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        一座雙層公路橋的設(shè)計(jì)構(gòu)思

        2018-09-10 08:59:48孔德軍
        城市道橋與防洪 2018年7期
        關(guān)鍵詞:主塔下層鋼箱梁

        孔德軍

        (上海市市政規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海市 200031)

        1 工程背景

        廣東某城市快速環(huán)路與高速公路在橋址跨越東江南支流,為了共享橋位資源,形成雙層橋方案。以該工程為背景,提出一種新型雙層公路橋設(shè)計(jì)思路。

        1.1 建設(shè)條件

        兩岸地勢平坦,江面寬度約500 m,河床淺平,流速較緩,設(shè)有防洪大堤。工程地質(zhì)勘探表明:覆蓋層為第四系地層,基巖由兩大類組成,即下古生界混合片麻巖(Pz1)和第三系中新統(tǒng)砂巖,埋深較淺,持力層為微風(fēng)化巖帶,單軸極限抗壓強(qiáng)度7~13.5 MPa。

        1.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

        (1)兩條道路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

        高速公路:設(shè)計(jì)行車速度100 km/h,雙向6車道,橋面寬度32.5 m,設(shè)計(jì)荷載為公路-I級。

        城市快速環(huán)路:設(shè)計(jì)行車速度80 km/h,雙向6車道,橋面寬度32.5 m,設(shè)計(jì)荷載為城市A級。

        下層橋面行車凈空:5.5 m。

        (2)設(shè)計(jì)洪水頻率

        設(shè)計(jì)洪水頻率1/300,相應(yīng)設(shè)計(jì)水位8.244 m(85國家高程,下同)。

        (3)通航技術(shù)要求

        內(nèi)河三級航道,凈高不小于10 m,設(shè)計(jì)最高通航水位為20 a一遇的洪水位6.600 m。因橋軸線法線方向與水流方向夾角達(dá)12°,航道要求采用一孔通航,跨徑不小于180 m。

        (4)地震:基本烈度Ⅵ度。

        1.3 總體布置

        大橋分為主橋(高速公路位于上層、快速環(huán)路位于下層)、引橋兩大部分;引橋又分為雙層引橋、單層引橋。雙層引橋在平面上分離后,就成為一般的單層橋梁。全橋平面總布置如圖1所示。

        圖1 全橋平面總體布置

        2 設(shè)計(jì)構(gòu)思

        橋址上、下游相距不遠(yuǎn)處已建多座混凝土梁式橋,為避免景觀上的重復(fù),不宜再考慮梁式橋。江面寬度約480 m,滿足通航要求的主孔跨度在200 m以上,三跨結(jié)構(gòu)布置較為合理。

        鋼桁梁是雙層橋合理構(gòu)造基本結(jié)構(gòu)型式。其優(yōu)點(diǎn)是:桿件規(guī)模不大,結(jié)構(gòu)自重輕,起吊重量輕。其缺點(diǎn)也是明顯的:桿件、節(jié)點(diǎn)類型多,下層橋面通透性差,防腐、養(yǎng)護(hù)維修難度大,工程投資規(guī)模大,景觀上類似鐵路橋。

        針對鋼桁梁方案的缺點(diǎn),構(gòu)思中央單索面斜拉橋,上、下層橋面分別采用獨(dú)立箱梁,共用主塔和基礎(chǔ),下層橋面所需的斜拉索從上層預(yù)留鋼套管穿過,斜拉索保持相同的斜率,全橋具有最好的通透性和獨(dú)特的景觀效果。

        3 方案研究

        3.1 橋式布置

        該方案采用跨徑為120m+240m+120m的3跨雙層主梁中央索面斜拉橋(見圖2),全長480 m,上層為鋼箱梁,下層為混凝土箱梁,主塔為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),斜拉索面扇形布置,上層主梁每塔兩側(cè)各8對索,下層主梁各15對索,兩層主梁的斜拉索在立面布置上完全重合,視覺上簡潔。梁上標(biāo)準(zhǔn)索距,上層鋼箱梁約12 m,下層混凝土箱梁7.2 m,全橋共94對、188根。

        圖2 橋式立面布置(單位:m)

        上層塔、梁間設(shè)置0號斜拉索,下層塔、梁間設(shè)置縱向滑動支座,主梁縱向漂浮,塔、梁之間設(shè)置橫向限位裝置。邊墩均設(shè)置縱向滑動支座提供豎向約束,設(shè)置橫向擋塊。為了克服負(fù)反力,在邊墩頂附近主梁內(nèi)進(jìn)行壓重,上、下層壓分別重量約300 t、600 t。

        3.2 主梁

        (1)上層鋼箱梁(見圖 3a)

        鋼梁斷面采用展翅型箱形斷面,主梁橫向兩側(cè)懸臂板為開口斷面,其余形成一閉合鋼箱梁,梁中心線處高3.5 m,頂板寬35.2 m,底板寬14.0 m。頂板厚14 mm,底板厚14~16 mm,鋼梁材質(zhì)Q345qD。箱梁頂、底板采用U形閉口加勁肋,頂、底板U形加勁肋高260 mm,板厚為8 mm。主梁每3.0 m設(shè)置一道橫隔梁。鋼箱梁節(jié)段工地連接采用栓焊結(jié)合方式。

        圖3 上、下層主梁橫截面圖(單位:m)

        (2)下層混凝土梁(見圖3b)

        主梁采用和上層鋼箱梁外形類似的倒梯形箱截面展翅梁構(gòu)造,梁高3.5 m,頂寬35.2 m,底寬14 m。斷面為單箱三室截面,兩側(cè)懸臂板長4.5 m。橫梁間距3.6 m,有索處兩邊室橫梁厚度26 cm,中室因錨固斜拉索的需要,厚度增加至43 cm,無索橫梁厚度均為26 cm。主梁混凝土為C50級。

        3.3 主塔

        主塔為獨(dú)柱,塔高86.0 m,塔頂高程+89.00 m,塔底高程+3.00 m。主塔順橋向中、上塔柱截面為矩形,順橋向塔寬7.0 m,橫橋向塔寬4.0 m。主塔錨固區(qū)橫向塔壁厚1.5 m,縱向塔壁厚0.7 m。中塔柱為實(shí)心塔柱;下塔柱為六邊形斷面,橫橋向底寬11.0 m,順橋向底寬13.0 m。下塔柱頂部設(shè)置承托以放置豎向支座。為景觀需要,在上塔柱設(shè)置有裝飾結(jié)構(gòu)。主塔混凝土為C50級。主塔錨固區(qū)采用環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固方式。圖4為主塔構(gòu)造。

        圖4 主塔構(gòu)造(單位:m)

        3.4 斜拉索

        采用平行鋼絲斜拉索體系。塔柱兩側(cè)共23對索,其中錨固于下層混凝土主梁15對,錨固于上層鋼箱梁8對,同時在上層鋼箱梁塔、梁間設(shè)置橫向穩(wěn)定索。除最外側(cè)一對索外,錨固在鋼箱梁上的其余7對索和錨固于下層主梁斜拉索在立面上重合。錨固在下層混凝土主梁上的斜拉索穿過上層鋼箱梁的通道用鋼導(dǎo)管進(jìn)行成孔。為了防止風(fēng)雨振,斜拉索外表設(shè)螺旋線或壓花護(hù)套。

        3.5 主塔基礎(chǔ)

        采用鉆孔樁基礎(chǔ),每個主塔墩共13根鉆孔樁,樁徑2.5 m,樁長17 m,承臺尺寸為長29 m,寬16.5 m,厚4 m??紤]低水位時不露出樁基,承臺頂標(biāo)高定為+3.0 m。

        3.6 方案實(shí)施

        基礎(chǔ)采用鉆孔樁,插打鋼護(hù)筒搭設(shè)平臺進(jìn)行鉆孔施工;承臺采用套箱圍堰施工;主塔采用常規(guī)方法翻模爬升施工,分段澆注。

        上層鋼箱梁采用工廠預(yù)制,預(yù)制長度12 m,駁船運(yùn)輸就位。鋼箱梁共41個節(jié)段,其中塔下0#、1#節(jié)段在墩旁支架上小塊拼裝,其余節(jié)段利用架梁吊機(jī)懸臂吊裝。

        下層混凝土箱梁在塔墩附近33.6 m長的梁段采用支架現(xiàn)澆,其他部位主梁采用預(yù)制場預(yù)制,預(yù)制節(jié)段長3.6 m,寬33.7 m,預(yù)制節(jié)段共113個。預(yù)制梁吊段重量控制在220 t以內(nèi),預(yù)制節(jié)段采用運(yùn)輸船運(yùn)輸,橋面吊機(jī)吊裝。節(jié)段吊裝就位后利用環(huán)氧樹脂膠拼。主梁拼裝完成后,滯后30 m現(xiàn)澆兩側(cè)0.75 m懸臂板??偣て?8個月。圖5為施工方案示意圖。

        圖5 施工方案示意圖

        4 結(jié)構(gòu)分析

        4.1 主梁扭轉(zhuǎn)分析

        上層鋼箱梁載汽車活載一側(cè)滿載的最不利工況下最大扭轉(zhuǎn)角為0.007 rad,相當(dāng)于0.7%橫坡;下層混凝土箱梁最大扭轉(zhuǎn)角為0.003 rad,相當(dāng)于0.3%橫坡。全橋有良好的抗扭剛度,滿足行車要求。

        4.2 抗風(fēng)分析

        采用ANSYS有限元分析軟件對雙層主梁斜拉橋方案成橋狀態(tài)和主要的施工狀態(tài)的動力特性進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速和橋梁斷面的顫振臨界風(fēng)速見表1。

        表1 顫振臨界風(fēng)速及檢驗(yàn)風(fēng)速

        雙層主梁斜拉橋方案的顫振穩(wěn)定性足以滿足橋址處的抗風(fēng)要求,且抗風(fēng)安全性等級較高。陣風(fēng)荷載的計(jì)算結(jié)果表明,橋塔在100 a一遇的大風(fēng)作用下,強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求,雙層主梁斜拉橋在風(fēng)荷載作用下安全。

        4.3 結(jié)構(gòu)抗震

        抗震分析采用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的地震動加速度反應(yīng)譜。地震基本烈度為6度,設(shè)計(jì)烈度取7度,重要性系數(shù)取1.7,綜合影響系數(shù)取1.0。地震力取順橋向、橫橋向二種工況分別驗(yàn)算,以檢驗(yàn)主塔、主梁在兩個方向地震力作用下的安全可靠性。計(jì)算表明結(jié)構(gòu)的動力性能良好,結(jié)構(gòu)各部位的地震響應(yīng)均在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi),結(jié)構(gòu)具有較高抗震能力。

        5 方案進(jìn)一步演變

        主塔索錨區(qū)采用鋼錨箱或鋼錨梁錨固型式,縮小主塔尺度,減小橋面寬度,降低工程投資。調(diào)整斜拉索在塔、梁上的錨固位置,使之成為豎琴型,可以取得更完美的景觀效果(見圖6)。

        圖6 橋型方案效果圖

        6 結(jié)論

        在體現(xiàn)雙層橋梁共建優(yōu)勢的前提下,構(gòu)思了獨(dú)立的分離式雙層主梁斜拉橋,上、下層橋面分別采用鋼箱梁及混凝土箱梁,不但減少了用鋼量,而且下層橋面視線通透,避免了鋼桁梁桿件對行車視線的干擾,方便了運(yùn)營管理與養(yǎng)護(hù)維修。經(jīng)過結(jié)構(gòu)的動、靜力計(jì)算分析研究,既滿足使用功能要求,又有良好的景觀效果,橋型結(jié)構(gòu)新穎。

        通過對雙層主梁斜拉橋方案的研究,提出一條與鋼桁加勁梁體系完全不同的雙層橋設(shè)計(jì)思路,對今后類似工程具有參考意義。

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