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        宜昌廟嘴長江大橋大江橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與技術(shù)特點(diǎn)

        2015-08-29 10:41:28張曉勇舒思利易倫雄
        交通科技 2015年2期
        關(guān)鍵詞:加勁梁抗風(fēng)吊索

        張曉勇 舒思利 易倫雄

        (中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430056)

        1 工程概況

        宜昌市廟嘴長江大橋位于葛洲壩下游2.7 km處,距夷陵長江大橋4.9km。長江經(jīng)葛洲壩后被西壩分割為大江和三江,西壩長約3.4km,尾部為廟嘴,兩江經(jīng)過廟嘴后回流。廟嘴長江大橋工程連接宜昌市江南片區(qū)、西壩區(qū)及江北主城區(qū),起于東岳二路,沿線跨江南大道、跨越大江,穿西壩區(qū)、跨越三江,跨沿江大道、止于西陵二路,全長3 229.681m。橋址位于葛洲壩水利樞紐下游近壩河段,樞紐下泄水流條件十分復(fù)雜,根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》的選址規(guī)定,在此建橋要求一跨過江。同時(shí)橋址位于長江中華鱘自然保護(hù)區(qū)內(nèi),根據(jù)水產(chǎn)部門和環(huán)保部門的要求,水中亦不適合設(shè)置橋墩。據(jù)此,結(jié)合大江橋橋位處的水域?qū)挾燃皟砂妒杞馄矫娌贾?,?jīng)過橋梁方案比選,大江橋采用跨度布置為250m+838m+215m的單跨簡支鋼板結(jié)合梁懸索橋[1],大江橋立面布置見圖1。

        圖1 廟嘴長江大橋大江橋立面布置(單位:m)

        2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

        (1)道路等級(jí)。城市主干路,雙向6車道。

        (2)設(shè)計(jì)車速。60km/h。

        (3)荷載標(biāo)準(zhǔn)。汽車荷載城A級(jí)荷載;人群荷載2.875kN/m2。

        (4)橋面縱坡。點(diǎn)軍側(cè)坡度1.5%,西壩側(cè)坡度2.3%,橋面最高點(diǎn)位于橋跨中心;橋面橫坡:雙向2%。

        (5)凈空標(biāo)準(zhǔn)。橋面凈空不小于5m。

        (6)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)周期。100年。

        3 總體布置

        3.1 矢跨比

        本橋?yàn)閱慰珉p鉸懸索橋,主纜跨度布置為250 m+838m+215m。成橋狀態(tài)主纜中跨矢跨比為1/10,跨中處主纜中心點(diǎn)設(shè)計(jì)高程為+82.7m,塔頂處主纜中心理論交點(diǎn)高程為+166.5m,點(diǎn)軍側(cè)主纜理論散索點(diǎn)高程為+72.0m,西壩側(cè)主纜理論散索點(diǎn)高程為+63.5m。

        3.2 結(jié)構(gòu)體系

        主梁采用的支承體系為:在主塔處上、下游均設(shè)縱向活動(dòng)支座;主梁與主塔間上、下游均設(shè)置側(cè)向抗風(fēng)支座;主梁端部與主塔間設(shè)縱向液壓阻尼器。

        3.3 橫斷面布置

        橋面寬31.5m,設(shè)雙向6車道,兩側(cè)設(shè)人行道。車行道防撞護(hù)欄和人行道欄桿之間設(shè)吊索錨固區(qū)。

        4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        4.1 主纜

        主纜采用預(yù)制平行鋼絲索股(PPWS)法形成。全橋共2根主纜;每根主纜有127股通長索股;西壩側(cè)邊跨主纜內(nèi)力大,每根主纜增設(shè)4根同規(guī)格背索索股,錨在主索鞍上。每根索股由127根直徑為5.2mm的鍍鋅鋁合金高強(qiáng)鋼絲組成,鋼絲標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1 770MPa。索股用定型捆扎帶綁扎而成,使其斷面成正六邊形,兩端設(shè)熱鑄錨頭。在主要荷載組合作用下,主纜安全系數(shù)不小于2.5。中跨2根主纜橫向間距為26.0m。根據(jù)線路總體布置,點(diǎn)軍側(cè)散索點(diǎn)橫向間距調(diào)整為34m,西壩側(cè)散索點(diǎn)橫向間距調(diào)整為28m。

        4.2 吊索與索夾

        全橋共設(shè)51對(duì)吊索,吊點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)間距為16m,端部吊點(diǎn)至主塔中心的距離為19m。每一吊點(diǎn)設(shè)置2根吊索,全橋共204根吊索。每根吊索由151根直徑為5.0mm的鍍鋅鋁合金高強(qiáng)鋼絲組成,鋼絲標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1 770MPa,設(shè)計(jì)安全系數(shù)不小于3.0,兩端采用銷接式熱鑄錨頭。吊索外擠包8mm厚雙護(hù)層PE進(jìn)行防護(hù),PE內(nèi)層為黑色,外層為彩色。長度小于20m的吊索,在其上下端銷軸處設(shè)置能橫向轉(zhuǎn)動(dòng)±3°的軸承,以適應(yīng)在橫向風(fēng)力作用下主纜與加勁梁的橫向位移差所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角,并改善其疲勞性能。長度大于20 m的吊索,在吊索中部設(shè)置減振架,減振架將一個(gè)吊點(diǎn)的2根吊索互相聯(lián)系,以減小吊索的風(fēng)致振動(dòng)。在距橋跨中心16m的前后2個(gè)吊點(diǎn)處設(shè)置柔性斜扣索,形成纜梁聯(lián)結(jié)。全橋共有8根斜扣索;每根扣索由61根高強(qiáng)平行鋼絲組成,采用與吊索相同的雙層PE防護(hù),鋼絲技術(shù)要求也與吊索鋼絲相同??鬯魃隙瞬捎娩N接式熱鑄錨頭,下端采用承壓式熱鑄錨頭。

        索夾采用上下對(duì)合的結(jié)構(gòu)形式,用縮腰形的M42高強(qiáng)螺桿連接緊固。索夾壁厚均為35cm,材質(zhì)為ZG20Mn鑄鋼。連接吊索的索夾根據(jù)索夾長度不同分為8組,同一組索夾耳板銷孔位置略有變化,以適應(yīng)索夾傾角的變化。距橋跨中心16m處吊點(diǎn)的索夾與吊索和斜扣索連接。

        4.3 主索鞍

        主索鞍采用鑄焊結(jié)合結(jié)構(gòu);鞍頭用ZG270-480H鑄鋼鑄造,鞍身由Q345R鋼板焊成。主索鞍結(jié)構(gòu)見圖2。主索鞍長5.7m,寬2.8m,高3.25m,主纜中心線處鞍槽半徑6.5m。鞍槽內(nèi)各列索股間設(shè)豎向隔板以增加主纜與鞍槽間的摩阻力并方便索股定位。在索股全部就位并調(diào)股后,在頂部用鋅質(zhì)填塊填平,再將鞍槽側(cè)壁用螺栓夾緊。主索鞍設(shè)頂推反力裝置,鞍體下設(shè)不銹鋼板-聚四氟乙烯板滑動(dòng)副,以便于鞍座頂推。西壩側(cè)主索鞍設(shè)錨梁,用于錨固邊跨增加的4根背索索股。塔頂設(shè)有鋼格柵,用于安裝主索鞍。鋼格柵向邊跨側(cè)懸出塔頂以外;懸出部分設(shè)頂推反力架,以便安置控制鞍體移動(dòng)的千斤頂。主索鞍就位后,通過鎖定板固定鞍體,再割除格柵的懸出部分。為減輕吊裝運(yùn)輸重量,將鞍體沿豎直面分割成前后2件,每件重量控制在45t以下,吊至塔頂后用高強(qiáng)度螺栓拼接整體。

        圖2 主索鞍結(jié)構(gòu)(尺寸單位:mm)

        4.4 散索鞍

        散索鞍為擺軸式結(jié)構(gòu),采用鑄焊結(jié)合的形式,鞍槽用ZG270-480H鑄鋼鑄造,鞍身由Q345R鋼板焊成。散索鞍結(jié)構(gòu)見圖3。

        圖3 散索鞍結(jié)構(gòu)(單位:mm)

        理論散索點(diǎn)到散索鞍底混凝土面的距離為5.0m。鞍槽底最低處豎彎半徑從邊跨向錨跨分3次變化,半徑分別為7.0,5.0和3.0m;鞍槽側(cè)壁的平彎半徑為9.1m。

        為增加主纜與鞍槽間的摩阻力和方便索股定位,鞍槽內(nèi)設(shè)豎向隔板。隔板適應(yīng)散索線形,由邊跨到錨跨逐漸變厚。在索股全部就位并調(diào)股后,在頂部用鋅塊填平,上緊壓板及楔形塊等壓緊設(shè)施,再將鞍槽側(cè)壁用螺桿夾緊。

        4.5 錨固系統(tǒng)

        錨固系統(tǒng)采用鋼構(gòu)件錨固體系,由后錨梁和錨桿組成。后錨梁埋于錨碇混凝土內(nèi),錨桿一端連接在后錨梁上,另一端伸出錨體,與主纜索股相連接[2]。索股拉力通過錨桿傳遞到后錨梁,再通過后錨梁的承壓面?zhèn)鬟f到錨碇混凝土。后錨梁由2片[形梁通過綴板連接而成。錨桿采用H形截面,置于后錨梁的2片[形梁之間,2塊翼板與后錨梁2片[形梁的腹板焊接,錨桿內(nèi)力通過該焊縫傳遞給后錨梁。為了避免由于錨桿與錨體混凝土之間的粘結(jié)而導(dǎo)致錨桿周圍混凝土受拉開裂,在錨體混凝土澆注前,用超低模量高伸長率聚硫防腐密封膠蓋裹于錨桿外圍,再澆筑錨體混凝土。

        4.6 加勁梁設(shè)計(jì)

        加勁梁采用板式結(jié)構(gòu)的鋼-混凝土結(jié)合梁,由鋼梁與混凝土橋面板結(jié)合而成,斷面布置見圖4。加勁梁全寬33.2m,中心線處梁高3.08m,頂面設(shè)坡度為2%的雙向橫坡。鋼梁采用Q345qD鋼材,分段制造、安裝;標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長度為16.0m,節(jié)段間采用熔透對(duì)接焊連接?;炷翗蛎姘宀捎肅60混凝土,厚度為22cm,橫向?qū)?5m。

        混凝土橋面板通過圓柱頭剪力釘與鋼梁結(jié)合共同受力。橋面板分塊預(yù)制,橫向分2塊,縱向每個(gè)橫梁間隔1塊,濕接縫處現(xiàn)澆C60微膨脹混凝土與鋼梁結(jié)合。預(yù)制橋面板標(biāo)準(zhǔn)平面尺寸為2.64 m×11.74m,邊緣開有鋸齒狀剪力槽。

        圖4 1/2吊點(diǎn)處橫梁截面(尺寸單位:mm)

        4.7 主塔設(shè)計(jì)

        主塔作為懸索橋的主要傳力構(gòu)件,其基本功能是滿足結(jié)構(gòu)受力要求,在此基礎(chǔ)上由于其高聳的形象引人注目,起著象征、標(biāo)志的作用,是懸索橋景觀設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。懸索橋主塔不僅要運(yùn)用結(jié)構(gòu)學(xué)原理進(jìn)行設(shè)計(jì),滿足交通使用的要求,還要運(yùn)用美學(xué)原理進(jìn)行構(gòu)思,展現(xiàn)鮮明的地域文化特征,滿足人們觀賞的要求。大江橋主塔基本形態(tài)為門形框架,但采用一種別致新穎的構(gòu)建方式,集中突出“山石”的造型特征,反映宜昌的山水文化。主塔外形效果見圖5。

        圖5 主塔效果圖

        主塔由塔柱和上橫梁組成。塔柱采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),上橫梁采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。主塔高107.0m,塔頂高程為+163.5m。2塔柱內(nèi)側(cè)壁豎直,外側(cè)壁沿高度呈1∶53.5的坡度,塔柱間橫向凈距28m;采用梯形單箱雙室變截面,內(nèi)側(cè)縱向尺寸從塔頂7.5m漸變至塔底8.5m,外側(cè)縱向尺寸從塔頂6.5m漸變至塔底7.1m;橫向尺寸從塔頂5.0m漸變至塔底7.0m。上橫梁采用矩形箱形截面,中部8.0m為等截面,高8.5m,寬5.5m,壁厚均為1.0m;兩端各10.0m為變截面,高均為8.5m,寬由5.5m漸變?yōu)?.5 m,頂面和底面壁厚為1.0m,側(cè)面壁厚由1.0m漸變?yōu)?.5m。

        5 主要技術(shù)特點(diǎn)

        (1)抗風(fēng)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。自美國塔科瑪大橋風(fēng)毀事故后,對(duì)懸索橋加勁梁的抗風(fēng)穩(wěn)定性研究引起了各國的重視。多數(shù)橋梁設(shè)計(jì)者認(rèn)同板式加勁梁結(jié)構(gòu)因剛度小、抗扭能力差而容易出現(xiàn)顫振失穩(wěn)的觀點(diǎn)[3]??癸L(fēng)穩(wěn)定性是板式加勁梁設(shè)計(jì)需要解決的重要問題。影響板式加勁梁懸索橋抗風(fēng)穩(wěn)定性的因素有加勁梁的扭轉(zhuǎn)能力、加勁梁截面形狀的氣動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)體系方面的制振措施。廟嘴長江大橋大江橋加勁梁采用了如下有利于抗風(fēng)的措施:①采用22cm厚的實(shí)心混凝土橋面板,扭轉(zhuǎn)剛度大,同時(shí)恒載重,重力剛度大,對(duì)抗風(fēng)有利;②鋼梁兩側(cè)設(shè)置風(fēng)嘴和橋面板下方距中心線7m處設(shè)置抗風(fēng)穩(wěn)定板,均改善了加勁梁的氣動(dòng)外形;③在距橋跨中心16m的兩側(cè)吊點(diǎn)處設(shè)置斜扣索和在梁端設(shè)縱向阻尼器,有助于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)體系制振能力。抗風(fēng)試驗(yàn)研究結(jié)果見表1。研究結(jié)果表明廟嘴長江大橋加勁梁顫振穩(wěn)定性滿足要求。

        表1 全橋氣彈模型試驗(yàn)結(jié)果

        (2)主纜耐久性設(shè)計(jì)。大江橋主纜防腐通過鋼絲表面鍍層、主纜表面防腐涂裝和注入干燥空氣除濕3道措施保證。主纜表面防腐涂裝采用“不干性密封膏+圓形鋼絲纏絲+聚硫橡膠包覆層+防腐涂裝材料”,滿足《懸索橋主纜系統(tǒng)防腐涂裝技術(shù)條件》(JT/T 69-2007)的技術(shù)要求;而主纜內(nèi)注入干燥空氣除濕通過設(shè)置專門的除濕系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。國內(nèi)已建成懸索橋的主纜鋼絲普遍采用鍍鋅層防腐;但已有研究認(rèn)為,鍍鋅鋁合金鋼絲耐腐蝕性好于鍍鋅鋼絲,且鍍鋅鋁合金高強(qiáng)鋼絲在國外懸索橋主纜已有應(yīng)用實(shí)例,國內(nèi)僅泰州長江大橋主纜有1根索股試驗(yàn)性采用鍍鋅鋁合金高強(qiáng)鋼絲。為使大江橋使用壽命更長,大江橋主纜在國內(nèi)首次全部采用鍍鋅鋁合金高強(qiáng)鋼絲。

        6 靜力計(jì)算結(jié)果

        6.1 計(jì)算模型

        采用非線性有限元軟件BNLAS建模進(jìn)行整體靜力分析和計(jì)算。主纜用懸鏈線索單元進(jìn)行模擬,吊索以膜單元進(jìn)行模擬,主塔、基礎(chǔ)和加勁梁用梁單元進(jìn)行模擬??紤]加勁梁豎曲線、橋面橫坡等情況,邊界約束條件為:樁底固結(jié);主纜在錨固點(diǎn)固結(jié);加勁梁兩端約束豎向位移,橫向與塔柱連接。

        6.2 荷載

        (1)恒載。按各結(jié)構(gòu)構(gòu)件重量取值。

        (2)汽車活載。按公路-I級(jí)6車道加載計(jì)算,橫向折減系數(shù)0.55,縱向折減系數(shù)0.94。

        (3)人群荷載??傮w計(jì)算取2.875kN/m2,局部計(jì)算取4kN/m2。

        (4)溫度荷載。參考橋址處平均最高氣溫、平均最低氣溫,并考慮結(jié)構(gòu)本身的升溫、降溫特征,選取鋼結(jié)構(gòu)體系升溫30℃,降溫-30℃,混凝土結(jié)構(gòu)體系升溫20℃,降溫-20℃。

        (5)風(fēng)荷載。根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T D60-01-2004)的規(guī)定,宜昌v10=24.1 m/s,橋址處地表類別取為B類,參與汽車荷載組合的有車風(fēng)荷載基于橋面高度處的風(fēng)速vd=25 m/s。其他構(gòu)件的風(fēng)荷載根據(jù)以上風(fēng)速按規(guī)范求取。

        6.3 主要計(jì)算結(jié)果

        (1)位移結(jié)果。加勁梁在活載作用下的最大豎向撓度和風(fēng)荷載作用下的最大橫向變形見表2。

        表2 加勁梁撓度

        活載和溫度作用下,梁端位移和塔頂縱向位移見表3。

        表3 縱向位移 m

        (2)應(yīng)力結(jié)果。加勁梁在恒載+活載+溫度組合作用下,混凝土橋面板最大拉應(yīng)力為2.63 MPa,最大壓應(yīng)力為3.58MPa;鋼主梁最大拉應(yīng)力為105.47MPa,最大壓應(yīng)力為73.54MPa。主纜在恒載+活載+溫度組合作用下最大應(yīng)力為694.2MPa,安全系數(shù)為2.55。主塔主力組合作用下,最大壓應(yīng)力為16.44MPa,最小壓應(yīng)力為3.06MPa。主力+附加力組合作用下,最大壓應(yīng)力為17.97MPa,最小壓應(yīng)力為1.06MPa。計(jì)算結(jié)果表明,上述各項(xiàng)應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

        7 結(jié)語

        宜昌廟嘴長江大橋大江橋纜索在國內(nèi)首次全部采用鍍鋅鋁合金鋼絲,加勁梁采用鋼板梁與混凝土橋面板結(jié)合的板式結(jié)構(gòu)梁。上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)著重研究了懸索橋板式加勁梁抗風(fēng)穩(wěn)定性問題,采用的抗風(fēng)構(gòu)造措施簡單、有效,可為懸索橋加勁梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供借鑒。該橋于2012年11月開工建設(shè),目前正在進(jìn)行加勁梁吊裝,計(jì)劃2015年12月建成通車。

        [1]中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢市政設(shè)計(jì)研究院有限公司.宜昌市廟嘴長江大橋工程施工圖[Z].武漢:中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2013.

        [2]唐賀強(qiáng),曹洪武,萬田保.重慶寸灘長江大橋主橋設(shè)計(jì)[J].橋梁建設(shè),2013,43(3):71-76.

        [3]徐恭義.板式加勁梁懸索橋[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2010.

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