崖門大橋主橋斜拉橋設計

崖門大橋主橋斜拉橋設計

1越江結構型式懸崖大橋是西部沿海公路上的一座大型橋梁，從雷特拉門到新會古斗段，橫跨珠江海域。主橋為雙塔單索面混凝土斜拉橋,跨徑組合為:(50+115+338+115+50)m,采用墩、塔、梁固結的結構型式。文中主要介紹崖門大橋施工圖設計階段,對主橋斜拉索塔上錨固區(qū)、0號塊以及主墩防撞設施等進行有限元計算分析的情況。2計算與分析2.10單元塊的有限分析2.1.1基于效率的有限元模型0號塊固結區(qū)域段中,主梁和主塔均為空心箱形截面,橫梁為開人孔的實心截面,主墩頂、底部為實心截面,主墩中部為空心箱形截面,因此,整個固結區(qū)在構造上屬于薄壁結構與實體交匯的不規(guī)則空間結構。由于0號塊的這種構造特點,針對本橋利用大型結構通用分析程序SAP-91,計算模型選用高效的8節(jié)點Wilson不協(xié)調塊體單元來模擬實際結構,位移邊界則用邊界單元來模擬,以提供計算反力,進行平衡驗算。在有限元計算模型中,考慮了3種不利的內力組合,由于篇幅有限,下文僅列出最不利的內力組合結果,對其進行分析和討論。2.1.2計算結果和分析(1)力的平衡驗算由于有限元求解規(guī)模較大,為保證計算結果的可靠性,必須進行力的平衡驗算。利用邊界單元輸出的反力,對計算反力和外力進行了力的平衡驗算。表1是最不利荷載工況下計算反力與外力的比較,從表中可見,力的平衡條件得到很好的滿足,表明有限元計算的結果是可靠的。(2)塔柱軸向拉應力圖1為2個典型主梁斷面在最不利荷載(成橋態(tài)+橫向風載)作用下的橫橋向應力分布情況(斜腹板內為斜腹板軸向應力)。分析計算結果表明:2片薄壁墩間主梁(圖1,A-A斷面),由于底板較薄,在塔柱巨大軸向力的沖剪作用下,底板在橫橋向產生較大的拉應力,最大值達到7.1MPa,其拉應力遠遠超過混凝土的抗拉強度設計值,頂板也產生2.7MPa拉應力。0號塊處橫梁(圖1,B-B斷面)由于直接支承在兩片主墩上,橫梁所產生的彎曲應力較小,其拉應力值底板最大為1.5MPa,頂板最大值為2.5MPa,表明橫梁的結構尺寸選取較為合理。在橋梁的軸向,主梁承受較大的軸向壓力,兩個典型斷面上均未出現(xiàn)拉應力,其壓應力遠小于混凝土的抗壓設計值。由于篇幅的關系,文中未列出主梁人孔處的應力分布情況,但由計算可知,人孔處的主拉應力幅值達5.0MPa,以豎向拉應力為主。2.2橋塔加固區(qū)的局部壓力分析2.2.1斜拉橋錨索塔的施工本橋橋塔塔冠區(qū)為單箱單室斷面,在高度40m范圍內有25對斜拉索錨固,斜拉索在塔冠上的標準索距為1.6m,斜拉索錨固在加強的塔壁內側齒塊上。計及恒、活、風載、溫度等最不利荷載組合,其索力的縱橋向水平分力的包絡值,沿塔高可分為5段控制:25～22號索為9020kN,21～16號索為7650kN,15～11號索為6500kN,10～5號索為5310kN,4～1號索為3450kN。塔冠區(qū)采用C60混凝土,按A類部分預應力設計。塔冠錨索區(qū)采用井字形布置的粗鋼筋錨固形式,預應力束選用?L32冷拉Ⅳ級粗鋼筋,Rbyyb=750MPa。這種預應力布置方式施工方便、受力明確、預應力損失較小。斜拉橋索塔作為主要的受力構件之一,結構的絕大部分恒載、活載都要通過索塔傳至橋墩、承臺及基礎。索塔上斜拉索錨固區(qū)在斜拉索索力作用下的局部應力十分復雜,而索塔的安全可靠對整個結構至關重要,因此需要對錨固區(qū)段作較詳細的局部應力分析。2.2.2有限元分析在鋼束結構中的應用為簡化分析工作,從塔冠中取出一個橫斷面,于是塔冠的受力可歸結為平面應變問題,運用平面應變四邊形單元的有限元分析,來配置相應的平面預應力鋼束。本分析采用SAP-91軟件包中的空間有限元線彈性分析模塊。計算采用二維實體單元,在計算中將整個結構視為均質彈性體,沒有考慮普通鋼筋的影響,未考慮索力的垂直分力,在對稱面上根據(jù)對稱性加定向支承。2.2.3錨下支護應力分析以25～22號索區(qū)段為例,每側作用的水平力為9020kN,拉索索力可近似為分布在錨下寬30cm,索距1.6m上的面荷載,即18790kN/m2。其受力特點為:(1)肋1處應力從3.68～5.69MPa呈直線變化;肋2處應力從-16.03～9.20MPa,呈深梁應力分布(圖2)。以上應力以拉應力為正。(2)肋2內腔錨下壓應力較大,故一方面設計中做好錨下構造鋼筋的布置以減緩應力集中問題,另一方面要求平面預應力束作用時,不能在此產生較大的壓應力,相反可以預加較小的拉應力,即預應力束應盡量布置在塔冠截面的外緣。(3)在外力的作用下,塔冠斷面呈框架受力狀態(tài),設計中不能只在斜拉索索力作用方向施加預應力,必須在肋2內也布置預應力鋼束,以消除肋2的外緣拉應力。2.2.4塔冠斷面應力根據(jù)以上分析計算結果,進行預應力粗鋼筋的布置。預應力體系采用?L32冷拉Ⅳ級粗鋼筋,Rbyyb=750MPa,錨下控制張拉力F=543kN。塔冠預應力鋼筋的布置及計算單元見圖3。沿高度方向N1鋼筋與N2鋼筋交錯布置,采用單端張拉,張拉端沿高度方向交錯布置。沿著塔冠的高度方向,隨著斜拉索索力的變化,N1與N2的布置分成4個節(jié)段:25～22號索區(qū)段:N1、N2間間距14cm,21～16號索區(qū)段:N1、N2間間距17cm,15～11號索區(qū)段:N1、N2間間距20cm,10～5號索區(qū)段:N1、N2間間距26cm,4～1號索區(qū)段:N1、N2間間距40cm。塔冠斷面在上述預應力布置狀態(tài)下,分別計算斷面在單獨施加預應力工況及營運工況下斷面的應力狀況。運營階段最大主壓應力發(fā)生在斜拉索錨固點下。各斷面的主拉及主壓應力見表2。由以上計算可知,通過合理的布置預應力粗鋼筋可滿足結構的使用要求。同一般較常用的環(huán)向預應力鋼束相比較,粗鋼筋在塔冠區(qū)可布置多層,從而使塔冠區(qū)的受力更加均勻。在塔冠區(qū)域布置的環(huán)向預應力鋼束,由于結構尺寸的限制,鋼束的彎曲曲率半徑較小,預應力損失較大,且施工困難。采用預應力粗鋼筋,預應力損失較小,可以更好地發(fā)揮預應力效應,且張拉的噸位較小,便于施工,錨下集中應力也比環(huán)向預應力鋼束小。本計算模型未考慮斜拉索套筒索孔對斷面的削弱。2.3主框架損傷分析2.3.1主墩基礎撞擊力崖門大橋主跨338m,可通行萬噸級船舶。根據(jù)近期航道的設計情況,設計撞擊荷載按船舶噸級5000DWT,船速5m/s標準,橫橋向正面撞擊,順橋向以45°撞擊。崖門大橋主墩基礎為18根?3.0m鉆孔灌注樁,根據(jù)計算,下部基礎可承受撞擊力為橫橋向32000kN、順橋向16000kN。所以崖門大橋采用在主墩承臺上設置鋼結構的防撞套箱,防撞套箱與承臺間設置橡膠防護層,使在設計荷載范圍內的船舶撞擊,通過防撞設施緩沖消能,使主體結構承受的撞擊力在設計容許范圍內,并且保證在任何水位下,使橋墩和樁基能避免受到船舶的直接撞擊。2.3.2藥柱和橋墩之間的作用力當船體與防撞箱相撞時,船體的動能將轉化為防撞箱系統(tǒng)與附連水的動能和結構體系的變形能。取防撞箱為被沖擊物,船體為沖擊物,船體以5m/s的速度與防撞箱相撞。防撞箱與橋墩之間的橡膠防護層以彈簧模型代替,橡膠防護層與橋墩的連接簡化為簡支約束,所以防撞箱與橋墩之間的橡膠防護層對橋墩的作用力就是橋墩實際受到的沖擊力。本模型采用ANSYS程序,用有限單元法摸擬撞擊過程。防撞箱離散為板梁組合結構,船體作為沖擊物因其艏部具有較大剛性,可以近似看作為剛體(結果偏于安全),整個過程處理為瞬態(tài)動力沖擊過程。2.3.3分析的結果計算時船艏形狀取為典型油船艏帶球鼻艏的典型船兩種工況,由于篇幅的關系,下面僅介紹船艏帶球鼻艏的典型船撞擊的情況。(1)有限元分析結果船舶橫橋向正面沖擊防撞箱中部,船速為5m/s,有限元分析的網(wǎng)格離散見圖4,動力沖擊過程典型狀態(tài)見圖5,船體插入防護箱深度為3.92m,在動態(tài)沖擊下,橋墩所受橫橋向合力為30610kN。(2)橋墩受力分析船舶順橋向45°沖擊防撞箱時,船速為5m/s,有限元分析的網(wǎng)格離散見圖6,動力沖擊過程典型狀態(tài)見圖7,船體插入防護箱深度為0.45m,橋墩所受橫橋向合力為18291kN,順橋向合力為13049kN?；谒峁┑姆雷蚕涑醪皆O計方案和沖擊外力為5000t級船舶的條件,根據(jù)計算結果,大橋主塔承臺受橫橋向正面沖擊力<32000kN,大橋主塔承臺受順橋向沖擊力<16000kN,所以,防護設施滿足防撞要求。3空間分析在崖門大橋設計中的應用通過以上分析,可以得出以下主要結論:(1)崖門大橋斜拉橋所采用的墩、塔、梁固結處的節(jié)點固結構造,以及塔冠斷面尺寸,總體上說是一種受力比較適宜的方案。(2)崖門大橋設計中,對斜拉索梁上錨固區(qū)、主梁橫向分析等