陳東巨

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070)

獨(dú)塔雙索面混合體系自錨式懸索橋設(shè)計(jì)與研究

陳東巨

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070)

以湖南某工程為背景，研究國(guó)內(nèi)較少采用的獨(dú)塔、雙索面混合體系自錨式懸索橋的設(shè)計(jì)方法，提出主跨采用鋼加勁梁邊跨采用混凝土梁、減小邊跨跨度、設(shè)置外伸跨等技術(shù)措施，降低加勁梁應(yīng)力水平，使得結(jié)構(gòu)更趨合理，同時(shí)節(jié)約了鋼材用量，大幅度降低了工程投資。

公路橋；獨(dú)塔；混合體系；自錨式懸索橋；設(shè)計(jì)

1 工程概況

國(guó)內(nèi)某跨河懸索橋，由西引橋、主橋和東引橋組成，主橋孔跨設(shè)計(jì)為20 m(混凝土錨跨)+240 m(鋼加勁梁)+(55+75) m(混凝土加勁梁)+30 m(混凝土外伸跨)自錨式懸索橋，橋面寬32 m，按雙向6車道布置，總體布置見(jiàn)圖1。

圖1 橋梁總體布置圖(單位：cm)

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

道路等級(jí)：城市主干道；設(shè)計(jì)行車速度：60 km/h；設(shè)計(jì)荷載：機(jī)動(dòng)車采用公路I級(jí)，人群荷載局部計(jì)算時(shí)4.0 kN/m2，整體計(jì)算時(shí)2.5 kN/m2。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 橋塔

圖3 鋼加勁梁吊點(diǎn)處斷面(單位：mm)

橋塔采用C50鋼筋混凝土門式結(jié)構(gòu)，外包16 mm厚鋼板。橋塔設(shè)上、下橫梁，上橫梁為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，下橫梁為全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，塔頂設(shè)置裝飾性塔冠。橋塔含塔冠總高118 m，分3節(jié)布置，第一節(jié)塔柱高45 m，第二節(jié)塔柱高35 m，第三節(jié)塔柱高32 m，塔冠高6 m。下橫梁高5 m，上橫梁高4 m，如圖2所示。

基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。單側(cè)橋塔基礎(chǔ)采用9根φ250 cm鉆孔灌注樁，雙側(cè)共18根。樁身采用C30水下混凝土，樁長(zhǎng)7.5 m，承臺(tái)厚6 m。

3.2 加勁梁

3.2.1 鋼加勁梁

主跨加勁梁為鋼箱梁，全長(zhǎng)228 m。鋼箱梁的兩端分別與伸過(guò)主塔和26號(hào)橋墩的混凝土箱梁通過(guò)鋼-混結(jié)合段連接。鋼-混結(jié)合段長(zhǎng)均為2 m。

鋼箱梁為單箱四室截面，中心梁高3.2 m，頂寬32 m，底寬19.8 m，兩側(cè)懸臂各長(zhǎng)4 m，外腹板為斜腹板，斜率為1∶0.88，內(nèi)腹板中心距為6 m，見(jiàn)圖3。

鋼箱梁頂板厚16 mm，底板與外腹板厚均為14 mm，內(nèi)腹板厚16 mm，懸臂處頂板厚12 mm。頂板、底板和外腹板均采用U形縱肋，與橫隔板共同組成正交異性鋼橋面板；鋼箱梁橫隔板間距3.0 m，吊索處采用板式橫隔板，厚14 mm，非吊索處采用框架式橫隔板，厚10 mm[1-6]。

3.2.2 混凝土加勁梁

邊跨、外伸跨、錨跨加勁梁及主跨鋼加勁梁兩端外各4 m均采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁?；炷料淞簽閱蜗渌氖医孛?，邊腹板采用斜腹板，截面形狀與鋼加勁梁一致。中心梁高為3.2 m，在主纜錨固橫梁處分別局部增加至6 m和5.5 m。

混凝土箱梁頂寬32 m，底寬19.8 m，翼緣長(zhǎng)3.5 m，外腹板為斜腹板，斜率為1∶0.88，與鋼箱梁一致。內(nèi)腹板中心距6.0 m，見(jiàn)圖4。

混凝土箱梁頂、底板厚均為26 cm，外腹板厚24 cm，內(nèi)腹板厚30 cm。翼緣板端部厚20 cm，根部厚66.5 cm。在各墩、各主纜錨固橫梁、主塔及鋼-混結(jié)合段附近，箱梁頂、底、腹板根據(jù)受力和構(gòu)造需要適當(dāng)加厚。

在每道吊索處各設(shè)置1道橫梁，間距9.0 m，在箱室內(nèi)厚40 cm，在下錨點(diǎn)加寬至1.2 m。吊索橫梁每側(cè)設(shè)2根吊索，吊索縱向中心距40 cm，錨固于翼緣根部的錨座上。邊跨主纜錨固橫梁厚9.0 m，主跨主纜錨固橫梁厚2 m[7]。

圖4 混凝土加勁梁非吊點(diǎn)處一般斷面(單位：cm)

3.2.3 鋼-混結(jié)合段

鋼-混結(jié)合段位置：鋼-混結(jié)合段均設(shè)在主跨內(nèi)，距橋塔中心4 m起為西側(cè)鋼混結(jié)合段，長(zhǎng)2 m，之后為鋼箱過(guò)渡段，長(zhǎng)6 m；距次中墩中心4 m起為東側(cè)鋼-混結(jié)合段，長(zhǎng)2 m，之后為鋼箱過(guò)渡段，長(zhǎng)6 m。

鋼箱梁的外輪廓鋼板在鋼-混結(jié)合段處套在混凝土箱梁之外，并伸入混凝土箱梁1.5 m；腹板伸入混凝土箱梁2.0 m，如圖5所示。

鋼箱梁的頂板、底板延伸段通過(guò)PBL剪力鍵及抗剪焊釘與混凝土梁體牢固結(jié)合，并利用穿過(guò)鋼-混結(jié)合段的縱向預(yù)應(yīng)力束加以錨固，形成彎矩的傳遞。鋼箱梁通過(guò)端承壓板緊貼在混凝土箱梁上，傳遞軸向力。梁中的剪力則通過(guò)端承壓板上的焊釘?shù)玫絺鬟f。

鋼箱梁及混凝土箱梁兩種梁體在剛度上的突變，則通過(guò)在鋼箱梁過(guò)渡段頂、底板的U形縱肋上加焊變高度的π形縱肋而得到緩解[8]。橋塔處鋼-混結(jié)合段縱斷面見(jiàn)圖5所示。

圖5 橋塔處鋼-混結(jié)合段縱斷面(單位：mm)

3.3 主纜、索鞍、吊索系統(tǒng)

主纜主跨跨度240 m，矢高19.2 m，矢跨比1∶12.5，邊跨跨度130 m，理論散索長(zhǎng)度主跨、邊跨分別為19、10 m。每根主纜由37根127絲φ5.3 mm的鍍鋅高強(qiáng)鋼絲組成。

主索鞍鞍體采用ZG270—500鑄鋼鑄造成型。橫肋、水平肋等為Q235-A鋼板焊接成。

吊索均采用雙吊索體系，吊索間距400 mm?？v橋向吊點(diǎn)間距在標(biāo)準(zhǔn)段取為9 m，橋塔距最近吊桿為12 m。邊跨吊索受力較大，采用15股7-φ5 mm PC鋼絞線，主跨吊索采用9股7-φ5 mm PC鋼絞線。

索夾采用上下兩半聯(lián)接，壁厚35 mm，下端設(shè)有耳板與吊索聯(lián)接[9]。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 懸索橋整體計(jì)算模型

對(duì)主橋建立模型進(jìn)行計(jì)算分析，建立有限元模型。主纜、吊索的索單元采用分段懸鏈線單元，加勁梁與主塔采用空間梁?jiǎn)卧?。主梁通過(guò)剛臂與吊索下端相連，形成魚骨模型。原點(diǎn)坐標(biāo)位于西側(cè)錨跨梁端頂面，X為縱向坐標(biāo)，沿橋大跨為正；Y為豎向坐標(biāo)，向上為正；Z為橫向坐標(biāo)，下游側(cè)為正。

4.2 計(jì)算結(jié)果及分析

4.2.1 梁的檢算

對(duì)梁的承載能力極限狀態(tài)、正常使用狀態(tài)、持久狀況進(jìn)行檢算，計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表1、表2、表3，混凝土的正截面抗彎承載力包絡(luò)圖、混凝土梁正截面抗壓承載力包絡(luò)圖詳見(jiàn)圖6、圖7[10-12]。

表1 承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)果 kN·m

表2 正常使用狀態(tài)計(jì)算結(jié)果 MPa

表3 持久狀況計(jì)算結(jié)果 MPa

圖6 混凝土梁正截面抗彎承載力

圖7 混凝土梁正截面抗壓承載力

4.2.2 主纜、吊索、主索鞍檢算

主纜采用48股127絲φ5.3 mm鍍鋅高強(qiáng)度鋼絲，抗拉強(qiáng)度=1 770 MPa，在最不利組合下下，最小安全系數(shù)為2.525，滿足規(guī)范不小于2.5的要求。

吊索安全系數(shù)均大于3，滿足規(guī)范對(duì)于銷鉸式吊索的安全系數(shù)要求。吊索考慮車輛活載作用下引起疲勞應(yīng)力幅，疲勞應(yīng)力幅均小于150 MPa。索夾抗滑安全系數(shù)3.05，大于3.0。

主鞍槽中主纜抗滑安全系數(shù)：空纜時(shí)K=4.93>2.0，成橋時(shí)K=2.33>2.0，運(yùn)營(yíng)時(shí)K=2.45>2.0，均滿足規(guī)范要求

4.2.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)論

由以上的計(jì)算數(shù)據(jù)分析，結(jié)構(gòu)受力合理，均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)主跨采用鋼加勁梁，邊跨采用混凝土梁，在保證主、邊跨受力平衡的基礎(chǔ)上，減小了邊跨跨度，節(jié)約了鋼材用量，大幅度降低了工程投資。

(2)為保證主跨的剛度及主纜錨固的需要，設(shè)置外伸跨是合理的。

(3)梁跨為混凝土加勁梁與鋼加勁梁混合梁體系，設(shè)計(jì)時(shí)采取構(gòu)造措施，確保成橋狀態(tài)時(shí)減小梁體彎矩，使梁體接近軸壓狀態(tài)，降低加勁梁應(yīng)力水平。

由于主跨采用鋼加勁梁、邊跨采用混凝土梁的結(jié)構(gòu)形式，鋼與混凝土如何連接是設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，通過(guò)設(shè)置過(guò)渡段、縱向預(yù)應(yīng)力錨固、PBL剪力鍵及抗剪焊釘?shù)染C合措施，保證了荷載的有效傳遞，確保了結(jié)構(gòu)的安全。目前該橋已經(jīng)完成了施工圖設(shè)計(jì)，正著手準(zhǔn)備開展后續(xù)各項(xiàng)工作。

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Design and Research of Mixed System Self-anchored Suspension Bridge of Single Tower and Double Cable Planes

CHEN Dong-ju

(China Railway Shanghai Design Institute Group Co.， Ltd.， Shanghai 200070)

Base on an actual project in Hunan， the design method of mixed system self-anchored suspension bridge with single tower and double cable planes is studied， and technical measures are proposed such as using steel stiffening beam in main span and concrete girder in side span， reducing the length of side span， setting up overhang span. As such， the stress level of stiffening beam is reduced， structure is more reasonable， steel consumption and project investment are significantly saved.

Highway bridge; Single tower; Mixed system; Self-anchored suspension bridge; Design

2014-12-30；

2015-01-21

陳東巨(1974—)，男，高級(jí)工程師，2001年畢業(yè)于蘭州鐵道學(xué)院橋梁與隧道工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail:cdjsty@qq.com。

1004-2954(2015)09-0072-04

U448.25

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.09.017