黃剛

(林同棪國(guó)際工程咨詢(xún)(中國(guó))有限公司,重慶市 401121)

無(wú)上橫梁直塔斜拉橋節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

黃剛

(林同棪國(guó)際工程咨詢(xún)(中國(guó))有限公司,重慶市 401121)

通過(guò)介紹重慶水土嘉陵江大橋主要構(gòu)件設(shè)計(jì),和建立墩、塔和梁固結(jié)的三維有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,詳細(xì)描述了無(wú)上橫梁直塔斜拉橋主要節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和受力特點(diǎn)。

斜拉橋；無(wú)上橫梁；墩塔梁固結(jié)

0 引言

隨著市民審美觀不斷提升,城市橋梁在滿(mǎn)足最基本的交通功能外,景觀造型越來(lái)越受到重視。無(wú)上橫梁直塔斜拉橋因其造型美觀、施工方便和經(jīng)濟(jì)適用的優(yōu)點(diǎn),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(qū)水土組團(tuán)和北碚蔡家組團(tuán)，全長(zhǎng)972 m,主跨388 m,主橋?yàn)?1 m+199 m+388 m+128 m高低塔雙索面疊合梁斜拉橋,見(jiàn)圖1,橋?qū)?1.8 m,雙向六車(chē)道設(shè)計(jì)。橋塔為無(wú)橫梁方尖碑造型,主梁為疊合梁結(jié)構(gòu),橋墩高度均在70 m左右。

無(wú)上橫梁直塔設(shè)計(jì)是本橋景觀設(shè)計(jì)的亮點(diǎn),具有較強(qiáng)的視覺(jué)沖擊效果,在國(guó)內(nèi)首次采用。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 橋塔設(shè)計(jì)

本橋位于U型河谷地區(qū),受主通航孔限制,采用高低塔斜拉橋形式?？紤]到造型美觀需要,橋塔采用方尖碑無(wú)上橫梁造型,見(jiàn)圖2。橋塔斷面為五邊形空心薄壁結(jié)構(gòu),為減少水流阻力,下塔柱外側(cè)加設(shè)三角分水尖。

橋塔在橋面以上無(wú)橫梁結(jié)構(gòu),相對(duì)常規(guī)“H”、“A”型橋塔的橫向穩(wěn)定性能較弱,是設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。上塔柱受力以軸壓為主,拉索索力不對(duì)稱(chēng)會(huì)引起面內(nèi)彎矩,橫向風(fēng)力和拉索偏心則會(huì)引起面外彎矩。軸壓和面內(nèi)彎矩與常規(guī)橋塔并無(wú)差異,面外彎矩則會(huì)引起更大的變形。橋塔橫向受力對(duì)橫截面設(shè)計(jì)影響較大。

由于橋塔未設(shè)置上橫梁,為了確保橋塔抗風(fēng)穩(wěn)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(qū)截面形心一致,高塔錨固區(qū)標(biāo)準(zhǔn)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(chē)行道側(cè)塔壁由1.5 m厚變化到2.5 m厚,下塔柱除設(shè)置過(guò)渡段以外,其他壁厚均為1.1 m厚。同樣原因低塔錨固區(qū)標(biāo)準(zhǔn)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(chē)行道側(cè)塔壁由1.36厚變化到1.72 m 厚,下塔柱除設(shè)置過(guò)渡段以外,其他壁厚均為1.0 m厚,見(jiàn)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(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固形式和鋼箱梁錨固形式。鋼錨箱形式構(gòu)造簡(jiǎn)單、受力較為明確,力學(xué)性能有保證、施工質(zhì)量易控制；相較而言環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固形式造價(jià)低,并且后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用較低。經(jīng)綜合比較,本橋采用環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固形式。為了滿(mǎn)足索塔錨固區(qū)受力和預(yù)應(yīng)力布置的要求,錨固截面設(shè)置一道50cm厚的豎向隔板。

2.2 塔梁連接設(shè)計(jì)

斜拉橋的塔梁連接設(shè)計(jì)主要考慮結(jié)構(gòu)受力最優(yōu),并兼顧構(gòu)造設(shè)計(jì)方便。但直塔斜拉橋塔梁連接構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜,設(shè)計(jì)時(shí)需同時(shí)滿(mǎn)足受力和構(gòu)造設(shè)計(jì)方便的要求。

水土嘉陵江大橋?yàn)榀B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(nèi)。這樣的布置形式?jīng)Q定了塔梁連接方案,一是采用塔梁固結(jié)方式,二是采用鋼主梁通過(guò)孔洞穿過(guò)橋塔,三是采用主梁繞塔方式。方案一構(gòu)造設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(kāi)孔造成的應(yīng)力集中和支座養(yǎng)護(hù)更換的問(wèn)題；方案三構(gòu)造復(fù)雜,受力不合理,造價(jià)較高。綜合考慮各種連接形式的優(yōu)缺點(diǎn),本橋采用塔梁固結(jié)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(jié)采用混凝土板連續(xù)、鋼梁在橋塔位置斷開(kāi)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?cái)嗟默F(xiàn)象。斜拉橋主梁在橋塔根部位置以受壓為主,可以通過(guò)調(diào)整索力和張拉預(yù)應(yīng)力等措施保證鋼梁全截面處于受壓狀態(tài)。鋼梁通過(guò)鋼墊板支撐在橋塔實(shí)心塔壁上,并借助鋼墊板上錨釘和對(duì)拉預(yù)應(yīng)力確保塔梁共同受力。

2.3 斜拉索布置

對(duì)于無(wú)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(zhǎng)度和縱向彎矩；對(duì)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(shí)也改變了橋塔橫向穩(wěn)定。

橋塔計(jì)算長(zhǎng)度取值是橋塔截面設(shè)計(jì)計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)之一。橋塔的壓桿穩(wěn)定模型是確定其計(jì)算長(zhǎng)度的關(guān)鍵因素。斜拉索的參與使橋塔計(jì)算長(zhǎng)度不再是2 l0,而是根據(jù)拉索作用方向和位置取不同的計(jì)算長(zhǎng)度。斜拉索在縱橋向?qū)蛩屑s束作用,橋塔約束與一端固結(jié)一端滑動(dòng)約束模型接近,偏保守取值,可以取0.7 l0作為計(jì)算長(zhǎng)度；斜拉索在橫橋向?qū)λ募s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(jì)算長(zhǎng)度可以偏安全取10,見(jiàn)圖4。

2.4 整體抗風(fēng)設(shè)計(jì)

自從上世紀(jì)四十年代舊塔科馬大橋被風(fēng)吹毀后,人們開(kāi)始重視風(fēng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用。橋梁顫振是純扭轉(zhuǎn)或彎曲和扭轉(zhuǎn)耦合的發(fā)散自激振動(dòng),當(dāng)其不斷吸收能量超過(guò)結(jié)構(gòu)自身阻尼,導(dǎo)致振幅逐步增大直至結(jié)構(gòu)破壞。渦振則關(guān)系到行車(chē)舒適性,也需要重視。疊合梁斜拉橋的特點(diǎn)是重量較輕、抗扭剛度小、阻尼比小,采用平面拉索的無(wú)上橫梁體系抗扭剛度更弱,根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T D60-01-2004)6.3.1條計(jì)算顫振穩(wěn)定性指數(shù)If=［Vcr］/ft/B,需要采用風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)。

圖4 拉索幫助下的橋塔穩(wěn)定計(jì)算模型

根據(jù)水土嘉陵江大橋風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果顯示,需要對(duì)主梁斷面采取必要的抗風(fēng)措施方能克服顫振和渦振對(duì)橋梁的不利影響。在經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)比對(duì),最終確定采用梁底1.5 m寬平隔板+上、下穩(wěn)定板的抗風(fēng)形式,見(jiàn)圖5,其顫振最小風(fēng)速在+3°～-3°攻角范圍內(nèi)均大于80 m/s,大于59 m/s的檢驗(yàn)風(fēng)速,渦振豎彎位移在-3°攻角時(shí)達(dá)到最大6 cm,扭轉(zhuǎn)角度在0°攻角時(shí)最大為0.241°,均小于規(guī)范限值。

圖5 風(fēng)洞模型照片

3 結(jié)構(gòu)分析

針對(duì)水土嘉陵江大橋無(wú)上橫梁直塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),主要對(duì)其橋塔和主梁受力以及動(dòng)力特性進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算采用較為成熟的空間有限元軟件MIDAS CIVIL(8.2.1),通過(guò)三桿系模擬主梁,并通過(guò)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(jì)算結(jié)果按照公路橋梁規(guī)范相關(guān)要求進(jìn)行組合

主梁計(jì)算結(jié)果顯示,混凝土橋面板以受壓為主,計(jì)算裂縫小于0.2 mm限值,容許承載力滿(mǎn)足規(guī)范要求。鋼梁最大壓應(yīng)力小于強(qiáng)度容許值,穩(wěn)定驗(yàn)算滿(mǎn)足規(guī)范要求。汽車(chē)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(jì)算結(jié)果顯示,“恒載+E2地震”為控制性工況,承載能力極限狀態(tài)安全系數(shù)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(guī)范容許值0.2 mm。

塔梁連接是本次計(jì)算的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)之一。計(jì)算分析表明(見(jiàn)圖6),塔梁結(jié)合段混凝土凸塊的第三主應(yīng)力(主壓應(yīng)力)小于C55混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；塔梁結(jié)合段鋼梁和塔梁結(jié)合段鋼墊板的MISES應(yīng)力均小于Q420的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。墩塔梁固結(jié)構(gòu)件受力滿(mǎn)足現(xiàn)有規(guī)范和結(jié)構(gòu)材料容許范圍。

圖6 塔梁結(jié)合段構(gòu)件受力

4 結(jié)論及建議

水土嘉陵江大橋采用無(wú)上橫梁直塔形式,結(jié)構(gòu)新穎,造型美觀,為國(guó)內(nèi)首次采用。在設(shè)計(jì)此類(lèi)橋梁時(shí),應(yīng)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(fēng)荷載和溫度荷載影響,同時(shí)確保上塔柱型心在豎直面內(nèi)。塔梁連接等關(guān)鍵部位可根據(jù)主梁形式采用不同的處理方式,條件允許時(shí)采用墩梁塔固結(jié)構(gòu)造比較簡(jiǎn)單。

［1］ JTG/T D65-01-2007，公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則［S］.

［2］ JTG/T D60-01-2004，公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］ 劉士林，王似舜.斜拉橋設(shè)計(jì)［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(fēng)載內(nèi)力計(jì)算［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001(1):75-79.

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

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

U448.27

B

1009-7716(2015)09-0092-03

2015-05-08

黃剛(1977-),男,四川達(dá)州人,高級(jí)工程師,從事橋梁設(shè)計(jì)工作。