劉建軍,周 瀟,王學(xué)敏
(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司, 貴州 貴陽(yáng) 550081;2. 貴州大學(xué)土木建筑學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550025)
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六廣河特大橋方案設(shè)計(jì)與計(jì)算
劉建軍1,周 瀟1,王學(xué)敏2
(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司, 貴州 貴陽(yáng) 550081;2. 貴州大學(xué)土木建筑學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550025)
六廣河特大橋是目前貴州省內(nèi)跨徑最大的疊合梁斜拉橋,是息烽至黔西高速公路上的控制性工程,橋區(qū)地質(zhì)地形復(fù)雜,施工場(chǎng)地狹小,運(yùn)輸條件差,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件,研究了3種不同的主梁方案,綜合考慮最終采用242+580+242 m的全疊合梁的方案。對(duì)其方案研究、抗風(fēng)性能及其結(jié)構(gòu)計(jì)算作簡(jiǎn)要介紹,以期為后續(xù)類似橋梁的建設(shè)提供參考。
斜拉橋;疊合梁;設(shè)計(jì);計(jì)算
六廣河特大橋位于貴州省江口至都格高速公路息烽至黔西段K39+300處,為跨越六廣河峽谷而設(shè)。設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h,橋梁設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級(jí),雙向4車(chē)道。橋位處為“V”型峽谷,峽谷深且寬,橋面至河面高度達(dá)330 m,峽谷兩側(cè)均為陡峭的山體,谷頂兩岸為相對(duì)較緩的山坡。
1.1 橋型方案考慮因素
(1)六廣河特大橋橫跨六廣河,不受水位控制,其孔徑布置受兩岸地形和地質(zhì)控制。在選擇合理的孔跨布置時(shí),首要考慮的是結(jié)構(gòu)安全經(jīng)濟(jì),應(yīng)將主墩位放置于岸坡穩(wěn)定、地形較坦、施工安全方便,減小施工風(fēng)險(xiǎn),是本橋橋型方案設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)。
(2)橋位區(qū)地形陡峭,橋位縱斷面呈V形,兩岸不良地質(zhì)發(fā)育。孔跨布置應(yīng)盡量使兩岸主墩位置避開(kāi)不良地質(zhì)和陡峭地形,確保結(jié)構(gòu)安全,減少基礎(chǔ)處理費(fèi)用,并便于施工。
(3)橋型方案選擇在考慮安全經(jīng)濟(jì)的同時(shí),盡量在結(jié)構(gòu)造型上選擇施工方便、造型美觀、對(duì)環(huán)境破壞小的方案。
1.2 主跨跨徑的確定
擬建橋位岸坡整體穩(wěn)定,橋位地形較復(fù)雜,橋梁跨越一V型河谷,兩岸縱坡較陡,地形起伏較大,局部存在裂隙、順層陡崖的情況。為保證主塔的安全性,主塔設(shè)置位置避開(kāi)不良地質(zhì)段,切留有一定的安全距離。橋梁孔跨布置時(shí),為保證結(jié)構(gòu)安全,減小施工風(fēng)險(xiǎn),考慮到縱橫坡的影響及橋梁下部結(jié)構(gòu)尺寸,橋梁主跨不應(yīng)小于580 m。
對(duì)于主跨580 m的大跨徑橋梁,采用疊合梁斜拉橋相對(duì)鋼桁梁懸索橋造價(jià)低,基礎(chǔ)施工對(duì)環(huán)境的破壞小,因此最終研究推薦方案的主跨580 m疊合梁斜拉橋方案。根據(jù)橋位處的地質(zhì)地形條件,方案階段研究了3種不同主梁截面的方案。三個(gè)方案主跨580 m均采用疊合梁主梁,不同的是在邊跨上主梁有所不同。
方案一邊跨部分采用混凝土π型梁(距離梁端90.1 m范圍),部分采用疊合梁(距主塔105.4 m范圍)。橋跨布置為6×40 mT梁+(83.5+113+580+113+83.5)m混合式疊合梁斜拉橋,橋梁全長(zhǎng)1 227.4 m。主橋邊跨/中跨=0.339。主梁疊合梁部分采用橋面吊機(jī)吊裝施工,邊跨混凝土主梁采用支架現(xiàn)澆施工。
方案二邊跨全部采用混凝土π型梁,橋跨布置上和方案一相同,布置為6×40 mT梁+(83.5+113+580+113+83.5)m混合式疊合梁斜拉橋,橋梁全長(zhǎng)1 227.4 m。
方案三邊跨全部采用疊合梁主梁,由于上部均采用疊合梁,根據(jù)邊跨配重的需要,邊跨/主跨一般都在0.4以上,(國(guó)內(nèi)松花江大橋?yàn)?.536,觀音巖大橋?yàn)?.44,青州閩江大橋?yàn)?.428,紅水河大橋?yàn)?.42),按目前最小的0.42的邊中跨比,最終邊跨確定為242 m。橋跨布置為5×40 mT梁+242+580+242 m疊合梁斜拉橋,橋梁全長(zhǎng)1 280.4 m。
方案一和方案二的優(yōu)點(diǎn)是:混合式疊合梁斜拉橋能較好的滿足地形,黔西岸不需要開(kāi)挖進(jìn)山體架設(shè)主梁,不與黔西岸服務(wù)區(qū)發(fā)生干擾??筛鶕?jù)調(diào)整截面的尺寸即可滿足中跨配重的需要。黔西岸現(xiàn)澆段主梁支架最高40 m左右,臨時(shí)措施費(fèi)較低。本方案主梁工程造價(jià)估算略低。缺點(diǎn)是:息烽岸現(xiàn)澆段支架高度高,高支架的施工風(fēng)險(xiǎn)很大。另外,由于息烽岸現(xiàn)澆支架高,臨時(shí)措施費(fèi)高,施工臨時(shí)措施成本控制難度較大。
方案三的優(yōu)點(diǎn)是:上部主梁全部采用橋面吊機(jī)吊裝施工,施工經(jīng)驗(yàn)成熟,施工風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)頂推、支架現(xiàn)澆主梁的施工風(fēng)險(xiǎn)小。缺點(diǎn)是:黔西岸邊跨地形陡峭,若采用242 m的邊跨則主梁伸進(jìn)挖方路段50 m左右,與地形不太協(xié)調(diào)。
綜上分析,在工程造價(jià)出入不大的情況下,方案三的全疊合梁方案施工安全,工程臨時(shí)措施費(fèi)可控,因此施工圖階段采用主跨580m全疊合梁斜拉橋方案作為本橋設(shè)計(jì)方案。
3.1 全橋靜力計(jì)算
主橋采用橋梁博士計(jì)算軟件,以平面桿系計(jì)算圖示進(jìn)行靜力分析。模型共有617個(gè)單元,528個(gè)節(jié)點(diǎn),其中鋼梁和主塔均采用梁?jiǎn)卧M,斜拉索采用索單元模擬,程序自動(dòng)計(jì)入斜拉索垂度效應(yīng)產(chǎn)生的非線性影響。施工階段:劃分198個(gè)階段模擬。 邊界條件:施工階段:塔墩墩底固結(jié)、塔梁臨時(shí)固結(jié);成橋階段:塔墩墩底固結(jié),塔梁、邊墩和輔助墩豎向約束。
由于本橋邊跨較小,根據(jù)梁?jiǎn)卧?jì)算模型,結(jié)果表明在過(guò)渡墩頂支點(diǎn)處鋼主梁下緣壓最大,達(dá)到207 MPa,其它部位應(yīng)力水平均較小。為了降低鋼主梁在此支點(diǎn)處的局部應(yīng)力,在支座上鋼板與鋼梁下緣之間設(shè)置了50 mm厚的鋼板墊層,以擴(kuò)散支座集中力。
3.2 抗風(fēng)穩(wěn)定性分析
六廣河大橋跨越峽谷,橋面距水面高度達(dá)330 m,峽谷風(fēng)對(duì)橋梁的影響較大,有必要開(kāi)展抗風(fēng)性能的各項(xiàng)研究。本項(xiàng)工作在同濟(jì)大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室完成。
(1)顫振穩(wěn)定性分析
利用已計(jì)算出的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性及各個(gè)風(fēng)攻角下的氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)進(jìn)行顫振三維耦合顫振穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算,其計(jì)算分別選取的對(duì)主梁顫振影響較大的豎彎和扭轉(zhuǎn)振型。通過(guò)顫振分析可以得到各個(gè)不同風(fēng)攻角下的主梁各階模態(tài)頻率與阻尼隨風(fēng)速變化曲線。
通過(guò)計(jì)算分析將三維耦合顫振穩(wěn)定性分析結(jié)果,成橋顫振臨界風(fēng)速-3°時(shí)為92.3 m/s,0°時(shí)為71.0 m/s,+3°時(shí)為60.4 m/s,均小于成橋顫振檢驗(yàn)風(fēng)速55.3 m/s。施工顫振臨界風(fēng)速-3°時(shí)為90.0 m/s,0°時(shí)為67.5 m/s,+3°時(shí)為63.8 m/s,均小于成橋顫振檢驗(yàn)風(fēng)速53.5 m/s。該橋顫振穩(wěn)定性滿足要求。
(2)渦振穩(wěn)定性檢驗(yàn)
針對(duì)本橋的主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面進(jìn)行了節(jié)段模型測(cè)振風(fēng)動(dòng)試驗(yàn),利用加勁梁節(jié)段模型模擬成橋狀態(tài)、施工狀態(tài)斷面形式。節(jié)段模型渦振風(fēng)洞試驗(yàn)包括-3度、0度和+3度風(fēng)攻角,渦振試驗(yàn)工況主要都在均勻流場(chǎng)中進(jìn)行,針對(duì)設(shè)計(jì)斷面還展開(kāi)了紊流場(chǎng)下的渦激振動(dòng)測(cè)試,試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容為渦激共振風(fēng)速及其響應(yīng)。
成橋狀態(tài)的均勻流場(chǎng)風(fēng)洞試驗(yàn)中觀測(cè)到了明顯的渦振。其中風(fēng)攻角-3°,渦振出現(xiàn)風(fēng)速區(qū)11~14 m/s,最大振幅0.075 m;風(fēng)攻角0°,渦振出現(xiàn)風(fēng)速區(qū)12~15 m/s,最大振幅0.089 m;風(fēng)攻角+3°,渦振出現(xiàn)風(fēng)速區(qū)18~26 m/s,最大振幅0.06 m,均滿足規(guī)范要求。扭轉(zhuǎn)渦振只有在風(fēng)攻角-3°,風(fēng)速區(qū)12~25 m/s時(shí)出現(xiàn)最大扭轉(zhuǎn)0.075°,0°和+3°風(fēng)攻角下未發(fā)現(xiàn)明顯渦振。
成橋狀態(tài)的紊流場(chǎng)風(fēng)洞試驗(yàn)中未觀測(cè)到了明顯的渦振,說(shuō)明實(shí)際情況下結(jié)構(gòu)發(fā)生渦振的可能性很小。
3.3 抗震分析
地震響應(yīng)分析采用動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法,所采用的地震動(dòng)參數(shù)根據(jù)《六廣河特大橋工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)》所提供的地震動(dòng)參數(shù),分別計(jì)算了E1(對(duì)應(yīng)50年超越概率10%)、E2(對(duì)應(yīng)50年超越概率2%)作用下結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。地震輸入采用兩種方式:(1)縱向+豎向;(2)橫向+豎向。豎向加速度的時(shí)程曲線與水平加速度的一致,加速度峰值為水平加速度峰值的0.65倍。經(jīng)驗(yàn)算地震力+恒載作用下主塔主要控制截面結(jié)構(gòu)承載能力滿足要求。
山區(qū)大跨徑斜拉橋的設(shè)計(jì)受地質(zhì)、地形、運(yùn)輸條件的約束往往很大,因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需認(rèn)真調(diào)研、分析橋位及附近區(qū)域內(nèi)的各種控制因素,確保方案安全、可行,因地適宜的選擇橋梁結(jié)構(gòu)形式和施工方法,本橋的設(shè)計(jì)希望為其他類似條件下的橋梁方案提供參考。
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2016-04-12
劉建軍(1978-),男,高級(jí)工程師,主要從事大跨徑橋梁設(shè)計(jì)。
貴州省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目,項(xiàng)目編號(hào):2013-122-000。
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1008-3383(2016)08-0113-02