西山西路自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

丁勇

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司,上海市200092）

西山西路自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

丁勇

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司,上海市200092）

鄂爾多斯市西山西路橋采用雙塔三跨自錨式懸索橋,主橋?yàn)榭鐝讲贾?8 m+140 m+58 m=256 m,橋?qū)?0.1 m?，F(xiàn)對(duì)西山西路橋總體設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行闡述,并利用有限元軟件對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析。設(shè)計(jì)實(shí)踐表明:自錨式懸索橋不僅橋型美觀,而且結(jié)構(gòu)體系合理。

自錨式懸索橋；建模分析；體系合理

1 工程概況

西山西路為鄂爾多斯市伊金霍洛旗城區(qū)內(nèi)的一條南北向主干路。該工程北側(cè)起點(diǎn)為西山西路與體育路交叉口,南側(cè)終點(diǎn)接入阿四公路,中間跨越掌崗圖河。橋梁位于掌崗圖河的彎道上,西山西路與河道成斜交布置。橋梁采用雙塔三跨自錨式懸索橋的橋型方案。橋跨徑組合為:58 m+140 m+ 58 m=256 m,橋?qū)?0.1 m。

1.1 主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級(jí):城市主干路；

（2）荷載標(biāo)準(zhǔn):城-A級(jí)；

（3）計(jì)算行車速度:50 km/h；

（4）橋梁寬度:機(jī)動(dòng)車道為雙向6車道,并考慮人行及非機(jī)動(dòng)車道,具體為0.3 m（欄桿）+2.0 m（人行道）+3.5 m（非機(jī)動(dòng)車道）+3.0 m（機(jī)非分隔帶）+2× 11.25 m（機(jī)動(dòng)車道）+3.0 m（機(jī)非分隔帶）+3.5 m（非機(jī)動(dòng)車道）+2.0 m（人行道）+0.3 m（欄桿）=40.1 m；

（5）環(huán)境類別:Ⅱ級(jí),嚴(yán)寒地區(qū),環(huán)境作用等級(jí)II-C；

（6）抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn):地震設(shè)防烈度為6度,水平向設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)加速度峰值為0.05 g,地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s,橋梁抗震設(shè)防類別甲類；

（7）設(shè)計(jì)風(fēng)荷載:取100 a重現(xiàn)期,基本風(fēng)速33.7 m/s,基本風(fēng)壓0.60 Pa,橋梁所在場(chǎng)地地表類別為B類。

1.2 橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)

該橋結(jié)構(gòu)為雙塔三跨自錨式懸索橋。

雙塔自錨式懸索橋主纜矢跨比一般為1/8～1/4。從結(jié)構(gòu)比例協(xié)調(diào)、景觀效果考慮,該橋斷面較寬,則需要一定的塔高,相應(yīng)需采用較大的矢跨比。綜合考慮該橋矢跨比采用1/4.67。

主橋加勁梁采用雙主梁形式,共分為鋼混凝土組合梁、鋼混凝土結(jié)合梁、混凝土端橫梁三部份。吊點(diǎn)處鋼混凝土組合梁梁高2.75 m,梁高/主跨=1/50.9。其中鋼箱梁部份梁高2.5 m,混凝土橋面板厚0.25 m。兩道主梁之間設(shè)鋼橫梁,鋼橫梁間距為7.0 m。此外,在主梁之間設(shè)置了多道小縱梁。端橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。為放置引橋小箱梁,端橫梁設(shè)置牛腿結(jié)構(gòu)。

主塔采用混凝土結(jié)構(gòu),主塔總高58m,橋面以上塔高33 m。塔柱為矩形截面,塔柱間距25.5 m,截面四個(gè)角點(diǎn)設(shè)齒槽。塔柱沿豎向截面變化,下塔柱截面尺寸為4.9 m×2.5 m,中下塔柱截面尺寸為4.3 m×2.5 m,中上塔柱截面尺寸為4.3 m×2.2 m,上塔柱截面尺寸為3.7 m×1.9 m。兩塔柱間設(shè)3道橫梁,橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),為空心矩形截面。下橫梁截面尺寸為2.5 m×2.5 m,中、上橫梁截面尺寸為2.8 m×1.5 m。

全橋共設(shè)兩根主纜,主纜間距25.5 m,按平面布置。主纜錨固于3.0 m機(jī)非分隔帶端橫梁處,主纜在塔頂處平順支撐于鞍座上。主纜材料采用鍍鋅高強(qiáng)鋼絲,采用預(yù)制平行索股法（PPWS）編索。主纜索股采用37股PPWS-5.3 mm×91鍍鋅高強(qiáng)平行鋼絲,在工廠編制成索股,索股斷面為正六邊形。

該橋主墩下部結(jié)構(gòu)采用樁基礎(chǔ)加承臺(tái)的形式。承臺(tái)為5 m厚,寬13.9 m的方形承臺(tái),承臺(tái)上部進(jìn)行3 m×2 m的削角處理。樁基礎(chǔ)采用直徑1.5 m的大直徑樁（見(jiàn)圖1）。

圖1 主墩斷面圖

主橋邊墩采用雙柱式,兩根墩柱在頂部采用橫系梁連接?；A(chǔ)同樣采用樁基礎(chǔ)加承臺(tái)的形式。承臺(tái)為3 m厚,長(zhǎng)10.1 m,寬6.3 m的長(zhǎng)方形承臺(tái)。樁基礎(chǔ)采用直徑1.5 m的大直徑樁。

1.3 主要施工步驟

因?yàn)樵摌驗(yàn)樽藻^式懸索橋,主纜需要錨固在加勁梁上,所以需要先實(shí)施加勁梁,再安裝主纜和吊桿。全橋施工過(guò)程如下:

（1）施工各橋墩臺(tái)樁基礎(chǔ)及承臺(tái),制作鋼梁、橋面板、鞍座、主纜和吊索等構(gòu)件；

（2）立模澆筑主塔塔身和邊墩混凝土,主橋全橋搭設(shè)支架；

（3）實(shí)施主橋加勁梁；

（4）安裝塔頂鞍座和散索套,架設(shè)主纜；

（5）緊纜、安裝索夾和吊索；

（6）從主塔處吊索向兩邊對(duì)稱張拉吊桿,并調(diào)整吊索力至設(shè)計(jì)索力,分次頂推鞍座；

（7）拆除主梁支架,施工橋面系及附屬設(shè)施,終調(diào)吊索力。

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1 荷載取值

（1）結(jié)構(gòu)重力:混凝土容重采用26 kN/m3,鋼材容重采用78.5 kN/m3。

（2）混凝土收縮徐變:根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2004）收縮徐變理論計(jì)算。

（3）基礎(chǔ)沉降:主塔基礎(chǔ)沉降按2 cm考慮,邊墩基礎(chǔ)沉降按1 cm考慮。

（4）汽車荷載:

a.荷載等級(jí):城-A級(jí)；

b.車道縱向不折減；

c.橫橋向按6車道考慮,橫向折減系數(shù)取0.55,橫向偏載系數(shù)取1.20；

d.主橋汽車沖擊系數(shù)按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）第4.3.2條取用,結(jié)構(gòu)基頻按動(dòng)力特性分析數(shù)據(jù)取用。

（5）人群荷載:按《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 11-2011）第10.0.5條,取3.0 kN/m2。

（6）溫度作用:

a.主梁設(shè)計(jì)拼裝溫度為5～10℃。橋位處于嚴(yán)寒地區(qū),根據(jù)規(guī)范,混凝土橋面板鋼橋最高、最低有效溫度分布分別為39℃、-32℃；

b.主梁、主塔、主纜和吊桿計(jì)算整體升溫40℃,整體降溫-40℃；

c.主梁截面溫度變化按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）第4.3.10條取用。

2.2 建立計(jì)算模型

結(jié)構(gòu)分析計(jì)算程序采用MIDAS/Civil進(jìn)行全橋結(jié)構(gòu)分析。

首先采用MIDAS懸索橋建模助手建立初始模型。MIDAS懸索橋建模助手使用Ohtsuki簡(jiǎn)化方法計(jì)算獲得索的水平張力和主纜的初始形狀,利用懸索單元的柔度矩陣重新進(jìn)行迭代分析。

對(duì)于自錨式懸索橋,由于其加勁梁受較大軸力的作用,加勁梁端部和索墩錨固位置會(huì)發(fā)生較大變化,即主纜體系將發(fā)生變化,所以從嚴(yán)格意義來(lái)說(shuō)建模助手獲得的索體系和無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)與實(shí)際并不相符。因此必須對(duì)整體結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行精密分析。其過(guò)程如下:將主纜和吊桿的力按靜力荷載加載到由索塔墩和加勁梁組成的桿系結(jié)構(gòu)上,計(jì)算加勁梁和索塔墩的初始內(nèi)力,并將其作用在整體結(jié)構(gòu)上。通過(guò)反復(fù)計(jì)算直至收斂,獲得整體結(jié)構(gòu)的初始平衡狀態(tài)。

獲得結(jié)構(gòu)的初始平衡狀態(tài)后,再對(duì)模型進(jìn)行細(xì)化。該橋加勁梁為鋼混組合梁,計(jì)算采用程序中的組合截面來(lái)模擬鋼混組合梁。加勁梁端部為混凝土梁,計(jì)算照實(shí)建入。然后改變主纜的約束,將主纜和主梁端部固結(jié)。再將塔頂單元和索單元分開,用彈性連接模擬施工過(guò)程中的塔索相互滑動(dòng)。定義更新組和垂點(diǎn)組,進(jìn)行精確分析。

圖2為修改后的自錨式懸索橋模型。

圖2 有限元模型

2.3 施工階段分析

將精確分析得到的模型進(jìn)行施工分析,刪除懸索橋分析控制,設(shè)置每個(gè)施工階段單元的邊界條件和荷載工況。

先建立一個(gè)一次成橋施工階段。分析后查看位移和各個(gè)單元內(nèi)力,此施工階段位移為零,各個(gè)單元內(nèi)力和精確分析得到的平衡單元節(jié)點(diǎn)與構(gòu)件內(nèi)力相同。然后設(shè)置倒拆分析的各個(gè)施工階段。

擬定的吊桿張拉過(guò)程為從最靠近主塔的吊桿開始張拉,跨中吊桿最后張拉,并且主塔兩邊吊桿對(duì)稱張拉。由此施工過(guò)程進(jìn)行倒拆分析。倒拆計(jì)算結(jié)果如表1所列。

2.4 成橋階段分析

將精確分析得到的模型進(jìn)行成橋分析,刪除懸索橋分析控制,將塔頂節(jié)點(diǎn)和索固結(jié),設(shè)置成橋運(yùn)營(yíng)階段的荷載工況,并進(jìn)行成橋分析。

主纜的最大應(yīng)力為507.5 MPa,吊桿最大應(yīng)力為532.6 MPa。吊索和主纜抗拉強(qiáng)度為1 770 MPa。主纜應(yīng)力的安全系數(shù)大于2.5,吊桿應(yīng)力的安全系數(shù)大于3。主梁最大應(yīng)力為89.5 MPa,滿足要求?？缰凶畲笪灰茷?15 mm。0.115/140=1/1217＜1/300。

表1 倒拆計(jì)算結(jié)果一覽表

3 結(jié)語(yǔ)

（1）自錨式懸索橋不僅具有懸索橋的跨越能力強(qiáng),索塔線型流暢優(yōu)美、生動(dòng)活潑等優(yōu)點(diǎn),而且取消了一般懸索橋龐大的錨錠。因此,自錨式懸索橋在城市橋梁中應(yīng)用得越來(lái)越廣泛。

（2）自錨式懸索橋因?yàn)橹骼|錨固在加勁梁上,其施工方法,以及結(jié)構(gòu)體系與一般懸索橋有所不同。加勁梁不僅承受豎向荷載,而且承受主纜的軸向壓力,因此計(jì)算模型需精確模擬橋梁結(jié)構(gòu)。

U448.25

B

1009-7716（2017）07-0067-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.020

2017-03-27

丁勇（1984-）,男,江蘇泰州人,研究生,工程師,從事橋梁工程設(shè)計(jì)工作。