獨塔雙索面曲線斜拉橋方案設計

1、1概述本橋為一座跨海特大橋 , 主橋采用獨塔雙索面斜拉橋 , 跨徑布置為 150m+150m , 橋面寬 40.5m 。 主梁采用流線型扁平封閉鋼箱梁 , 主塔為 H 形混 凝土塔 , 索塔總高度為 90.3m , 橋面以上高度為70.6m , 高跨比為 0.47。根據工程所處的地理位置和建設條件 , 本工程 具有以下特點 :(1 曲線斜拉橋 、 H 形索塔不設上橫梁本橋位于 3400m 半徑的圓曲線上 , 斜拉索徑 向力對索塔和主梁均產生不利影響 , 且橋梁寬度達 到 40.5m , 索塔和主梁的空間受力問題顯得尤為突 出 。 國內設計的曲線斜拉橋跨徑不大且橋寬較窄 , 一般索塔均設計成橫向

2、剛度較大的 A 形以抵抗斜 拉索徑向力的影響 , 增加全橋橫向剛度及穩(wěn)定性 。 而本橋由于景觀需要 , 設計成 H 形索塔且不設置上 橫梁 , 如何采取構造措施確保結構的安全性是本橋 需重點考慮的內容 。(2 橋位處設計風速大橋位處基本風速達到了 41.2m/s, 橋梁的抗風 穩(wěn)定性和安全性是設計必須解決的問題 。 特別是在 低風速情況下塔柱易發(fā)生渦振 , 而渦激振動能激發(fā) 豎向和扭轉 2種振型 , 發(fā)生扭轉失穩(wěn)和顫振 , 對行 車人產生不舒服的感覺 , 而且經常誘發(fā)渦流的振動 將導致結構構件在承受相應的脈動力時引起疲勞 。 因此設計過程中 , 應采用數值風洞技術 , 選取氣動 性能好的斷面

3、, 減少動風荷載對結構的不利影響 。(3 主橋平 、 縱 、 橫參數復雜本橋位于 3400m 半徑的平曲線上 , 橋梁縱坡 平緩 , 相鄰兩個縱坡分別為 -0.627%和 0.504%。 設 置超高 , 橫坡為 2%。 應采取措施處理橋面排水以及 單向坡鋼箱梁設計等問題 。(4 海洋環(huán)境侵 、 腐蝕嚴重橋址區(qū)常年氣溫較高 , 濕度大 , 季候風強烈 , 海 水含鹽度高 , 漲 、 落潮的干濕侵 、 腐蝕效應 , 海洋大 氣的侵 、 腐蝕作用對大橋的使用壽命有較大影響 。獨塔雙索面曲線斜拉橋方案設計戴捷 , 周彥鋒 , 王立新 , 韓大章(江蘇省交通規(guī)劃設計院有限公司 , 江蘇 南京 21000

4、5摘 要:介紹了一座獨塔雙索面曲線斜拉橋方案設計的內容, 包括結構體系選擇 、 主梁類型選擇 、 索塔橫向受力研究及斜拉索索形選擇等 。 為確保結構安全, 建立有限元模型進行了詳細的靜 、 動力分析, 結果表明斜拉橋各部 分構造合理可行 。關鍵詞:斜拉橋; 有限元; 雙索面; 獨塔; 方案設計 中圖分類號:U442.54文獻標識碼:A文章編號:1672-9889(2010 03-0032-05Scheme Design of a Curvilinear Cable -stayed Bridge with Single -tower andDouble -cable PlanesDai Jie

5、, ZhouYanfeng , Wang Lixin , Han Dazhang(Jiangsu Provincial Communication Planning and Design Institute Co. , Ltd , Nanjing 210005, China Abstract :This paper introduces the scheme design of a curvilinear cable -stayed bridge with single -tower and double -cable planes , which includes the selection

6、 of structural system and main beam types , the lateral force research in tower and the choice of cable shape. To ensure the structural safety , a finite element model is established for static anddynamic analysis ,the results show that all parts of cable -stayed bridge is reasonable and feasible. K

7、ey words :cable -stayed bridge ; finite element ; double -cable planes ; single -tower ; scheme design作者簡介:戴捷(1973-, 男, 江蘇阜寧人, 高級工程師, 主要從事橋梁設計工作 。 第 7卷第 3期 2010年 6月現 代 交 通 技 術Modern Transportation Technology第 3期合理的結構設計和有效的防侵 、 腐措施 , 是確保結 構在設計使用壽命年限內結構安全和正常使用的 前提條件 。2方案研究2.1結構體系選擇斜拉橋常用的結構體系包括 :飄浮體系 、

8、 支承 體系 、 塔梁固結體系 、 剛構體系 。 對于獨塔鋼箱梁斜拉橋而言 , 剛構體系和支承體系較合適 。剛構體系的特點是塔梁墩相互固結 , 這種體系 的優(yōu)點是既免除了大型支座又能滿足懸臂施工的 穩(wěn)定要求 ; 結構的整體剛度比較好 , 主梁撓度小 。 由 于本橋采用鋼箱梁和混凝土索塔 , 存在鋼箱梁與混 凝土索塔下橫梁的鋼混連接問題 , 接頭處是結構特 性和材料特性突變處 , 容易形成結構的弱點 , 處理 不當極易出現問題 , 導致混凝土開裂 , 影響結構的 耐久性 。 另外 , 鋼梁和混凝土梁 2種材料的收縮系 數不同 , 結構剛度也不同 , 直接影響到橋面鋪裝使 用的耐久性 ; 若采用

9、2種鋪裝形式 , 還存在不同鋪 裝的銜接問題 3。而支承體系采用在下橫梁頂面設置支座及擋 塊 , 約束主梁的橫向 、 縱向及豎向位移 。 結構受力明 確 , 可計算求得支承反力 , 并對鋼箱梁相應部位進 行加勁 , 計算理論成熟 , 可靠性好 , 結構安全度高 。 并且主梁為全鋼箱梁構造 , 通過長效油漆防腐體 系 , 可確保結構的耐久性 。對于結構設計而言 , 受力應越明確越好 。 因此 從方案的可靠性 、 安全性 、 耐久性等角度出發(fā) , 選用 支承體系的結構形式 。2.2主梁類型選擇通常斜拉橋主梁可采用鋼箱梁 、 疊合梁 、 混合 梁及混凝土梁等幾種形式 。 混凝土梁具有造價低 、 剛度

10、大 、 后期養(yǎng)護簡單等優(yōu)點 , 但是混凝土梁施工 速度慢 , 斜拉索索距小 , 景觀效果不好 2, 本橋橋面 寬 , 采用混凝土梁易引起開裂 。 且索塔的橫向受力 是整個結構的薄弱環(huán)節(jié) , 應盡可能降低索力 , 減小 斜拉索徑向力對塔柱的不利影響 , 因此應選擇自重 小的主梁形式 。 而鋼箱梁自重小 , 施工速度快 , 質量 可靠 。 由于鋼箱梁諸方面的明顯優(yōu)勢 , 推薦采用鋼 箱梁方案 。主梁斷面含風嘴全寬 48m , 不含風嘴寬 44.3m , 箱梁高度 4m 。 箱梁設 3道縱隔板 , 主體結構為單箱 4室截面 。 箱梁頂 、 底面平行布置 , 頂面單向 2%橫坡由 梁體繞設計高程點旋轉

11、而成 。 主梁標準斷面如圖 1所示 。由于箱梁內外側拉索面外角度不同 , 內外側外 腹板傾斜角度也不同 。圖 1主梁標準橫斷面圖考慮構造和施工要求 , 主梁劃分為 A 、 B 、 C 、 D 、 E 共 5種類型 , 共 25個梁段 , 其中 A 梁段為 0#段梁 段 , B 、 C 為索塔區(qū)加強段 、 D 為標準節(jié)段 , E 為梁端 節(jié)段 , 橋梁中心線位于半徑 3400m 的平曲線上 , 標 準節(jié)段在橋梁中心線處長 12.8m 。 梁段之間的連接 采用全斷面焊接方式 。2.3索塔橫向受力研究索塔采用 H 形索塔 , 由左 、 右 2根塔柱和下橫 梁以及索塔附屬結構設施 (避雷設施 , 航空

12、警示燈 等 組成 。 索塔總高度為 90.3m , 索塔在橋面以上高 度為 70.6m , 高跨比為 0.47。 索塔順橋向寬度由塔 頂的 6m 直線變化至塔底的 8m ; 橫橋向寬度由塔 頂的 4.5m 直線變化至塔底的 5.5m , 塔柱采用箱形 斷面 。 索塔在主梁底設一道下橫梁 , 橫梁采用箱形 斷面 , 寬 7.68m , 高 5m 。 索塔構造如圖 2所示 。圖 2索塔一般構造圖戴 捷, 等:獨塔雙索面曲線斜拉橋方案設計 33··現 代 交 通 技 術 2010年由于索塔不設上橫梁 , 且橋位處基本風速達到 了 41.2m , 主梁位于 3400m 半徑的圓曲線

13、上 , 塔柱 的橫向受力是整個索塔結構的最薄弱的環(huán)節(jié) 。 由于斜拉索梁上錨固點與塔柱的中心線順橋 向不在一條軸線上 , 因此斜拉索橫橋向的水平分力 對塔柱產生彎矩 , 加之橫向風荷載的作用 , 使下橫 梁處塔柱斷面成為整個索塔的控制斷面 。從圖 3所示的塔柱和斜拉索梁上錨固點的相 對位置示意圖中可以看出 , 主梁的圓曲線使得主梁 外側錨固點逐漸偏離塔柱中心線 , 而主梁內側錨固 點逐漸靠近塔柱中心線 。 圓曲線的外矢距 (E 值 為 2.933m 。圖 3塔柱與梁上錨固點相對位置示意由于空間索面和主梁平曲線的綜合影響 , 斜拉 索橫向水平分力產生的塔柱彎矩較大 , 內側塔柱控 制斷面的橫向彎矩

14、約為 102600kN ·m , 外側塔柱控 制斷面的橫向彎矩約為 200170kN ·m 。 外側塔柱受 力最為不利 , 強度不能滿足要求 , 應采取措施降低 塔柱橫向 彎 矩 , 主 要 考 慮 的 措 施 有 3種 :(1 加 寬 鋼箱梁 , 主梁錨固點外移 , 減少主梁錨固點與塔中 心 線 間 的 偏 位 , 可 以 降 低 索 塔 彎 矩 ;(2 在 塔 內 施 加豎向預應力 , 以抵消斜拉索水平分力產生的彎 矩 ;(3 前 2種方法綜合使用 。 表 1、 表 2為計算結 果匯總表 。表 1內側塔柱控制斷面恒載工況下計算結果注:1為梁對稱加寬 2m , 主梁共加寬

15、 4m ; 2為施加 50000kN 預應力,以抵消斜拉索產生的彎矩; 3為梁對稱加寬 1m , 施加 25000KN 預應力; 4為梁對稱加寬 1.5m ,主梁共加寬 3m 。表 2外側塔柱控制斷面恒載工況下計算結果注:1為梁對稱加寬 2m , 主梁共加寬 4m ; 2為施加 100000kN 預應力, 以抵消斜拉索產生的彎矩; 3為梁對稱加寬 1m , 施 加 75000kN 預應力; 4為梁對稱加寬 2m , 施加 50000kN 預應力; 5為梁對稱加寬 1.5m , 施加 40000kN 預應力 。從計算結果看 , 外側塔柱較內側塔柱受力更 為 不 利 , 在 梁 對 稱 加 寬 2

16、m 的 情 況 下 , 內 側 塔 柱 的 橫 向 彎 矩 基 本 能 消 除 , 而 外 側 塔 柱 仍 存 在 將 近 100000kN ·m 的彎矩 , 可通過施加 50000kN 預應 力的方式消除 (預應力筋力臂為 2m , 或者通過配 置普通鋼筋的方式抵抗橫向彎矩 。 梁對稱加寬 2m 后增加鋼材用量 660t , 約增加造價 920萬元 , 且鋼 箱梁全寬將達到 49m 。 設計中考慮盡量減少鋼箱梁 的寬度 , 以降低造價 , 改善鋼箱梁的橫向受力 , 且塔 柱彎矩應盡可能通過普通鋼筋承受 , 盡量減少預應 力度 。 經綜合考慮 , 鋼箱梁采用對稱加寬 1.5m , 且

17、 外側塔柱內配置 40000kN 豎向預應力 , 恒載及風 荷載作用下的橫向彎矩通過配置普通鋼筋的方式 來承受 。設計過程也考慮過其他降低斜拉索徑向力對 塔柱不利影響的方法 , 但這些措施效果一般 。 主要 考慮了如下方法 :(1 錨固區(qū)塔壁不等厚 , 則斜拉索 作用點與形心存在偏心 , 通過偏心彎矩抵消一部分 塔柱橫向彎矩 , 經計算塔壁不等厚 (一側 0.8m , 一 側 1.2m , 產生的偏心距約 0.1m , 則產生的抵消彎 矩僅 8000kN ·m , 改善效果不明顯 。 同樣如果將錨 點不布置在斷面中部 , 起到的作用也很小 。 (2 鋼箱 梁的寬度不變 , 減少兩塔柱

18、橫向間距 , 即塔柱占用 緊急停車帶的位置 , 也能起到減少主梁錨固點與塔 中心線間偏位的目的 , 但是索塔處局部位置緊急停 車帶非常窄 , 設計不建議采用該方法 。2.4斜拉索索形選擇根據斜拉索在索平面內的布置 , 可分為輻射 形 、 豎琴型和扇型 3種形式 。 由于輻射形索的最大措施 彎矩值 /(kN ·m 壁厚 1m 壁厚 1.2m 壁厚 1.5m 壓 max /MPa拉 max /MPa壓 max /MPa拉 max /MPa壓 max / MPa拉 max / MPa彎矩值 /(kN ·m 壁厚 1m 壁厚 1.2m 壁厚 1.5m 壓 max /MPa拉 max

19、 /MPa壓 max /MPa拉 max /MPa壓 max / MPa34··第 3期問題在于所有的拉索均集中于塔頂 , 此錨固區(qū)應力 集中 、 構造復雜 、 造價昂貴且外觀較笨重 1。 因此現 代斜拉橋很少采用這種布置方式 。豎琴形布置中的斜拉索成平行排列 , 因此各索 傾角相同 , 外形美觀 , 具有很好的韻律 ; 斜拉索分別 連接在塔的不同高度上 , 索與塔的連接構造易于處 理 ; 由于傾角相同 , 各索的錨固構造相同 , 塔中壓力 逐段向下加大 , 有利于塔的穩(wěn)定性 。 但是豎琴型布 置時斜拉索傾角較小 , 索的總拉力大 , 故鋼索用量 較多 。扇形布置的斜拉索是

20、不相互平行的 , 是介于 輻射形和豎琴形之間的拉索布置形式 , 一般在塔 上和梁上分別按等間距布置 , 兼顧了以上 2種形 式的優(yōu)點而減少其缺點 , 因此有較多的斜拉橋采 用這種形式 。本 橋 扇 形 布 置 方 式 斜 拉 索 在 塔 上 的 間 距 為 2.5m , 斜拉索在梁上的間距為 12.8m ; 豎琴形布置 方 式 , 斜 拉 索 在 塔 上 的 間 距 為 6.5m , 在 梁 上 的 間 距為 12.8m 。 2種斜拉索布置方式的效果圖如圖 4所示 :圖 4豎琴形及扇形斜拉索布置針對 2種斜拉索布置方式均進行了計算 , 結果 表明 :扇形索的總索力約為豎琴形總索力的 0.8倍

21、, 斜拉索材料能節(jié)省 20%左右 , 另外由于扇形斜拉索 索力小 , 則鋼箱梁內的軸力也小 , 能節(jié)省鋼材的用 量 。 而本橋索塔采用 H 形索塔不設上橫梁 , 塔的橫 向彎矩是一個重點關注的內容 , 雖然豎琴形斜拉索 索力大 , 但是其力臂小 , 根據計算結果 , 2種斜拉索 布置方式 , 索塔控制斷面的橫向彎矩相差不多 , 但 是豎琴形布置方式索塔的橫橋向剪力 是 扇 形 的 2倍 。 因此從力學和經濟的觀點出發(fā) , 扇形索要優(yōu)于 豎琴形索 。在景觀方面 , 豎琴形斜拉索傾角相同 , 具有很 好的韻律 。 而扇形索給人一種舒展的感覺 , 拉索斷 面纖細 , 美感度提高 , 另外扇形索兼有輻

22、射形和豎 琴形索的優(yōu)點 , 可靈活地布置 , 因此推薦斜拉索縱 向采用扇形的布置方式 。3靜力計算計算使用 MIDAS 程序 , 計入了斜拉索垂度效 應 。 邊界條件為 :主梁與索塔橫向 、 豎向及縱向約 束 ; 鋼箱梁與過渡墩為縱向活動 、 豎向及橫向約束 ; 塔底采用彈簧約束 , 約束剛度根據基礎變形求得 。 結構離散如圖 5所示 :圖 5結構離散圖計算結果表明 :在最不利工況下 , 考慮剪力滯 的影響 , 鋼箱梁最大應力 120MPa , 滿足規(guī)范要求 。 汽車荷載作用下結構最大向下位移 12.2cm , 向上位 移 5.1cm , 結構剛度滿足 1/400的要求 。 主橋 1階彈 性穩(wěn)

23、定安全系數 53.8, 滿足穩(wěn)定性要求 。4抗震性能研究采用 Sap2000有 限 元 程 序 建 立 主 橋 的 動 力 空 間計算模型 。 有限元計算模型以順橋向為 x 軸 , 橫 橋向為 y 軸 , 豎向為 z 軸 。 主橋扁平鋼箱梁 、 主塔 、 墩 柱均采用空間的梁單元模擬 , 斜拉索采用空間桁架 單元 。 承臺模擬為質點 , 賦予承臺質量 , 并與塔底和 樁基頂部節(jié)點形成主從連接 。 主塔 、 過渡墩的樁基 礎均采用一個集中土彈簧模型加以模擬 , 2期恒載 等效為線質量均勻施加主梁上 。模型中各部分約束條件詳見表 3, 動力計算模 型見圖 6。在 E1、 E2地震作用下 , 分別輸

24、入縱向 +豎向和戴 捷, 等:獨塔雙索面曲線斜拉橋方案設計 35··現 代 交 通 技 術 2010年橫向 +豎向 2種地震組合后 , 對結構抗震性能進行 驗算后可知 :主塔各關鍵截面 、 主塔樁基礎單樁最 不利截面在縱筋率較小的情況下 , 能滿足預期性能 目標要求 , 同時各關鍵節(jié)點位移沒有明顯增大 。表 3模型邊界及連接條件注:表中 x 為縱橋向, y 為橫橋向, z 為豎向; 0表示自 由, 1表示主從或固結, s 表示彈簧約束 。圖 6主橋計算模型5抗風性能研究主橋具有 “ 跨度大 、 阻尼低 ” 的特點 , 橋位所在 地區(qū)氣象條件較復雜 , 因此 , 結構的風致響

25、應 , 尤其 是典型施工階段 (獨塔自立狀態(tài) 、 施工最大雙懸臂 階段 的風致響應及抗風穩(wěn)定性 , 是關系到施工安 全和運營安全的重要問題 , 應予以高度重視 。 最大 雙懸臂狀態(tài) , 可以在施工中采取增設臨時墩的方法 減少懸臂長度 , 降低風荷載的不利影響 , 不控制結 構設計 。該橋利用結構動力特性和靜力 3分力計算結 果 , 選取第 1對稱豎彎和扭轉振型進行驗算 , 計算結 果如表 4所示 。 橋塔的馳振計算結果如表 5所示 。表 4主梁抗風穩(wěn)定性驗算 m/s表 5橋塔馳振穩(wěn)定性 m/s6耐久性設計主梁 、 斜拉索等采用鋼結構 , 塔 、 墩和基礎采用 鋼筋混凝土結構 , 設計基準期為 100年 。 橋位地處 高溫 、 多雨 、 含鹽霧的亞熱帶地區(qū) , 且位于淺海灘涂 地帶 , 所處環(huán)境惡劣 , 受海水 、 鹽霧 、 海風及漲落潮 干濕循環(huán)等因素影響 。影響海上橋梁結構耐久性的主導因素是結構 的抗氯離子或者氯鹽腐蝕性能 , 主要通過以下幾個 方面加以控制 :(1 結構設計 。 包括限制鋼