劉東海

(湖南省交通水利建設(shè)集團(tuán)有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

采用穿梁式橋墩的邵陽(yáng)桂花自錨式懸索橋總體設(shè)計(jì)

劉東海

(湖南省交通水利建設(shè)集團(tuán)有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

邵陽(yáng)市桂花大橋?yàn)殡p塔三跨自錨式懸索橋，主梁采用應(yīng)用較少的等截面鋼 — 砼組合梁結(jié)構(gòu)，有效地減小了截面尺寸和自重的同時(shí)增加了橋下有效使用空間。橋塔采用雙柱式混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)下橫梁，橋塔通過(guò)梁中的預(yù)留口穿過(guò)橋梁，減小了橋塔混凝土用量和基礎(chǔ)尺寸且使得整體造型簡(jiǎn)潔美觀。采用有限元軟件MIDAS建立了主橋三維空間有限元模型，對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力分析，采用ANASYS建立了主纜錨固系統(tǒng)實(shí)體模型，對(duì)錨固系統(tǒng)局部應(yīng)力進(jìn)行分析，整體與局部分析結(jié)果表明該橋結(jié)構(gòu)安全、受力合理，滿足規(guī)范要求，可為今后采用穿梁式橋墩的橋梁設(shè)計(jì)與建造提供參考。

自錨式懸索橋； 鋼 — 砼組合梁； 橋塔； 結(jié)構(gòu)受力； 設(shè)計(jì)

0 前言

同具有 1000 多年歷史的懸索橋相比，自錨式懸索橋發(fā)展只有 100 多年的歷史。自錨式懸索橋通過(guò)把主纜錨固到橋面或加勁梁的兩端，從而節(jié)省了昂貴的錨碇費(fèi)用，也給不具備修建錨錠條件的地理?xiàng)l件建設(shè)懸索橋提供了新途徑。自錨式懸索橋簡(jiǎn)潔、美觀的造型也使得其更適合在城市修建，其已成為城市景觀橋梁之一，廣泛應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外城市橋梁的建造中[1]。目前建造的自錨式懸索橋主梁多采用鋼箱梁，本文介紹了邵陽(yáng)桂花自錨式懸索橋的設(shè)計(jì)建造過(guò)程，該橋主梁采用應(yīng)用較少的等截面鋼 — 砼組合梁結(jié)構(gòu)，有效地減小了截面尺寸和自重的同時(shí)增加了橋下有效使用空間。同時(shí)該橋創(chuàng)新采用了塔梁分離式結(jié)構(gòu)，有效降低了高速公路線位，減少了山體開(kāi)挖，降低了塔高，節(jié)省了投資，并具有更好的抗風(fēng)性能，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與自然的完美融合，是自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)形式上的新創(chuàng)新。

1 工程概況

邵陽(yáng)市桂花大橋位于邵陽(yáng)市大祥區(qū)城南鄉(xiāng)桂花村，跨越梅子井路，是G320在邵陽(yáng)市區(qū)過(guò)境線工程中跨越資江的一座大型橋梁，也是邵陽(yáng)市城市規(guī)劃中連接雪峰南路和邵西大道一條便捷的通道。

橋跨布置為(60 m+120 m+60 m+22.13 m)雙塔三跨自錨式懸索橋(組合梁)+9×30 m現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，橋梁全長(zhǎng)542.13 m(圖1)。路線平面線形為直線，橋梁范圍內(nèi)設(shè)1.305%和～2.0%雙向縱坡，豎曲線半徑為6000 m。橋址區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，對(duì)應(yīng)的地震基本烈度為Ⅵ度。

圖1 桂花大橋總體布置(單位： cm)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主梁

主跨主梁采用等截面鋼 — 砼組合梁[2]，全高3.555 m，全寬32.5 m。理論跨徑組合為：(6.615+60+120+60+22.13)m。主梁為全焊鋼結(jié)構(gòu)，由主縱梁、中橫梁、箱型橫梁、小縱梁、平聯(lián)組成雙主梁梁格體系，鋼材材質(zhì)為Q345qD。主纜錨固于主縱梁的端部，吊索錨固于主縱梁與橫梁交點(diǎn)處，主梁每8.5 m作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段，每間隔4 m設(shè)置一道中橫梁，每?jī)傻乐袡M梁之間設(shè)置兩道小縱梁。

2.1.1 主縱梁

全橋共設(shè)2片矩形斷面主縱梁，中心距30.5 m，每片梁截面高2.98 m，寬2 m。頂板設(shè)2%的雙向橫坡，厚度為24～30 mm；底板水平，厚度為24～30 mm；腹板基本厚度為18 mm，視頂推施工的受力情況對(duì)腹板進(jìn)行局部加厚；頂?shù)装?、腹板?nèi)側(cè)設(shè)置一定數(shù)量的球扁鋼縱向加勁以增加板件的面外剛度。主縱梁沿順橋向每4 m設(shè)置一道橫隔板，分別與中橫梁位置相對(duì)應(yīng)，橫隔板厚28 mm或16 mm。

為保證頂推過(guò)程中腹板的局部穩(wěn)定性，主縱梁腹板沿順橋向每隔一定間距設(shè)置一道豎向加勁以增加腹板的面外剛度(見(jiàn)圖2)。

圖2 主縱梁腹板加勁肋(單位： mm)

2.1.2 主橫梁、小縱梁

中橫梁采用變高度鋼板梁結(jié)構(gòu)，全橋共50道，基本間距5 m。頂面設(shè)2%的橫坡，以適應(yīng)橋面橫坡的變化，下翼緣板寬650 mm，板厚24 mm，靠近跨度中央加厚至30 mm；上翼緣板寬600 mm，板厚22 mm，靠近跨度中央加厚至28 mm；腹板板厚16 mm。端橫梁為箱型橫梁，采用變高度箱型截面，全橋共3道。頂面設(shè)2%的橫坡，以適應(yīng)橋面橫坡的變化，跨中梁內(nèi)高2.8 m。

為滿足局部穩(wěn)定的要求，頂板、底板、腹板設(shè)有縱向加勁肋，加勁肋高150 mm，板厚14 mm。端橫梁內(nèi)布置有橫隔板，基本間距1.5 m。

2.1.3 橋面板

混凝土橋面板由預(yù)制板和現(xiàn)澆帶組成，其中預(yù)制板占了絕大部分橋面的面積。為了有效地減少混凝土橋面板收縮徐變引起的開(kāi)裂，預(yù)制板上橋的齡期大于6個(gè)月。

預(yù)制板采用分塊預(yù)制的方式(橫向?yàn)?塊板：1塊中板，2塊邊板)，待鋪設(shè)到位后現(xiàn)澆縱、橫向濕接縫形成整體。全橋共189塊預(yù)制橋面板，板厚26 cm，采用C50混凝土。其中，預(yù)制板的平面尺寸為350 cm×920 cm。預(yù)制邊板靠近主縱梁側(cè)設(shè)有5 cm深的槽口，槽口上下貫穿，以提高現(xiàn)澆縫部位新老混凝土之間的抗剪能力。此外，預(yù)制橋面板必須放置6個(gè)月后方可安裝，以減少混凝土收縮、徐變對(duì)組合梁帶來(lái)的不利影響。

2.1.4 剪力釘

橋面板通過(guò)剪力釘與鋼主縱梁、中橫梁、小縱梁頂板進(jìn)行連接。剪力釘采用φ22 mm圓頭焊釘，高度200 mm，材料為ML15Al。

2.2 纜吊系統(tǒng)

自錨式懸索橋主纜的矢跨比一般在1/6～1/4[3]，對(duì)比不同矢跨比下主纜的受力和經(jīng)濟(jì)性[4]，確定主纜采用1/4的垂跨比，主跨主纜計(jì)算跨徑120 m，邊跨主纜計(jì)算跨徑60 m，無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)101.5 m；每根主纜采用91Φ5.1鍍鋅平行鋼絲共24束，索夾外空隙率20%，主纜直徑約266.5 mm，索夾內(nèi)空隙率18%，直徑約263.2 mm，安全系數(shù)2.88。見(jiàn)圖3。

端吊桿采用Φ165 mm的40Cr，公稱(chēng)抗拉強(qiáng)度為980 MPa。其余吊索采用公稱(chēng)直徑為Φ7.0 mm、公稱(chēng)抗拉強(qiáng)度為1670 MPa的高強(qiáng)度鍍鋅鋼絲，技術(shù)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)文件和規(guī)范的規(guī)定。

吊索上端采用銷(xiāo)接式，單點(diǎn)單吊索，下端采用帶連接拉桿的冷鑄錨，吊索通過(guò)下端的連接拉桿張拉到位后，采用錨螺母錨固并采用雙層PE防護(hù)[5]。

主索鞍采用全鑄結(jié)構(gòu)，在塔上預(yù)偏量為30.8 cm，每個(gè)索鞍鞍頭、鞍身重44 t；索夾采用上下對(duì)合型，全橋采用6種規(guī)格；散索構(gòu)造采用散索套，散索套底板在架主纜時(shí)采用臨時(shí)措施固定在梁上，主纜安裝完成后松開(kāi)，能自由滑動(dòng)[6,7]。見(jiàn)圖4。

圖3 主纜斷面(單位： mm)

圖4 索鞍結(jié)構(gòu)

2.3 索塔、橋墩

索塔采用雙柱式結(jié)構(gòu)，由樁基、承臺(tái)、塔座、塔柱和橫梁組成。1號(hào)橋塔為48.21 m、2號(hào)橋塔43.21 m。見(jiàn)圖5。

圖5 橋塔構(gòu)造(單位： cm)

塔柱為空心矩形箱結(jié)構(gòu)，橫向等寬300 cm；順橋向頂部由于索鞍需要寬度為450 cm(高400 cm)，豎向設(shè)400 cm高的過(guò)渡段，寬度從上向下由450 cm(標(biāo)高252.21 m)變?yōu)?50 cm(標(biāo)高248.21 m)。橫梁采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)，橫梁高為300 cm，寬為250 cm，壁厚為60 cm，橫梁設(shè)有一道60 cm厚的橫隔板。為滿足塔柱與橫梁間的受力要求，橫梁的縱向鋼筋錨固于塔柱內(nèi)，預(yù)應(yīng)力鋼束錨固于塔柱的外側(cè)。在塔柱、橫梁上分別設(shè)置通風(fēng)孔。

塔柱底設(shè)塔座并坐落在分離式樁基承臺(tái)上。塔座高2 m，塔柱外輪廓縱橫向?qū)挾染?∶4的斜率漸變，塔座縱向從上至下由350 cm變?yōu)?50 cm，塔座橫向從上向下由300 cm變?yōu)?00 cm，塔座為實(shí)體段。

橋塔基礎(chǔ)為群樁基礎(chǔ)，左右幅承臺(tái)為分離式，縱橫尺寸為850 cm×850 cm，高350 cm，承臺(tái)下設(shè)4根D220 cm鉆孔灌注樁，1號(hào)橋塔承臺(tái)下設(shè)150 cm封底混凝土，2號(hào)橋塔承臺(tái)不設(shè)封底混凝土。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 主體結(jié)構(gòu)計(jì)算

采用有限元軟件MIDAS/CIVIL建立全橋三維空間模型，主纜和吊索采用只受拉的桁架單元模擬，計(jì)算時(shí)考慮主纜的非線性，鋼箱梁、混凝土板和橋塔均采用梁?jiǎn)卧M。見(jiàn)圖6。

圖6 全橋有限元模型

3.1.1 主梁

運(yùn)營(yíng)階段，鋼梁在最不利荷載工況下，鋼梁最大壓應(yīng)力為161.8 MPa，最大拉應(yīng)力為98.5 MPa。施工階段(吊索安裝階段)，鋼主梁最大拉應(yīng)力為53.9 MPa，最大壓應(yīng)力為67.5 MPa,組合加勁梁鋼結(jié)構(gòu)采用Q345qD鋼材，最大軸向容許應(yīng)力為200 MPa，最大彎曲容許應(yīng)力為210 MPa，故鋼梁應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

混凝土橋面板最大軸力(拉力)為10874 kN，大軸力(壓力)為15215 kN，計(jì)算裂縫按軸心受拉構(gòu)件，經(jīng)過(guò)計(jì)算，最大裂縫寬度為0.11 mm，混凝土橋面板承載能力及裂縫滿足規(guī)范要求。

在靜活載作用下，最大豎向撓度為102.8 mm，最大正向撓度為35.5 mm，跨撓比=120000 mm/102.8 mm=1167，大于規(guī)范規(guī)定的250，主梁剛度滿足規(guī)范要求。

3.1.2 鋼橫梁

選用相應(yīng)的最不利荷載組合，將橫梁簡(jiǎn)化為支撐在吊索處的簡(jiǎn)支梁計(jì)算。鋼橫梁最大應(yīng)力為170 MPa，小于允許應(yīng)力210 MPa；最大剪應(yīng)力為37 MPa，小于允許剪應(yīng)力120 MPa。見(jiàn)表1。

3.1.3 纜索

運(yùn)營(yíng)階段主纜最大軸力為26081 kN，主纜采用抗拉強(qiáng)度為1670 MPa的高強(qiáng)度鍍鋅鋼絲，極限強(qiáng)度為74507.4 kN，主纜安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。運(yùn)營(yíng)階段最不利工況組合作用下，吊桿最大軸力為1624 kN，其極限破斷力為5463 kN，強(qiáng)度安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

表1 鋼橫梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

施工階段(吊索安裝階段)，主纜最大內(nèi)力7368 kN,最大極限吊索力為74507 kN，安全系數(shù)大于2.5，滿足規(guī)范要求[8]。

3.1.4 橋塔

橋塔承載能力極限狀態(tài)最大軸力為48507 kN，最大彎矩為38872 kN，計(jì)算分別按軸力最大(對(duì)應(yīng)彎矩)和彎矩最大(對(duì)應(yīng)軸力)計(jì)算，橋塔承載能力滿足規(guī)范要求。

橋塔橫梁上下緣在短期組合作用下沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力，在標(biāo)準(zhǔn)值組合作用下，最大正截面壓應(yīng)力為9.14 MPa，小于0.5fck=16.2 MPa，滿足規(guī)范要求。

3.2 主纜錨固系統(tǒng)局部受力分析[9]

主纜的錨固系統(tǒng)主要由橫向錨板M1～M6、豎向錨板M7～M17、承錨板M18以及錨墊板M19組成(見(jiàn)圖7)。根據(jù)全橋有限元整體計(jì)算結(jié)果，單根主纜在最不利工況下的纜力為19805 kN，散索鞍承受的最大軸力為6914 kN。

錨固結(jié)構(gòu)的橫向錨板M1～M6和豎向錨板M7～M17有效地將主纜各索力傳遞到了縱梁腹板，并迅速向整個(gè)梁段擴(kuò)散；在最大纜力作用下，縱梁節(jié)段所有Mises應(yīng)力均未超過(guò)材料屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，絕大部分區(qū)域Mises應(yīng)力低于120 MPa，最大Mises應(yīng)力局達(dá)到294.6 MPa，出現(xiàn)在頂板加勁肋上，僅僅位于頂板加勁肋與錨板M1相交的局部區(qū)域(見(jiàn)圖8)。

圖7 主纜錨固系統(tǒng)(單位： mm)

圖8 錨固結(jié)構(gòu)Mises應(yīng)力云圖

承錨板M18應(yīng)力水平比較低，靠近縱梁中心線的豎向錨板以及橫向錨板M2～M5的開(kāi)孔端部應(yīng)力水平比較高。組成錨固結(jié)構(gòu)的各板件中，Mises應(yīng)力最大值出現(xiàn)在橫向錨板M4的開(kāi)孔端部，達(dá)到182.9 MPa，低于材料屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，滿足設(shè)計(jì)要求，這是因?yàn)殚_(kāi)孔所造成的圓弧孔邊緣局部應(yīng)力集中，但范圍很小且稍遠(yuǎn)離這一區(qū)域應(yīng)力水平迅速下降(見(jiàn)圖9)。

圖9 錨板區(qū)域Mises應(yīng)力云圖

主纜錨固結(jié)構(gòu)主要通過(guò)橫向錨板M1～M6和豎向錨板M7～M17以剪力的形式將纜力傳遞給縱梁腹板及頂板，因此橫、豎向錨板及其與縱梁腹板、頂板連接的抗剪性能對(duì)錨固結(jié)構(gòu)而言極為重要。

最大纜力作用下，橫、豎向錨板的剪應(yīng)力分布如圖10所示，橫向錨板中最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在錨板M2與縱梁腹板連接處，為39.6 MPa。所有錨板最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在縱梁中心線附近豎向錨板與縱梁頂板的連接處，為58.7 MPa，低于材料抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 錨板剪應(yīng)力云圖

4 結(jié)語(yǔ)

邵陽(yáng)市桂花大橋主橋?yàn)?60 m+120 m+60 m+22.13 m)雙塔三跨自錨式懸索橋，本文通過(guò)分析研究，得到結(jié)論如下：

1) 主梁采用應(yīng)用較少的等截面鋼 — 砼組合梁結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu) — 混凝土疊合梁更加經(jīng)濟(jì)，可以有減小截面尺寸，增加有效使用空間，既避免了混凝土梁重大引起主纜、吊索、主塔及其基礎(chǔ)造價(jià)過(guò)高的問(wèn)題，同時(shí)也避免了純鋼結(jié)構(gòu)主梁本身造價(jià)過(guò)高的問(wèn)題。

2) 與傳統(tǒng)的將梁架在塔上不同，該橋在梁中預(yù)留缺口，橋墩從梁中間穿過(guò)，在減少橋墩混凝土用量、減小基礎(chǔ)尺寸的同時(shí)使得全橋結(jié)構(gòu)受力更合理，外觀大氣美觀，在我國(guó)其他橋梁建設(shè)中值得推廣和借鑒。

3) 由于錨固結(jié)構(gòu)處承受著巨大的索力作用，所以懸索橋錨固結(jié)構(gòu)附近的橋面板、腹板、底板等構(gòu)件要加強(qiáng)，防止局部破壞。

4) 在頂板加勁肋及橫向錨板開(kāi)孔端部局部應(yīng)力相對(duì)較大，建議自錨式懸索橋的錨固結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡量減少對(duì)加勁肋的削弱以及增大錨板開(kāi)孔部位強(qiáng)度。

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