自錨式懸索橋加勁梁方案比選與設(shè)計(jì)要點(diǎn)研究

王吉文，周建波

（中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

0 引言

自錨式懸索橋因其剛?cè)岵?jì)的美觀效果、優(yōu)異的受力特性、成熟的施工工藝等特點(diǎn)，在城市橋梁建設(shè)中越來越受到青睞。自錨式懸索橋?qū)⒅骼|錨固在主梁上，通過主梁平衡纜索索力，形成自平衡受力體系，與地錨式懸索橋相比可以不考慮地質(zhì)條件的影響，而且由于免去了巨大的錨錠，降低了工程造價(jià)。此外，自錨式懸索橋相比同等跨徑的其他橋型，更有其特有的曲線線形，外觀優(yōu)雅；除了滿足自身的結(jié)構(gòu)要求外，橋塔型式注入景觀設(shè)計(jì)，造型優(yōu)美。

自錨式懸索橋設(shè)計(jì)中橋塔的受力較為簡單，而主要以考慮美觀效果為主；纜索的設(shè)計(jì)為了保證較好的力學(xué)效果，往往采用雙主纜型式，相關(guān)構(gòu)造型式等也較為簡單；加勁梁的設(shè)計(jì)則更為關(guān)鍵，不僅需要承擔(dān)橋面活載作用，還需要平衡主纜力，因此加勁梁合理的型式和設(shè)計(jì)構(gòu)造方法往往成為自錨式懸索橋設(shè)計(jì)建造的關(guān)鍵[1-2]。

本文以寶雞市聯(lián)盟路渭河大橋?yàn)楣こ桃劳校U述自錨式懸索橋加勁梁設(shè)計(jì)方法與構(gòu)造要點(diǎn)，首先通過加勁梁方案比選分析自錨式懸索橋合理的加勁梁型式及其適用范圍，其次總結(jié)加勁梁設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和要點(diǎn)，通過總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和方法，為類似自錨式懸索橋的設(shè)計(jì)提供支持。

1 依托工程概述

寶雞市聯(lián)盟路渭河大橋主線橋橋梁起點(diǎn)樁號K0+070.850，終點(diǎn)樁號K1+296.150，橋梁全長1 225.3 m，采用城市主干路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。主橋擬定采用“自錨式懸索橋+歐式橋塔”方案，造型新穎、形態(tài)優(yōu)美，東西方建筑特點(diǎn)兼容并蓄，具備城市新地標(biāo)的特點(diǎn)。橋塔采用歐式風(fēng)格，配上一定的建筑設(shè)計(jì)元素，大氣簡潔、造型優(yōu)美，如圖1所示。

圖1 渭河大橋設(shè)計(jì)效果圖

主橋擬采用空間雙索面自錨式懸索橋，主跨橋長200 m，橋面總寬約30 m。主橋采用半漂浮體系，在橋塔、輔助墩及過渡墩位置設(shè)置豎向支座，在塔柱內(nèi)側(cè)設(shè)置橫向限位支座，在橋塔處主梁底部設(shè)置縱向阻尼器。200 m自錨式懸索橋設(shè)計(jì)難點(diǎn)是加勁梁的型式與構(gòu)造，這對于整個(gè)橋梁的受力狀態(tài)以及后期運(yùn)營安全非常關(guān)鍵，結(jié)合該橋梁詳細(xì)探討加勁梁的方案選型與設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

2 加勁梁的方案比選

2.1 加勁梁主要型式及特點(diǎn)

懸索橋加勁梁按結(jié)構(gòu)型式劃分，有邊主梁、整體鋼箱梁、混凝土梁和疊合梁等幾類型式。

混凝土加勁梁通常用在小跨徑的懸索橋上，其自重大，對提高加勁梁抗風(fēng)穩(wěn)定性有利，但同時(shí)混凝土加勁梁自重較大，會增加主纜、吊索及鞍座用鋼量，橋塔、錨固系統(tǒng)工程規(guī)模亦會加大，對工程造價(jià)影響較大，對中大跨懸索橋而言，其經(jīng)濟(jì)性差。邊主梁、鋼箱梁、疊合梁仍然是中大跨度懸索橋加勁梁無可爭議的主流型式。

由于該橋橋址處常年水面標(biāo)高較低，不具備水運(yùn)條件，只能采用公路運(yùn)輸，公路運(yùn)輸對構(gòu)件的最大尺寸有嚴(yán)格的限制，長度不宜超出18 m，寬度不宜超出兩個(gè)車道的寬度，構(gòu)件運(yùn)送至現(xiàn)場后再進(jìn)行組裝拼接，綜合考慮運(yùn)輸情況和現(xiàn)場施工質(zhì)量，鋼箱梁作為整體構(gòu)件，其寬度大、運(yùn)輸困難，若在工廠分割為小塊件，則工地焊縫數(shù)量較多，焊接質(zhì)量難以保證，因此整體鋼箱梁不宜作為備選方案。

邊主梁和疊合梁具有相對優(yōu)勢，僅對此兩種結(jié)構(gòu)型式做深入比選。兩種方案如圖2和圖3所示。

圖2 疊合梁方案示意圖（單位：mm）

圖3 邊主梁方案示意圖（單位：mm）

邊主梁加勁梁在中大跨徑懸索橋中應(yīng)用較多，主要優(yōu)點(diǎn)為：

（1）主梁自重較輕，可減輕主纜、吊索、橋塔及錨固系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，有效節(jié)約材料用量。

（2）結(jié)構(gòu)由幾部分構(gòu)件現(xiàn)場栓接和焊接組拼而成，各部分構(gòu)件尺寸適宜，運(yùn)輸方便。

（3）節(jié)段完全在工廠制造，現(xiàn)場吊裝并完成節(jié)段間連接，然后架設(shè)主纜、張拉吊索，施工方便，易于控制，施工質(zhì)量容易保證，工期較快。

（4）抗風(fēng)性能可滿足要求。

（5）后期涂裝養(yǎng)護(hù)主要為平板構(gòu)件，養(yǎng)護(hù)難度低。

主要缺點(diǎn)是：鋼橋面對橋面鋪裝要求較高。

鋼混疊合梁與邊主梁相比，橋面鋪裝耐久性好，后期養(yǎng)護(hù)成本也相對稍低，主要缺點(diǎn)是：

（1）混凝土橋面板增加了結(jié)構(gòu)自重，造成主纜、吊索、橋塔及錨固系統(tǒng)的材料用量增加，工程造價(jià)也相應(yīng)增加。

（2）橋面板需專門的預(yù)制場地和存放場地，前期投入相對較大，場地布置要求高。

（3）預(yù)制橋面板塊之間濕接頭數(shù)量較多，且現(xiàn)場澆筑、養(yǎng)生施工工序多、施工速度慢，工期會相應(yīng)增加。

（4）張拉吊索時(shí)橋面板易產(chǎn)生裂縫，施工控制難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。

（5）混凝土橋面板與鋼板之間接觸面為維護(hù)死角，后期無法檢查，潮氣長期滲入可引起鋼板和剪力釘銹蝕，存安全隱患。

2.2 方案比選

根據(jù)上述分析，該橋跨度達(dá)200 m，屬于大跨徑橋梁，因此宜采用邊主梁方案或鋼混疊合梁方案。這兩種加勁梁結(jié)構(gòu)型式詳細(xì)的比較見表1。

表1 邊主梁和鋼混疊合梁的技術(shù)比較

兩種加勁梁結(jié)構(gòu)型式對于自錨式懸索橋而言，其抗風(fēng)性能、環(huán)境影響、行車舒適性等均較好滿足要求；此外，兩種結(jié)構(gòu)型式的美觀效果均較好。綜合而言，兩種方案技術(shù)上均可行，從結(jié)構(gòu)施工工期、抗風(fēng)性能、工程造價(jià)、景觀效果等方面考慮，推薦采用邊主梁方案。

該橋橋面較寬，選用邊主梁作為加勁梁有利于減輕主梁自身恒載，減少主纜、主索鞍、橋塔及基礎(chǔ)、散索鞍以及錨固系統(tǒng)等材料用量；邊主梁構(gòu)件均為板件，可實(shí)現(xiàn)工廠標(biāo)準(zhǔn)化，其效率及質(zhì)量控制容易保證；各構(gòu)件為現(xiàn)場栓焊組拼為整體，構(gòu)件出廠尺寸適宜，可適應(yīng)公路運(yùn)輸；同時(shí)在后期維護(hù)方面也具有明顯優(yōu)勢。因此選用邊主梁作為該橋加勁梁方案。

3 加勁梁的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 加勁梁構(gòu)造

該橋加勁梁斷面采用邊主梁斷面型式，由兩側(cè)箱形邊主梁、中間橫梁、主梁外側(cè)懸臂及整體橋面板組成；橋面全寬29.0 m，橋梁中心線處梁高2.5 m，設(shè)2.0%雙向排水坡，橋面采用正交異性板體系，頂板厚16 mm；在車行道頂板下方設(shè)U形縱肋，橫向間距600 mm，U形肋開口寬度300 mm，底部寬度200 mm，高度280 mm，厚度8 mm；在人行道頂板下方設(shè)板式縱肋，板肋高度180 mm，厚度16 mm，橫向間距350 mm。縱肋與邊主梁橫隔板、橫梁腹板垂直相交設(shè)置，并在其上開孔穿過。橋面板、縱肋以及橫隔板、橫梁腹板共同形成了正交異性板結(jié)構(gòu)。橫梁采用倒T形斷面，橋梁中心處高度2.5 m，梁腹板與邊主梁之間采用高強(qiáng)度螺栓連接，底板與邊主梁之間采用現(xiàn)場焊接連接。懸臂長度4.5 m，根部高度1.0 m，端部高度0.4 m，采用倒T形斷面，懸臂腹板與邊主梁之間采用高強(qiáng)度螺栓連接，翼緣與邊主梁之間采用現(xiàn)場焊接連接。如圖4所示是邊主梁的截面型式圖。

圖4 本橋邊主梁截面型式圖

3.2 鋼混連接構(gòu)造

自錨式懸索橋邊主梁需要和主纜處的混凝土主梁進(jìn)行過渡連接，因此鋼混結(jié)合部成為加勁梁受力的關(guān)鍵部位[3]。該處材料特性、結(jié)構(gòu)剛度均發(fā)生突變，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，設(shè)計(jì)及施工處理不當(dāng)，極易出現(xiàn)病害。首先，鋼混結(jié)合部的位置設(shè)置至關(guān)重要，應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)的變形，縱向、橫向結(jié)構(gòu)內(nèi)力及施工等因素；其次，鋼混連接接頭的結(jié)構(gòu)型式需結(jié)合主梁截面型式、傳力方式、受力特點(diǎn)和施工方便等因素進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。

鋼混結(jié)合部的位置應(yīng)設(shè)置在結(jié)構(gòu)變形較小、受力明確、施工較容易的位置，且應(yīng)距離主纜錨固點(diǎn)一定長度，以便于主纜力的擴(kuò)散，使鋼混結(jié)合面受力均勻。根據(jù)該橋跨度布置、橋面寬度、主纜在梁上的錨固位置及其他結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，鋼混接頭設(shè)置在向河側(cè)距輔助墩16 m處較為合適，該處加勁梁豎向變位較小，應(yīng)力幅度變化不大，且距主纜理論錨固點(diǎn)有10 m距離，主纜力可通過10 m米長度范圍均勻擴(kuò)散至整個(gè)鋼混結(jié)合面上，如圖5所示。

圖5 鋼混結(jié)合部示意圖（單位：m）

目前，鋼混結(jié)合部的結(jié)構(gòu)類型較多，主要包括全斷面鋼板承壓式、前承壓板式和后承壓板式。該橋鋼混結(jié)合部采用鋼板承壓式結(jié)構(gòu)，在鋼混結(jié)合面設(shè)置50 mm厚承壓鋼板，鋼梁的內(nèi)力通過承壓鋼板的擴(kuò)散作用傳遞至混凝土梁，傳力路徑明確，為減小結(jié)合面的剛度突變，降低應(yīng)力集中水平，提高結(jié)構(gòu)耐久性，在結(jié)合面之前3.0 m的區(qū)域內(nèi)將邊主梁腹板、縱向板肋逐漸加厚，同時(shí)在U形肋上增設(shè)T形加勁板，達(dá)到增加截面幾何剛度的目的，使內(nèi)力傳遞更加勻順；邊主梁頂、底板深入混凝土梁體一定長度，并在頂、底板上布置剪力釘，通過抗剪方式傳遞部分面板內(nèi)力，也可起到對鋼混結(jié)合面的密封作用，防止雨水的滲入，提高耐久性；為抵抗彎矩造成的拉力，避免結(jié)合面鋼混脫離，在結(jié)合段范圍設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼束，預(yù)應(yīng)力鋼束一端埋入混凝土梁段內(nèi)，另一端錨固于承壓板上，預(yù)應(yīng)力鋼束布置盡量遵循“分散、勻布”的原則，在抵消拉力的同時(shí)，也使結(jié)合面受力均勻。加勁梁的豎向剪力通過承壓板上的剪力釘傳遞至混凝土橫梁。

4 結(jié)語

自錨式懸索橋因其美觀及受力性能優(yōu)異的特點(diǎn)，越來越多地應(yīng)用于城市橋梁建設(shè)中。本文結(jié)合寶雞市渭河大橋的設(shè)計(jì)，對自錨式懸索橋加勁梁的方案選擇及設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析，相關(guān)方法和結(jié)論可為類似橋梁的設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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