無上橫梁直塔斜拉橋節點設計

黃剛

(林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司,重慶市 401121)

無上橫梁直塔斜拉橋節點設計

黃剛

(林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司,重慶市 401121)

通過介紹重慶水土嘉陵江大橋主要構件設計,和建立墩、塔和梁固結的三維有限元模型進行結構分析,詳細描述了無上橫梁直塔斜拉橋主要節點設計和受力特點。

斜拉橋；無上橫梁；墩塔梁固結

0 引言

隨著市民審美觀不斷提升,城市橋梁在滿足最基本的交通功能外,景觀造型越來越受到重視。無上橫梁直塔斜拉橋因其造型美觀、施工方便和經濟適用的優點,正在被橋梁工程師所接受。

1 工程描述

重慶水土嘉陵江大橋連接兩江新區水土組團和北碚蔡家組團，全長972 m,主跨388 m,主橋為61 m+199 m+388 m+128 m高低塔雙索面疊合梁斜拉橋,見圖1,橋寬31.8 m,雙向六車道設計。橋塔為無橫梁方尖碑造型,主梁為疊合梁結構,橋墩高度均在70 m左右。

無上橫梁直塔設計是本橋景觀設計的亮點,具有較強的視覺沖擊效果,在國內首次采用。

2 結構設計

2.1 橋塔設計

本橋位于U型河谷地區,受主通航孔限制,采用高低塔斜拉橋形式。考慮到造型美觀需要,橋塔采用方尖碑無上橫梁造型,見圖2。橋塔斷面為五邊形空心薄壁結構,為減少水流阻力,下塔柱外側加設三角分水尖。

橋塔在橋面以上無橫梁結構,相對常規“H”、“A”型橋塔的橫向穩定性能較弱,是設計成敗的關鍵節點。上塔柱受力以軸壓為主,拉索索力不對稱會引起面內彎矩,橫向風力和拉索偏心則會引起面外彎矩。軸壓和面內彎矩與常規橋塔并無差異,面外彎矩則會引起更大的變形。橋塔橫向受力對橫截面設計影響較大。

由于橋塔未設置上橫梁,為了確保橋塔抗風穩定及受力需求,要求拉索錨固與橋塔截面形心在同一平面以減少附加彎矩。為了確保索塔錨固區截面形心一致,高塔錨固區標準截面壁厚由0.6～1.5 m不等厚,上塔柱在截面變化段橋塔靠車行道側塔壁由1.5 m厚變化到2.5 m厚,下塔柱除設置過渡段以外,其他壁厚均為1.1 m厚。同樣原因低塔錨固區標準截面壁厚由0.6～1.36 m不等厚,上塔柱在截面變化段橋塔靠車行道側塔壁由1.36厚變化到1.72 m 厚,下塔柱除設置過渡段以外,其他壁厚均為1.0 m厚,見圖3。高塔橫梁寬8.2 m,橫梁中部高7 m,與塔柱相交段截面高8 m；低塔橫梁寬6.7 m,橫梁中部高6 m,與塔柱相交段截面高7 m。

目前常用的索塔錨固形式有兩種,即環向預應力錨固形式和鋼箱梁錨固形式。鋼錨箱形式構造簡單、受力較為明確,力學性能有保證、施工質量易控制；相較而言環向預應力錨固形式造價低,并且后期養護費用較低。經綜合比較,本橋采用環向預應力錨固形式。為了滿足索塔錨固區受力和預應力布置的要求,錨固截面設置一道50cm厚的豎向隔板。

2.2 塔梁連接設計

斜拉橋的塔梁連接設計主要考慮結構受力最優,并兼顧構造設計方便。但直塔斜拉橋塔梁連接構造相對復雜,設計時需同時滿足受力和構造設計方便的要求。

水土嘉陵江大橋為疊合梁斜拉橋,為減少橋塔面外彎矩,拉索、主梁工字鋼腹板和上塔柱形心在同一豎直面內。這樣的布置形式決定了塔梁連接方案,一是采用塔梁固結方式,二是采用鋼主梁通過孔洞穿過橋塔,三是采用主梁繞塔方式。方案一構造設計簡單,本橋墩高70 m左右,溫度及地震影響較小,容易克服；方案二需要考慮橋塔開孔造成的應力集中和支座養護更換的問題；方案三構造復雜,受力不合理,造價較高。綜合考慮各種連接形式的優缺點,本橋采用塔梁固結方式。

圖1 立面布置圖(單位:m)

圖2 橋塔立面圖(單位:m)

圖3 橋塔斷面圖(單位:cm)

本橋墩塔梁固結采用混凝土板連續、鋼梁在橋塔位置斷開的處理方式,可以最大程度減少因鋼梁穿塔造成橋塔鋼筋被截斷的現象。斜拉橋主梁在橋塔根部位置以受壓為主,可以通過調整索力和張拉預應力等措施保證鋼梁全截面處于受壓狀態。鋼梁通過鋼墊板支撐在橋塔實心塔壁上,并借助鋼墊板上錨釘和對拉預應力確保塔梁共同受力。

2.3 斜拉索布置

對于無上橫梁直塔斜拉橋而言,拉索作用比較重要。在縱橋向,斜拉橋的存在有助于減少橋塔的自由長度和縱向彎矩；對于橫橋向,拉索的偏心誤差直接決定了橋塔的橫向彎矩,同時也改變了橋塔橫向穩定。

橋塔計算長度取值是橋塔截面設計計算的關鍵參數之一。橋塔的壓桿穩定模型是確定其計算長度的關鍵因素。斜拉索的參與使橋塔計算長度不再是2 l0,而是根據拉索作用方向和位置取不同的計算長度。斜拉索在縱橋向對橋塔有約束作用,橋塔約束與一端固結一端滑動約束模型接近,偏保守取值,可以取0.7 l0作為計算長度；斜拉索在橫橋向對塔的約束較弱,但梁、索共同作用下,橋塔彎曲割線為拉索受力方向,故計算長度可以偏安全取10,見圖4。

2.4 整體抗風設計

自從上世紀四十年代舊塔科馬大橋被風吹毀后,人們開始重視風對橋梁結構的動力作用。橋梁顫振是純扭轉或彎曲和扭轉耦合的發散自激振動,當其不斷吸收能量超過結構自身阻尼,導致振幅逐步增大直至結構破壞。渦振則關系到行車舒適性,也需要重視。疊合梁斜拉橋的特點是重量較輕、抗扭剛度小、阻尼比小,采用平面拉索的無上橫梁體系抗扭剛度更弱,根據《公路橋梁抗風設計規范》(JTG/T D60-01-2004)6.3.1條計算顫振穩定性指數If=［Vcr］/ft/B,需要采用風洞試驗進行檢驗。

圖4 拉索幫助下的橋塔穩定計算模型

根據水土嘉陵江大橋風洞試驗結果顯示,需要對主梁斷面采取必要的抗風措施方能克服顫振和渦振對橋梁的不利影響。在經過多次試驗比對,最終確定采用梁底1.5 m寬平隔板+上、下穩定板的抗風形式,見圖5,其顫振最小風速在+3°～-3°攻角范圍內均大于80 m/s,大于59 m/s的檢驗風速,渦振豎彎位移在-3°攻角時達到最大6 cm,扭轉角度在0°攻角時最大為0.241°,均小于規范限值。

圖5 風洞模型照片

3 結構分析

針對水土嘉陵江大橋無上橫梁直塔斜拉橋的結構特點,主要對其橋塔和主梁受力以及動力特性進行計算分析。計算采用較為成熟的空間有限元軟件MIDAS CIVIL(8.2.1),通過三桿系模擬主梁,并通過剛臂單元連接,橋塔采用桿系單元,斜拉索采用桁架單元模擬。計算結果按照公路橋梁規范相關要求進行組合

主梁計算結果顯示,混凝土橋面板以受壓為主,計算裂縫小于0.2 mm限值,容許承載力滿足規范要求。鋼梁最大壓應力小于強度容許值,穩定驗算滿足規范要求。汽車荷載作用下中跨撓度為29.8 cm,南邊跨為11.9 cm,撓跨比均小于L/400的容許值。

橋塔計算結果顯示,“恒載+E2地震”為控制性工況,承載能力極限狀態安全系數最小為1.14；最不利組合下裂縫位置位于P6塔塔底截面,裂縫寬度為0.038 mm,小于規范容許值0.2 mm。

塔梁連接是本次計算的關鍵節點之一。計算分析表明(見圖6),塔梁結合段混凝土凸塊的第三主應力(主壓應力)小于C55混凝土的抗壓強度標準值；塔梁結合段鋼梁和塔梁結合段鋼墊板的MISES應力均小于Q420的屈服強度標準值。墩塔梁固結構件受力滿足現有規范和結構材料容許范圍。

圖6 塔梁結合段構件受力

4 結論及建議

水土嘉陵江大橋采用無上橫梁直塔形式,結構新穎,造型美觀,為國內首次采用。在設計此類橋梁時,應確保拉索平面與上塔柱形心連線為一條垂線,其次是橋塔截面擬定需要考慮地震荷載、風荷載和溫度荷載影響,同時確保上塔柱型心在豎直面內。塔梁連接等關鍵部位可根據主梁形式采用不同的處理方式,條件允許時采用墩梁塔固結構造比較簡單。

［1］ JTG/T D65-01-2007，公路斜拉橋設計細則［S］.

［2］ JTG/T D60-01-2004，公路橋梁抗風設計規范［S］.

［3］ 劉士林，王似舜.斜拉橋設計［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［4］ 哈鴻.青洲閩江大橋的抖振分析及風載內力計算［J］.同濟大學學報，2001(1):75-79.

［5］ 高宗余.青洲閩江大橋結合梁斜拉橋設計［J］. 橋梁建設，2001(4): 13-17.

［6］ 宋若望，袁帥華.斜拉橋異型主塔穩定性研究［J］.湖南工程學院學報，2014(3):67-70.

U448.27

B

1009-7716(2015)09-0092-03

2015-05-08

黃剛(1977-),男,四川達州人,高級工程師,從事橋梁設計工作。