超寬橋面單索面部分斜拉橋的設計總結

王欣 吳平 姜金斌

部分斜拉橋具有結構輕巧、外形美觀、跨徑布置靈活、施工簡便以及經濟性好等優點[1],是一種很有發展潛力的橋型,目前在我國得到了廣泛的應用。但隨著城市橋梁的加寬,加上為減少多索面斜拉索的零亂感而采用單索面結構,使其寬跨比較大,荷載的橫向分布較為復雜,其相應的結構布置、構造、設計方法及施工工藝等均有特殊的要求,因此對該類橋梁深入研究是非常必要的。

1 工程簡介

本工程位于余姚市城區中部,南至四明東路,北至陽明東路,最良江橋梁是連接江南片和江北片交通的一條主要交通通道。規劃水域寬度約70 m,通航水位為1.32 m,通航等級為四級,橋型設計時應在滿足交通功能前提下,以橋梁與城市、自然生態環境相互融合為原則,最終采用76 m+76 m兩跨單索面部分斜拉橋結構,中央設置3.5 m寬拉索布置區,南側跨橋梁總寬度為26.5 m,北側跨橋梁總寬度為35.0 m,見圖 1。

2 結構設計

主梁采用預應力混凝土箱梁,單箱五室斜腹板截面,箱梁中線處高度2.50 m,箱梁寬度為26.5 m,兩側懸臂均為2.05 m。箱梁頂板厚25cm,斜拉索錨固區加厚為50cm;邊腹板厚50cm,中腹板厚45cm。標準橫隔板每6.0 m布置一道,與斜拉索索距對應。最良江側人行道板擱置在箱梁外挑懸臂梁上,懸臂梁設置間距同箱梁橫隔板,標準厚度為45cm,采用預制拼裝。箱梁江中一側采用掛籃施工,每節段長6.0 m,標準段重量約為 377.0 t。

主塔采用鋼壁結構,內灌補償收縮混凝土。橋塔外輪廓采用橢圓形截面,承臺以上塔高62.7 m,橋面以上塔高51.6 m。從梁面以上45 m范圍內為塔柱主要受力結構,最上面7 m部分為塔尖部分,僅起造型作用。

塔柱共設9對斜拉索,采用雙排索面扇形布置,塔上斜拉索位置均設置裝飾球。斜拉索張拉端設在箱梁內,塔上斜拉索通過分絲管貫通,塔側設置抗滑錨筒,抗滑錨在斜拉索張拉完后安裝。

3 設計要點

1)為了減少多索面斜拉索的零亂感,本橋在35.0 m超寬的橋面上采用單索面結構,其寬跨比較大,荷載的橫向分布與上部結構尺寸有關,其受力特點有別于普通窄橋,所以必須對其進行專門的荷載橫向分布和穩定性分析,不能盲目地借鑒于普通窄橋的相關結論[3]。

2)本橋為了提高橫向面外穩定性,采用了塔、梁、墩固結體系,邊墩采用抗扭支座,上部結構采用了整體箱梁截面[4-6]。

3)由于斜拉索的張拉力將引起整個結構的內力重分布,包括索、梁分擔荷載比以及箱梁結構的橫、縱向荷載分布等,因此應作為重點設計參數。本橋斜拉索的張拉力除了考慮以線形偏差最小為目標及附帶線形調整約束條件的線性優化方法來確定外[7],還受到橋塔內的索鞍尺寸的約束。

4)由于本橋結構特性介于部分斜拉橋和斜拉橋之間,因此采用了索梁活載比對該橋進行界定。

5)由于本橋兩側橋面寬度分別為26.5 m和35.0 m,導致兩側存在不平衡的自重荷載和二期荷載,通過26.5 m寬橋面側壓重以及兩側箱梁預應力的不對稱設計來平衡兩側不對稱的自重荷載和二期荷載,而通過成橋階段二次調整斜拉索索力來調整成橋階段的整體位移和線形。

6)由于本橋橋岸側采用支架施工,江中一側采用掛籃施工,導致施工期間兩側的恒載不平衡,施工期間需要根據實測的橋塔位移和調整下階段的斜拉索索力來抵消由于索鞍處摩阻力較大產生的兩側不平衡索力的不利影響。

4 結構計算

本橋整橋計算采用平面計算模型,并采用梁格理論建立全橋空間結構模型進行驗算,計算結果證明由于采用了相應的構造措施,采用平面計算模型的計算結果與空間計算模型的結構相差很小,可以滿足實際工程設計需要。其中設計荷載計入自重、橋面系自重、預應力、收縮徐變、不均勻沉降等恒載及人群、汽車、風載和溫度等活載;施工方法采用橋岸側一側支架、江中一側掛籃的施工方法。經計算箱梁應力、剛度和強度均滿足現行規范要求。

5 重要設計參數分析

由于本橋結構特性介于部分斜拉橋和斜拉橋之間,因此采用了索梁活載比對該橋進行部分斜拉橋的界定。索梁活載比即為活載作用下的索與梁的響應以比值的形式來表征,當二者的比值在0.5以下時,為典型的矮塔斜拉橋,大于0.5時為斜拉橋。

本橋的索梁活載比為1/3.82,判定本橋為部分斜拉橋,斜拉索的安全系數為2.0,計算結果詳見表1。

表1 均布荷載作用下各拉索內力和支座反力匯總表

6 結語

1)為了滿足景觀要求,減少多索面斜拉索的零亂感,在超寬橋面上采用單索面部分斜拉橋結構,可以得到較好的經濟和景觀效益。2)在超寬的橋面上采用單索面結構,其寬跨比較大,荷載的橫向分布與上部結構尺寸有關,其受力特點有別于普通窄橋,所以必須對其進行專門的荷載橫向分布和穩定性分析,須采用空間結構模型對平面計算模型的計算結果進行驗算,采取必要的構造措施提高橫向面外穩定性。3)對于部分斜拉橋結構特性不明顯的橋型,可以采用索梁活載比進行部分斜拉橋的界定。4)對于兩側存在不平衡的荷載的部分斜拉橋,應采用壓重以及兩側預應力的不對稱設計來平衡,斜拉索索力僅用來調整成橋階段的整體位移和線形。5)部分斜拉橋的斜拉索采用騎跨式布置,會導致索鞍處摩阻力較大,應引起設計上的足夠重視。6)人行道采用預制外掛式,可以有效降低人行過橋的高度,同時減小了掛籃施工期間的懸臂自重,降低了超寬橋面單索面部分斜拉橋施工期間的橫向面外失穩風險。

[1] 燕 明.部分斜拉橋的概念與結構設計[J].交通科技與技術,2006(3):24-26.

[2] 陳從春,肖汝誠.用索梁活載比界定矮塔斜拉橋的方法[J].同濟大學學報(自然科學版),2007(6):1-7.

[3] 胡 永.超寬橋面部分斜拉橋主梁線形控制分析[J].鐵道工程學報,2007(9):14-19.

[4] 陳智仁.渾河上的新型橋梁[J].“SMEDI”2006《城市道橋與防洪》全國高峰論壇專輯,2006(4):37-38.

[5] 李繼東.超寬橋面矮塔斜拉橋設計及施工概況[J].鐵道建筑,2006(8):35-41.

[6] 丁仁軍,陳 濤,謝志恒,等.株洲湘江四橋部分斜拉橋設計[J].公路與汽運,2008(6):8-15.

[7] 鄭一峰,黃 僑,孫永明.部分斜拉橋合理成橋狀態的研究[J].公路交通科技,2006(11):25-28.