獨塔空間索面自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)設計

2012-06-29 08:14:12郭錦良

城市道橋與防洪 2012年4期

郭錦良

(廣州瀚陽工程咨詢有限公司，廣東廣州510620)

1 工程概況及技術標準

根據(jù)唐山灣國際旅游島的總體規(guī)劃中四縱三橫、六點一片的交通體系，擬建設迎賓路跨海特大橋工程。該工程路線設計長度為1 605.824 m。其中，道路全長為75.524 m，橋梁全長為1 530.3 m。主橋橋長330.3 m，采用獨塔空間索面自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)（見圖1）橋跨布置為：7.15 m（北邊跨牛腿）+108 m（混凝土加勁梁副跨）+168 m（混凝土加勁梁主跨）+40 m（主跨協(xié)作跨）+7.15 m（南邊跨牛腿）。

橋梁技術標準：（1）一級公路兼城市主干道；（2）設計車速：60 km/h；（3）車道：雙向 4 車道；（4）年平均相對濕度：67%；（5）荷載標準：公路—Ⅰ級、人群 2.5 kN/m2。

橋面布置：3.0 m(人行道兼非機動車道)+1.5 m(纜索保護區(qū))+8.0 m(車行道)+0.5 m(中央防撞護欄)+8.0 m(車行道)+1.5 m(纜索保護區(qū))+3.0 m(人行道兼非機動車道)＝25.5 m。

2 結(jié)構(gòu)體系的選擇

17號橋墩處選擇墩梁固結(jié)。18號橋塔處：豎向采用支座支承，橫橋向設置限位裝置，縱橋向設置阻尼器。19號及20號橋墩處：豎向采用支座支承，橫橋向設置限位裝置，縱橋向設置阻尼器。

3 主要構(gòu)件設計參數(shù)

3.1 橋塔設計（見圖2）

橋塔外觀采用“菩提葉”形狀設計，以菩提葉的形狀呼應當?shù)仄刑釐u的佛教文化，梭形的橋塔又吸取了西方哥特式教堂的尖塔元素，表達了祥云島上復原圓明園與西方文化淵源。

橋塔上、下塔柱為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，塔高99.548 m，其中主體結(jié)構(gòu)高82.43 m，塔頂鞍罩高17.118 m。橋面設計高程以上部分塔高為76.968 m，其中塔柱部分高為59.85 m。塔底設計高程為0.84 m（采用85黃海高程系統(tǒng)），塔頂設計高程為100.388 m。下塔柱橫橋向外側(cè)壁厚度由2.3 m變化至2.0 m，內(nèi)側(cè)壁厚度由1.5 m變化至1.2 m，順橋向兩側(cè)壁厚度由2.1 m變化至1.6 m。上塔柱橫橋向外側(cè)壁厚度由2.0 m變化至1.5 m，內(nèi)側(cè)壁厚度由1.5 m變化至1.2 m，順橋向兩側(cè)壁厚度由1.5 m變化至1.3 m。塔柱內(nèi)室于距塔底31.699 m、43.699 m、55.699 m、67.699 m處各設置一道50 cm厚的水平隔板。塔柱標準截面外輪廓面積為30.25 m2，挖空率為23.3%。

3.2 橋墩設計

橋墩包含17號墩、19號墩和20號墩，其中17號墩為剛構(gòu)墩，19號墩及20號墩為支座墩。橋墩墩身均采用單薄壁實心墩結(jié)構(gòu)形式設計，17#墩身為A類預應力混凝土構(gòu)件，19#及20#墩為全預應力混凝土構(gòu)件，橫截面呈圓端形布置，有助于減小水流阻力。薄壁墩墩身標準厚度為2.0 m，墩身總寬23.0 m，橋墩中部設置寬度為7.0 m的拱形門，增加了橋下的通透性和美觀性。

3.3 加勁梁設計（見圖3）

加勁梁采用C60混凝土結(jié)構(gòu)，包含中間節(jié)段（標準段）、北側(cè)主纜錨固塊、南側(cè)主纜錨固塊、A合攏段及B合攏段。加勁梁中間節(jié)段（標準段）采用單箱三室魚腹式斷面形式，橫截面中間處梁高為2.5 m，懸臂長度采用2.765 m。頂板寬度為25.5 m，厚度為25 cm；底板寬度為20.1 m，厚度為25 cm；中腹板厚度為40 cm，邊斜腹板變厚。箱梁標準室寬為5.5 m。梁體橋塔處橫梁寬度為3.0 m，吊點處橫隔板厚度為40 cm，吊點處橫隔縱向間距為6.0 m。

3.4 主纜設計

該橋主纜采用預制平行索股逐根架設的施工方法（PPWS），其抗拉強度不小于1 670 MPa。主纜由3跨組成，副跨—主跨—主跨錨跨。副跨理論跨徑102.5 m，主跨理論跨徑168.0 m。綜合考慮主纜纜力、橋梁整體剛度、塔高等因素，經(jīng)分析比較后，主跨的理論垂跨比為1:10.45。

圖1 主橋橋型立面圖

圖2 塔柱截面及三維圖

圖3 加勁梁標準斷面圖

全橋主纜共2根，每根主纜中含61股平行鋼絲索股，每股含127φ5.0 mm的鍍鋅高強鋼絲，豎向排列成尖頂?shù)恼呅?。緊纜后，主纜為圓形，其直徑為 486 mm(索夾內(nèi))和 492 mm（索夾外）。

高鐵對琿春市旅游業(yè)產(chǎn)生了巨大影響，長琿高鐵于2015年9月20日正式開通運營，對比2014年至2017年黃金周琿春市重點景區(qū)旅游數(shù)據(jù)可以看到，高鐵對琿春市旅游業(yè)的巨大推動作用。

3.5 吊索及索夾設計

配合加勁梁梁段的劃分及長度，主跨設順橋向間距6 m的24個吊點，副跨設順橋向間距6m的16個吊點。所有吊索均采用109φ5.0鍍鋅平行高強鋼絲并帶HDPE護套的成品索。全橋共160根（80組）吊索，吊索抗拉強度不小于1 670 MPa。

索夾由于吊索拉力及主纜傾角不同，索夾長度和螺桿數(shù)量均不相同。為便于制造和施工，將相近長度的索夾并為：索夾A～I共九類，其中索夾H為散索套（鞍）附近的無吊索索夾（兼有連接防護套功能），索夾I為主索鞍出口處楔形密閉式索夾（連接防護套）。索夾采用上、下對合型設計，通過M36螺桿進行連接，每根M36螺桿設計最終預緊力為450 kN。在吊索安裝張拉完畢及主纜防護前，分兩次再張拉，補足螺桿預緊力。

3.6 基礎設計

橋塔承臺長 22.75 m、寬16.5 m、高7.0 m，其中加臺部分高為3.0 m，兩個承臺間加設橫向聯(lián)系梁，系梁高4.0 m，寬6.0 m。橋塔基礎采用鉆孔灌注樁，樁徑為D2.5 m,計算樁長100 m，樁間距為6.25 m，單樁樁頂豎向力設計值按23 500 kN控制，每個承臺下設置12根樁，共計24根樁。

橋墩承臺長24.4 m、寬8.7 m、高4.0 m，橋墩基礎采用鉆孔灌注樁，樁徑為D2.0 m，橫橋向樁間距為5.3 m，縱橋向樁間距為5.5 m。單樁樁頂豎向力設計值按15 000 kN控制，每個承臺下設置10根樁。

4 模型介紹

主橋整體分析采用兩種計算方法：（1）大位移理論，該橋施工階段模擬采用大位移理論考慮施工階段的大位移（幾何非線性）特性。（2）線性有限位移法，成橋階段采用線性有限位移法將成橋狀態(tài)下的主纜和吊索內(nèi)力轉(zhuǎn)換為幾何剛度后做線性分析。該橋采用Midas civil橋梁分析軟件進行結(jié)構(gòu)分析計算（見圖4）。實際建模過程中，將主梁、橋墩及橋塔按三維梁單元模擬；將主纜及吊索按三維索單元模擬。主梁共劃分115個梁單元，橋塔共劃分63個梁單元，橋墩均劃分為7個梁單元，主纜共劃分為88個索單元，吊索共劃分為80個索單元。

圖4 Midas civil程序中主橋三維圖

采用Midas civil橋梁分析軟件對獨塔類型的懸索橋成橋線形進行求解時，往往會遇到很多困難。該橋通過采用“平良法”操作技巧，避免了很多問題。“平良法”的操作步驟：（1）利用建模助手建立第一個雙塔模型用于尋找獨塔主跨主纜線形，按目標參數(shù)調(diào)整雙塔模型的主纜線形，使其邊跨主纜線形接近獨塔主跨主纜線形。（2）利用建模助手建立第二個雙塔模型用于尋找獨塔邊跨主纜線形，以步驟1的主纜水平力為目標更新第二個雙塔模型的主纜線形。（3）利用建模助手建立第三個雙塔模型，通過刪除另一半得到獨塔的全橋模型，并將步驟（1）、（2）所得的雙塔模型的邊跨主纜線形、初始內(nèi)力及吊索的初始內(nèi)力更新至獨塔的全橋模型中的“懸索橋分析”。（4）運行步驟（3）的模型，主纜及吊索的初始內(nèi)力將發(fā)生變化。（5）利用步驟（4）各吊索初始內(nèi)力的變化量，調(diào)整各吊索承擔的恒載，重復步驟（1）～（4），直至步驟（4）的變化量達到設計要求。

5 主要荷載確定

（1）結(jié)構(gòu)自重：預應力混凝土結(jié)構(gòu)按26 kN/m3計算自重，普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)按25 kN/m3計算自重；鋼結(jié)構(gòu)按78.5 kN/m3計算自重。

（2）二期恒載：按40 kN/m取用。

（4）預應力：預應力管道采用塑料波紋管成形，管道摩擦系數(shù)u=0.17，管道偏差系數(shù)K=0.001 5，錨具變形和鋼束回縮量為6 mm（單端），管道壓漿采用真空灌漿工藝。

（5）基礎變位：主橋主塔不均勻沉降按25 mm考慮，邊墩不均勻沉降按20 mm考慮；運營階段基礎沉降率估算見表1所列。

表1 運營階段基礎沉降量估算一覽表

（6）汽車荷載：整體計算采用公路—I級車道荷載，按4車道計算，計算時考慮車道荷載的縱、橫向折減系數(shù)，汽車沖擊力按規(guī)范取值，橫向計算及局部計算時采用車輛荷載計算，汽車沖擊力按規(guī)范取值1.3。

（7）汽車制動力：單車道制動力按加載長度上的豎向靜活載的10%計算，并不小于165 kN，多車道按規(guī)范乘以以下系數(shù)取值，同向2車道為2，同向3車道為2.34，同向4車道為2.68。

（8）人群荷載：單側(cè)人群線荷載為8.63 kN/m。

（9）橋址處設計基本風速按《公路橋梁抗風設計規(guī)范》(JTG/T D60-01-2004)附錄A取值，按100 a重現(xiàn)期的26.7 m/s風速取值，并按《公路橋梁抗風設計規(guī)范》(JTG/T D60-01-2004)相關規(guī)定計算加勁梁、橋塔及拉索縱橋向及橫橋向的風荷載。

（10）整體升降溫：橋址處多年平均氣溫10.2℃，結(jié)構(gòu)設計基準溫度為10℃；混凝土梁體系升溫20℃、體系降溫-20℃。

（11）溫度梯度：混凝土結(jié)構(gòu)豎向溫差按《公路橋涵設計通用規(guī)范》計算。

（12）構(gòu)件溫差：主纜與混凝土加勁梁、混凝土橋塔間的溫差取±15℃。

（13）地震作用：地震動峰值加速度為0.15 g。

（14）船只撞擊作用：橫橋向撞擊力為6 424 kN，順橋向撞擊力為4 818 kN。

6 主要施工步驟

（1）施工橋塔樁基礎及橋墩樁基礎；（2）分層澆筑橋塔承臺基礎及橋墩承臺基礎；（3）施工橋塔下塔柱及下橫梁；（4）施工橋塔上塔柱節(jié)段和橋墩墩身；（5）搭設加勁梁澆筑支架,并對支架進行預壓；（6）施工加勁梁節(jié)段構(gòu)件；（7）繼續(xù)施工橋塔上塔柱節(jié)段；（8）施工加勁梁北、南側(cè)錨固塊；（9）繼續(xù)施工橋塔上塔柱節(jié)段；（10）澆筑加勁梁北、南側(cè)合攏段；（11）施工橋塔上橫梁；（12）安裝主索鞍及散索套的下半部；（13）安裝貓道；（14）架設主纜索股，調(diào)整主纜線形及錨固跨拉力；（15）安裝副跨散索套和主跨散索套的上半部，并擰緊螺栓；（16）緊纜及安裝索夾；（17）安裝吊索；（18）拆除主梁支架及橋塔下橫梁支架；（19）施工橋面系。

7 主纜成橋線形及空纜坐標

主纜成橋線形見圖5所示?？绽|坐標見表2所列。

8 主纜中心索股及吊索無應力長度

8.1 主纜中心索股無應力長度（見圖6，表3）

8.2 吊索無應力長度（見表4）

9 主要構(gòu)件力學分析結(jié)果（見表5～9）

該橋的加勁梁、主纜、吊索及基礎等構(gòu)件由靜力工況控制設計，各個計算指標均滿足要求；橋塔塔柱及橋墩構(gòu)件則由地震工況控制設計。其中，橋墩按能力保護構(gòu)件進行設計。經(jīng)分析，E1地震組合作用下，橋墩處于彈性受力階段；E2地震組合作用下，橋墩潛在塑性鉸區(qū)域進入塑性受力階段，其轉(zhuǎn)角、側(cè)移及抗剪能力均滿足規(guī)范要求。