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        孝感白水湖大橋設(shè)計(jì)

        2018-09-10 08:59:48蔣蓉蓉
        城市道橋與防洪 2018年7期
        關(guān)鍵詞:白水成橋主橋

        蔣蓉蓉

        (上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海市 200030)

        1 概述

        白水湖大橋位于湖北省孝感市,該橋全長(zhǎng)為345m,由主橋及東西兩側(cè)引橋組成。該橋主橋采用無背索斜拉橋,跨徑組合為100 m+35 m=135 m;引橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁,橋梁總寬35 m。

        如圖1所示,遠(yuǎn)觀白水湖橋傾斜的橋塔,猶如“雙龍出水,一飛沖天”般氣勢(shì)恢宏;傾斜、筆直的橋塔給人以剛勁有力、巍峨壯觀的感受;白水湖橋主塔塔頂?shù)脑煨驮O(shè)計(jì)采用“龍”的意象,兩塔間的橫梁上嵌有一顆大型圓珠,整體打造出中國(guó)古代建筑雕刻中經(jīng)常采用的“二龍戲珠”的景觀造型,富有建筑美學(xué)感。

        圖1 白水湖大橋效果圖

        2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

        2.1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

        該工程的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有:

        (1)道路等級(jí)為城市主干路,設(shè)計(jì)速度50 km/h。

        (2)汽車荷載為城-A級(jí);人群荷載為3.6 kN/m2。

        (3)抗震標(biāo)準(zhǔn):地震基本烈度為6度;地震動(dòng)峰值加速度a=0.05g。

        (4)安全等級(jí):一級(jí)。(5)環(huán)境類別:Ⅰ類。

        (6)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期:100 a。

        (7)設(shè)計(jì)使用年限:100 a。

        (8)設(shè)計(jì)基本風(fēng)速:25.6 m/s。

        (9)通航標(biāo)準(zhǔn):無通航要求,但需考慮游船通行,主跨預(yù)留2.5 m凈空高度。

        2.2 橋梁總體布置

        白水湖大橋主橋采用100 m+35 m=135 m的無背索斜拉橋,塔、墩、梁固結(jié)體系,雙索面豎琴形布置。引橋采用交通部30 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支變連續(xù)小箱梁。

        白水湖規(guī)劃河口寬約265 m,由于現(xiàn)狀河口較寬(約400 m),為避免大量填湖,實(shí)施藍(lán)線寬約320 m,橋梁總長(zhǎng)按照345 m布置,其中西側(cè)引橋跨徑組合為4×30 m=120 m,東側(cè)引橋跨徑組合為3×30 m=90 m(見圖 2)。

        橋梁橫斷面布置:0.3 m(欄桿)+3.2 m(人行道)+3.5 m(非機(jī)動(dòng)車道)+3 m(機(jī)非分隔帶)+15 m(機(jī)動(dòng)車道)+3 m(機(jī)非分隔帶)+3.5 m(非機(jī)動(dòng)車道)+3.2 m(人行道)+0.3 m(欄桿)=35 m(由南向北)(見圖 3)。

        2.3 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        2.3.1 主梁

        圖2 主橋立面布置圖(單位:mm)

        主梁采用全鋼、全焊接、正交異性橋面板的縱橫梁格體系。梁高為2.4m(最高處),梁寬為35m。為了充分發(fā)揮主梁全截面的材料受力性能,除按常規(guī)在主梁兩側(cè)拉索區(qū)布置雙主梁外,在橋軸線上增設(shè)一道主梁,全橋?yàn)槿v梁,梁距為9.25m。順橋向每隔4 m設(shè)置一道中橫梁(縱梁之間)與外挑懸臂橫梁(縱梁之外),近橋塔處因塔梁固結(jié)的需要,將縱梁下翼緣聯(lián)成整體,形成閉合箱梁,提高其整體抗彎、扭能力。

        2.3.2 主塔

        主塔采用鋼箱結(jié)構(gòu)作為主要受力結(jié)構(gòu),箱內(nèi)填充混凝土作為平衡重,同時(shí)通過焊釘?shù)扰c鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合成一體,部分參與結(jié)構(gòu)整體受力。主塔兩根塔柱平行布置,間距18.5 m。塔柱順橋向傾角為58°。兩根塔柱之間設(shè)置圓管形剛橫梁,橫梁鋼管直徑為2m。塔柱順橋向?qū)挾葹?.5 m(塔頂)~9.0m(塔底),橫橋向?qū)挾葹?.25 m。橋面上塔高85.8 m(鉛垂方向)。主塔塔壁鋼板厚度為20~30 mm,橫隔板厚度為12 mm。

        2.3.3 斜拉索

        斜拉索采用雙索面豎琴形布置,全橋共10對(duì)拉索,水平夾角28°。斜拉索采用整束預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)安裝的平行鍍鋅高強(qiáng)鋼絲斜拉索結(jié)構(gòu)。斜拉索索體防護(hù)采用熱擠雙層HDPE護(hù)套,主梁拉索錨固方式為板拉式,塔上設(shè)拉索張拉端。

        2.3.4 主橋下部結(jié)構(gòu)

        主橋塔、梁與主墩固結(jié),塔(鋼結(jié)構(gòu))與墩(混凝土結(jié)構(gòu))結(jié)合段位于主梁下側(cè),采用將主塔下端鋼結(jié)構(gòu)埋入墩身混凝土結(jié)構(gòu)的連接方式。埋入段鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)外兩側(cè)均設(shè)置剪力釘,以確保鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合牢靠。墩身內(nèi)設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力鋼束,鋼束采用單端張拉,張拉端設(shè)于主梁頂板上方,P錨端設(shè)于承臺(tái)內(nèi)。墩身截面為八邊形,縱橋向?qū)挾葹?1.5~14 m,橫橋向?qū)挾葹?.04~5.24 m,墩身高度為6.68 m。

        主墩采用矩形承臺(tái),兩個(gè)承臺(tái)間采用系梁連接。每個(gè)承臺(tái)厚度為4 m,縱橋向?qū)挾葹?9 m,橫橋向?qū)挾葹?1 m。為減小混凝土水化熱引起的不利影響,承臺(tái)內(nèi)設(shè)置冷卻管。

        2.3.5 引橋結(jié)構(gòu)

        引橋采用交通部預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支變連續(xù)小箱梁??鐝綖?0 m,梁高為1 600 mm。

        2.4 主橋施工方案

        主橋無背索斜拉橋采用“先梁后塔”的施工方法,即采用支架法先完成主梁的施工架設(shè),再逐節(jié)安裝塔節(jié)段,并張拉相應(yīng)的斜拉索,最后施工橋面及附屬結(jié)構(gòu),完成主橋施工。

        3 主橋結(jié)構(gòu)受力分析

        無背索斜拉橋結(jié)構(gòu)新穎、受力復(fù)雜,其受力復(fù)雜性主要體現(xiàn)在:在無背索斜拉橋中,由斜拉索產(chǎn)生的水平力在塔根部需與斜塔的水平分力相平衡,同時(shí)需要依靠塔柱的傾斜來平衡橋面的恒載及活載,尤其是塔、墩、梁固結(jié)的節(jié)點(diǎn)區(qū)域,需承受巨大的軸力、剪力、彎矩及扭矩的共同作用。以下是白水湖大橋主橋的主要計(jì)算方法及計(jì)算結(jié)果。

        3.1 計(jì)算模型

        圖3 主橋橫斷面布置圖(單位:mm)

        白水湖大橋主橋整體計(jì)算采用MIDAS/Civil 2012有限元分析軟件。其中塔與梁采用空間梁?jiǎn)卧?;斜拉索采用桁架單元,并根?jù)Ernst公式考慮拉索垂度影響下的彈模修正。有限元模型如圖4所示。

        圖4 計(jì)算模型

        3.2 成橋階段靜力計(jì)算

        在無背索斜拉橋的設(shè)計(jì)中,首先要確定一個(gè)合理的成橋狀態(tài),即通過索力、主塔自重等參數(shù)的調(diào)節(jié),使結(jié)構(gòu)受力滿足某種理想狀態(tài)。該橋的成橋狀態(tài)控制目標(biāo)主要選擇以下幾個(gè)方面:

        (1)控制主梁彎矩,盡量減小主梁彎矩,并且使主梁在恒載作用下的彎矩分布接近剛性支承連續(xù)梁。

        (2)控制主塔彎矩,盡量減小塔內(nèi)彎矩。(3)控制拉索索力,使拉索索力分布較為均勻。(4)控制邊墩支座反力,確保其在最不利荷載作用下不出現(xiàn)負(fù)反力。

        3.2.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

        根據(jù)既定的成橋狀態(tài)控制目標(biāo),利用MIDAS/Civil的未知荷載系數(shù)功能求出成橋索力,再利用影響矩陣法對(duì)索力進(jìn)行微調(diào),最終得到一個(gè)較為合理的成橋受力狀態(tài)。主要內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖5~圖7所示。

        圖5 恒載作用下彎矩分布圖

        圖6 運(yùn)營(yíng)階段最不利組合彎矩包絡(luò)圖

        圖7 成橋索力分布

        根據(jù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果,主梁在恒載作用下彎矩很小,并且接近剛性支承梁的彎矩分布;主塔在恒載作用下彎矩不大,塔底留有一定負(fù)彎矩,用以部分抵消運(yùn)營(yíng)階段活載對(duì)塔產(chǎn)生的正彎矩;拉索索力分布較為均勻;邊墩支點(diǎn)不出現(xiàn)負(fù)反力且有一定安全儲(chǔ)備。由此可見,成橋受力狀態(tài)控制較為合理。

        3.2.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算

        主橋在塔、梁鋼結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)階段主要應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

        圖8 運(yùn)營(yíng)階段塔、梁應(yīng)力包絡(luò)圖

        根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,主梁和主塔鋼結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為174 MPa,結(jié)構(gòu)受力滿足規(guī)范要求;拉索的最大拉應(yīng)力為641 MPa,最小拉應(yīng)力為479 MPa。最大拉應(yīng)力滿足不大于0.4 fpk=708 MPa,應(yīng)力幅為162 MPa,拉索受力滿足規(guī)范要求。

        3.2.3 結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算

        根據(jù)計(jì)算結(jié)果,恒載作用下,斜拉橋總體變形較小。在汽車和人群荷載的作用下,主梁的撓度為0.17 m,滿足《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D65-01—2007)中不大于L/400=0.25 m的要求,結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范要求。

        3.3 施工階段靜力計(jì)算

        在確定合理成橋狀態(tài)之后,需要制定合理的施工步驟,最終實(shí)現(xiàn)成橋合理的內(nèi)力狀態(tài)。該橋無背索斜拉橋采用“先梁后塔”的施工方法,主要施工過程如圖9所示。

        施工過程分析采用倒拆法分析各個(gè)施工階段的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài),再根據(jù)倒拆得到的斜拉索初拉力進(jìn)行正裝分析,并對(duì)倒拆法得到的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

        圖9 施工過程示意圖

        根據(jù)施工過程倒拆的計(jì)算結(jié)果,各施工階段鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為155 MPa,結(jié)構(gòu)受力滿足規(guī)范要求。

        根據(jù)施工過程正裝計(jì)算結(jié)果,正裝計(jì)算得到的成橋索力與倒拆的初始階段拉索索力比較接近,誤差在1%以內(nèi),施工階段分析結(jié)果可信。圖10為倒拆與正裝的成橋階段索力比較。

        圖10 倒拆與正裝的成橋階段索力比較

        3.4 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算

        對(duì)主橋成橋后運(yùn)營(yíng)階段的整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析,主橋無背索斜拉橋第一階屈曲模態(tài)為塔橫向彎曲,臨界荷載系數(shù)為5.6,穩(wěn)定系數(shù)大于4,滿足規(guī)范要求(見圖11)。

        3.5 結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算

        圖11 第一階屈曲模態(tài)

        該工程橋址處地震基本烈度為6度;地震動(dòng)峰值加速度a=0.05g。對(duì)主橋結(jié)構(gòu)空間計(jì)算模型按E1和E2設(shè)防水準(zhǔn)進(jìn)行反應(yīng)譜分析,驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的抗震性能。

        根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果,在E1、E2地震作用下,塔、梁等鋼結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件均在彈性范圍內(nèi)工作,下部結(jié)構(gòu)及樁基強(qiáng)度均能滿足要求。

        3.6 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計(jì)算

        橋址處的設(shè)計(jì)風(fēng)速取25.6 m/s,根據(jù)計(jì)算成橋狀態(tài)的顫振檢驗(yàn)風(fēng)速 [vcr]=41.8 m/s,扭轉(zhuǎn)基頻為0.51 Hz,顫振臨界風(fēng)速vcr=114 m/s。成橋狀態(tài)的顫振臨界風(fēng)速遠(yuǎn)大于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速,抗風(fēng)穩(wěn)定性滿足要求。

        4 結(jié)語

        無背索斜拉橋結(jié)構(gòu)受力相較傳統(tǒng)的斜拉橋更為復(fù)雜,且由于橋塔傾斜的緣故,施工難度較大;但因其優(yōu)美而獨(dú)特的景觀效果,正越來越多地得到工程界的應(yīng)用。本文以湖北孝感白水湖大橋?yàn)楸尘埃?jiǎn)單闡述了該橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路及計(jì)算方法,為同類工程提供參考。

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