜拉橋方案中主梁受力狀態(tài)較好,而部分斜拉橋方案中橋塔受力狀態(tài)較好。

5.3 斜拉橋受力體系比選結(jié)論

對于斜拉橋來說,主梁和橋塔均為主要受力構(gòu)件,主梁和橋塔的受力狀態(tài)均為控制因素,但主梁的受力狀態(tài)對橋梁的使用性能有明顯的影響,因此應(yīng)以主梁的受力狀態(tài)來選擇方案。對于橋塔和錨箱來說,可以適當(dāng)增大截面尺寸來提高承載力,降低整體應(yīng)力水平。

從材料用量、主梁構(gòu)造形式、結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)3方面綜合考慮,選用完全斜拉橋方案。

6 邊、中跨跨徑

6.1 邊、中跨跨徑方案設(shè)計

本橋為多塔連續(xù)斜拉橋,邊塔下部2排支座受力狀態(tài)的均衡性以及邊墩下部支座的反力儲備對結(jié)構(gòu)的安全性有巨大影響?？紤]到橋梁的建筑景觀需求,邊塔左右側(cè)拉索索距應(yīng)盡量保持一致,不宜通過減小邊跨索距來調(diào)整邊墩上方主梁無索區(qū)長度。因此,本設(shè)計擬定通過增大邊跨跨徑的方式對邊墩上方主梁無索區(qū)長度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,同時研究各種狀態(tài)下的支座反力分配情況,從而得出合理可行的方案。

下面將給出2種方案進(jìn)行布跨,設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為使邊墩支座不出現(xiàn)負(fù)反力并保持一定的壓力儲備,使橋梁的邊跨支座處于安全狀態(tài)。

(1)方案一:邊跨與中跨跨徑比值為0.60,即中跨跨徑為150 m,邊跨跨徑為90 m;

(2)方案二:邊跨與中跨跨徑比值為0.53,即中跨跨徑為150 m,邊跨跨徑為79 m;

6.2 邊、中跨跨徑方案比選

(1)邊墩支座受力狀態(tài)

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn),方案一中邊墩布置的4個支座均具備較大的反力,支座具有較高壓力儲備,在永久作用和可變作用下不會出現(xiàn)脫空。方案二中邊墩布置的4個支座具備的反力儲備較小,但在永久作用和可變作用下不會出現(xiàn)脫空。

(2)邊塔支座受力狀態(tài)

方案一中邊塔下部2排支座的反力不均衡性較大,偏差達(dá)到26%。由于橋塔下部支座的間距較大, 2排支座反力的差異會在橋墩頂部產(chǎn)生巨大的彎矩,對下部結(jié)構(gòu)的永久受力狀態(tài)極為不利。而方案二中邊塔下部2排支座的反力比較均勻,偏差小于5%,處于可接受范圍內(nèi)。

(3)中塔支座受力狀態(tài)

2種跨徑布置形式對中塔兩排支座的受力狀態(tài)影響不大,2種方案中2排支座反力的偏差不超過5%。

6.3 邊、中跨跨徑比選結(jié)論

根據(jù)邊墩、邊塔下部支座的受力狀態(tài),擬定采用第2種方案作為推薦方案。

在該方案中,宜將加大邊墩橫梁重力,增大邊墩的反力儲備,使結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

7 結(jié)論

朝陽大橋項目研究起于2010年,為適應(yīng)復(fù)雜的自然與建設(shè)條件,對多種橋梁結(jié)構(gòu)形式和施工方法進(jìn)行了系統(tǒng)比較分析,設(shè)計力求隨橋梁技術(shù)的發(fā)展,將先進(jìn)理念與經(jīng)驗合理應(yīng)用于工程之中,保證橋梁的技術(shù)經(jīng)濟、合理且耐久。朝陽大橋工程已于2012年12月開工,目前,項目施工正按計劃順利進(jìn)行。

[1] 上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院,南昌市城市規(guī)劃設(shè)計研究總院.朝陽大橋工程可行性研究報告[R].上海:上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院,2010.

[2] 上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院,南昌市城市規(guī)劃設(shè)計研究總院.朝陽大橋工程初步設(shè)計圖[Z].上海:上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院,2012.

[3] 上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院,南昌市城市規(guī)劃設(shè)計研究總院.朝陽大橋工程施工設(shè)計圖[Z].2013.

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Overall Design of Main Bridge of Chaoyang Bridge

ZHENG Yong-yang1,2,FU Ming-fu1
(1.School of Civil Engineering and Architecture,Nanchang University,Nanchang 330031,China; 2.Nanchang Urban Planning Design and Research Institute,Nanchang 330038,China)

The main bridge of Chaoyang bridge is totally 1208m long.This paper summarizes the new materials,new workmanships,new techniques,engineering characteristics and key techniques designed for the bridge.In view of and for better use of the wide Ganjiang River waters,including the test track and planned main channel,the main bridge is arranged to be a six-pylon cable-stayed bridge with spans of(79+5×150+79)m.The main girder is a corrugated steel web-PC composite beam.The pylons adopt the“diamond-shaped”model and the spacing of the stay cables is 6.5m to optimize the architectural modeling,material consumption and mechanical performance.The main girder is fixed with the pylon and separated from the pier,and the ratio of the side span and central span is 0.53 that guarantees the best structural performance of the whole bridge.

Cable-stayed bridge;Composite structure;Corrugated steel web;Box girder;Stay cable; Support system;Bearing system;Design

U448.27

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.022

1004-2954(2014)12-0089-05

2014-05-13;

2014-05-31

鄭永陽(1982—),男,博士研究生,E-mail:z_yong_y@ 163.com。