廣東江門洲大道橋索塔設(shè)計(jì)

廣東江門洲大道橋索塔設(shè)計(jì)

0項(xiàng)目建設(shè)概況虎門二橋工程位于廣東省廣州，是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的珠江三角洲中心城市。項(xiàng)目起于廣州市番禺區(qū)東涌市，沿南二環(huán)公路連接，與廣珠北線公路相連。途經(jīng)廣州市番禺區(qū)和南沙區(qū)，通過大沙水道、海陸島和玉洲運(yùn)河穿越虎門港，進(jìn)入東莞市沙田市。最后一個(gè)出口與光深江路相連，東移與厚街市和大嶺山相連?；㈤T二橋工程上游距珠江黃埔大橋約20km,下游距虎門大橋約10km。本項(xiàng)目的建設(shè),對(duì)于緩解虎門大橋交通壓力、改善珠江番莞兩岸交通流結(jié)構(gòu)、完善廣東省高速公路網(wǎng)、保障珠江兩岸交通安全,均衡珠江兩岸經(jīng)濟(jì)發(fā)展、促進(jìn)珠江西岸經(jīng)濟(jì)崛起、實(shí)施廣東省《珠江三角洲地區(qū)改革發(fā)展規(guī)劃綱要》將起到十分重要的作用。本項(xiàng)目主線采用高速公路標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)速度100km/h,雙向八車道,橋梁寬度為40.5m,荷載標(biāo)準(zhǔn)為公路I級(jí)。主線全線均采用橋梁方式建設(shè),共設(shè)置跨海特大橋兩座,分別是坭洲水道橋和大沙水道橋。其中坭洲水道橋采用658m+1688m兩跨連續(xù)鋼箱梁懸索橋,為目前中國(guó)第一跨徑、世界第二跨徑的橋梁,同時(shí)也是目前世界上最大跨徑的鋼箱梁懸索橋。橋型布置圖如圖1所示。1設(shè)置塔柱斷面或加勁梁高懸索橋橋塔一般采用單層或多層框架結(jié)構(gòu),框架由兩根立柱和若干道橫系梁組成,立柱可以豎直也可以傾斜,當(dāng)采用連續(xù)加勁梁時(shí),一般做成傾斜便于加勁梁通過。根據(jù)懸索橋索塔的受力特點(diǎn),塔柱及橫梁的斷面形式均采用箱形斷面。塔柱外形既要考慮抗風(fēng)性能的要求,以避免風(fēng)致渦激振動(dòng),又要考慮景觀的要求。塔柱斷面一般都做成帶倒角多邊形、圓倒角多邊形或直線形、圓曲線和局部裝飾構(gòu)造組成的復(fù)合斷面。這些構(gòu)造的特點(diǎn)就是抗風(fēng)性能好,在景觀上滿足不同風(fēng)格的要求。索塔橫系梁的設(shè)置主要視橋塔的橫向剛度和景觀要求而定,橋塔較高時(shí),為了增加塔的橫向剛度,可多設(shè)幾道,一般橋面下的橫系梁受力較復(fù)雜,既要承受邊跨荷載又要承受主跨荷載,需設(shè)置得強(qiáng)一些。塔高或塔頂標(biāo)高是由通航凈空、垂跨比、加勁梁高及吊索長(zhǎng)決定,其中通航凈空、垂跨比是主要因素。索塔橫梁斷面一般均設(shè)置成直線多邊形或圓角多邊形斷面,也可以設(shè)置裝飾板或?qū)M梁做成曲線形,以增加景觀效果。坭洲水道橋索塔采用框架式門形索塔,塔柱頂端向橋梁中心傾斜,并且下橫梁頂面以上塔柱斜率相同,塔柱斷面采用圓倒角八邊形,且根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn),上、中、下塔柱斷面采用不同壁厚,塔柱共設(shè)三道橫梁,橫梁斷面也采用圓倒角八邊形,塔柱及橫梁具體構(gòu)造尺寸詳見下文。2塔的設(shè)計(jì)2.1索塔塔柱截面尺寸框架式門形塔高260.0m,塔柱采用有兩個(gè)對(duì)稱軸的空心薄壁斷面,下塔柱橫橋向外側(cè)面斜率為1/26.687,內(nèi)側(cè)面豎直,順橋向側(cè)面斜率為1/30.571;上、中塔柱內(nèi)外側(cè)面橫橋向斜率均為1/53.250,豎橋向?yàn)樨Q直。門式塔塔高260.0m,塔柱采用有兩個(gè)對(duì)稱軸的空心薄壁斷面,塔柱在橫梁、塔底等受力較大的區(qū)段設(shè)置加厚段,下橫梁頂板設(shè)置縱向隔板,主索鞍下7.5m高度范圍為實(shí)心段,塔柱底設(shè)置3m高實(shí)心段。為提升索塔景觀效果及抗風(fēng)性能,塔柱及橫梁均采用帶圓倒角的箱形斷面,塔柱四角設(shè)半徑1.5m的圓弧形倒角,橫梁四角設(shè)半徑0.5m的圓弧形倒角。塔柱截面尺寸為:塔頂至下橫梁范圍均為8m(橫橋向)×12.5m(順橋向),下橫梁至塔底為8m(橫橋向)×12.5m(順橋向)~10m(橫橋向)×16m(順橋向)。根據(jù)受力計(jì)算,壁厚分別采用120cm(上塔柱)、160cm(中塔柱上端)、220cm(中塔柱下端及下塔柱),索塔塔柱構(gòu)造尺寸均經(jīng)過精心設(shè)計(jì)選擇,以保證塔柱在施工期間具有所需要的剛度和強(qiáng)度,同時(shí)使塔柱在最后的使用階段保持足夠的柔度,以適應(yīng)主纜由汽車荷載與溫度變化引起的變形,而不致產(chǎn)生過大的約束力,同樣考慮到支撐主索鞍所需要的空間和美觀要求。索塔結(jié)構(gòu)形式如圖2~圖5所示。索塔共設(shè)上、中、下三道橫梁。為提升索塔整體美觀,塔柱橫梁采用圓弧型設(shè)計(jì),上、中橫梁中間高9m,端部高12m,中間由頂?shù)酌鎯啥螆A弧過渡,上橫梁寬6.5m,中橫梁寬7.5m,上橫梁腹板及頂、底板厚1.0m,中橫梁腹板及頂、底板厚1.2m。下橫梁中間高13m,端部高15m,中間由底面圓弧過渡。下橫梁頂面為直線,下橫梁寬8.0m,下橫梁腹板及頂、底板厚1.5m,下橫梁頂板內(nèi)側(cè)在抗風(fēng)支座墊石及阻尼器墊石位置設(shè)置未上下貫通的加勁肋。上、中、下橫梁均為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),上橫梁共設(shè)置56束15-22鋼絞線,中橫梁共設(shè)置76束15-22鋼絞線,下橫梁共設(shè)置112束15-22鋼絞線。塔柱在全高范圍內(nèi)截面外圈豎向配置雙層直徑40mm的鋼筋,內(nèi)圈豎向配置一層直徑32mm的鋼筋,水平配置直徑20mm的箍筋;在塔頂實(shí)心段分別設(shè)置直徑25mm和20mm水平鋼筋網(wǎng),在塔底實(shí)心段分別設(shè)置直徑25mm水平鋼筋網(wǎng)。為把橫橋向風(fēng)力等水平力傳給主塔,在加勁梁端部下端設(shè)置兩個(gè)牛腿,形成倒凹榫,在索塔下橫梁中部相應(yīng)地設(shè)一水平凸榫,兩榫相對(duì)處設(shè)置一對(duì)抗風(fēng)支座?？癸L(fēng)支座除限制主梁在支座處的橫橋向位移外,對(duì)主梁的其它自由度均無約束。2.2承臺(tái)和連桿設(shè)計(jì)根據(jù)索塔塔位的地形、地質(zhì)、水文和環(huán)境等自然因素以及巖層情況,設(shè)計(jì)采用群樁基礎(chǔ),單樁直徑為2.8m。索塔每個(gè)塔柱下橫橋向及順橋向均布設(shè)6排,共32根。承臺(tái)布設(shè)為圓端啞鈴型,平面總尺寸為90.43m(橫橋向)×34.8m(順橋向),承臺(tái)厚7m,承臺(tái)系梁寬14m,與承臺(tái)等厚,承臺(tái)頂標(biāo)高4.000m。塔座為一個(gè)棱型臺(tái),西塔塔座底面為21m(橫橋向)×27m(順橋向),頂面為13m(橫橋向)×19m(順橋向),厚度為4m,塔座頂標(biāo)高為8.000m,基礎(chǔ)構(gòu)造如圖6所示。3塔的計(jì)算3.1中塔柱、梁結(jié)構(gòu)控制塔身包括塔柱及橫梁兩部分,所受的荷載分為順橋向和橫橋向兩部分,受力階段分為施工階段和使用階段。其中塔柱由成橋使用階段控制設(shè)計(jì),橫梁由使用階段橫向荷載控制設(shè)計(jì)。在施工階段,順橋向塔身計(jì)算時(shí)將其視為塔底固結(jié)的懸臂梁,橫橋向塔身計(jì)算時(shí)將其視為框架結(jié)構(gòu),以塔柱底為固結(jié)點(diǎn)。在使用階段,順橋向和橫橋向塔身計(jì)算納入全橋整體計(jì)算,將其視為塔底固結(jié)塔頂鉸的懸臂梁,橫橋向塔身計(jì)算時(shí)將其視為框架結(jié)構(gòu)。3.2有限模型利用專業(yè)橋梁分析軟件MidasCivil2012建立全橋有限元模型,有限元模型如圖7所示。3.3計(jì)算負(fù)荷和負(fù)荷組合3.3.1橋向水平荷載塔身主要承受由索鞍傳下的垂直荷載及風(fēng)荷載、溫度荷載所產(chǎn)生的順橋向和橫橋向水平荷載。計(jì)算中所考慮的荷載有:恒載、活載、溫度荷載、風(fēng)荷載、船撞荷載和地震荷載。3.3.2含塔兩側(cè)風(fēng)機(jī)組合風(fēng)方案根據(jù)塔的總體受力特點(diǎn),取如下荷載組合:組合二:恒載+活載+溫度(含塔兩側(cè)日照溫差±5℃)。組合三:恒載+活載+溫度(含塔兩側(cè)日照溫差±5℃)+橫向組合風(fēng)。組合四:恒載+活載+溫度(含塔兩側(cè)日照溫差±5℃)+縱向組合風(fēng)。組合五:恒載+橫向百年風(fēng)+升溫。組合六:恒載+縱向百年風(fēng)+升溫。組合七:恒載+船撞。組合八:恒載+地震。3.4塔的計(jì)算3.4.1橫向驗(yàn)算的截面由于橫橋向塔柱內(nèi)力在塔底及橫梁位置截面受力較大,橫向驗(yàn)算時(shí)選取截面為:上橫梁底截面、中橫梁頂截面、中橫梁底截面、下橫梁頂截面、下橫梁底截面和塔底截面。3.4.1.1柱截面強(qiáng)度測(cè)試搭柱截面強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果如表1、表2所示。3.4.1.截面應(yīng)力驗(yàn)算本索塔設(shè)計(jì)時(shí)所采用的混凝土壓應(yīng)力建議容許值如表3。表3備注中的系數(shù)為對(duì)應(yīng)主要組合容許壓應(yīng)力限值放大系數(shù)。由于在進(jìn)行混凝土容許應(yīng)力驗(yàn)算時(shí),采用的是構(gòu)件截面應(yīng)力,構(gòu)件截面應(yīng)力計(jì)算時(shí)考慮了幾何非線性影響的彎矩增大效應(yīng),因此,塔柱構(gòu)件截面應(yīng)力較塔柱整體模型中的名義應(yīng)力有所增大。塔柱壓應(yīng)力以軸向?yàn)橹?在考慮20%的非線性效應(yīng)后,塔柱構(gòu)件截面應(yīng)力較整體桿系模型中的名義壓應(yīng)力增大約10%左右。塔柱截面應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果如表4~表7所示。上述各表中所列應(yīng)力值為考慮幾何非線性影響的塔柱構(gòu)件截面壓應(yīng)力。3.4.2索塔梁3.4.2.抗彎性能驗(yàn)算索塔橫梁為受彎構(gòu)件,在總體計(jì)算模型中提取各橫梁最不利組合對(duì)應(yīng)的彎矩,根據(jù)橫梁配束及配筋情況計(jì)算各橫梁的抗彎承載力,橫梁截面承載能力驗(yàn)算如表8所示。根據(jù)上述計(jì)算可知,索塔橫梁承載能力極限狀態(tài)滿足要求。3.4.2.截面上下緣應(yīng)力利用有限元模型計(jì)算各橫梁在短期荷載組合作用下的截面上下緣應(yīng)力,各橫梁截面上下緣應(yīng)力值如表9所示。根據(jù)上述計(jì)算可知,索塔橫梁正常使用極限狀態(tài)滿足要求。4索塔受力分析結(jié)果及結(jié)論懸索橋主要由索塔及基礎(chǔ)、主纜、主梁及錨碇基礎(chǔ)組成的柔性結(jié)構(gòu)體系,索塔為其主要組成部分,塔柱設(shè)計(jì)的合理與否決定著整個(gè)橋梁的結(jié)構(gòu)安全性和受力合理性。由于懸索橋自身的受力特點(diǎn)決定了大部分懸索橋索塔均為直線型門式結(jié)構(gòu),索塔造型單一,無新鮮感。本橋索塔景觀設(shè)計(jì)從橫梁外形著手,經(jīng)過多次優(yōu)化比選,最終確定了圓弧型曲線橫梁方案。在坭洲水道橋索塔設(shè)計(jì)過程中,設(shè)計(jì)者采用空間桿系有限元模型對(duì)索塔進(jìn)行模擬計(jì)算,得到塔柱縱橫向最不利內(nèi)力組合的總體計(jì)算結(jié)果,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)塔柱各關(guān)鍵截面及橫梁進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算及應(yīng)力驗(yàn)算。通過對(duì)坭洲水道懸索橋各部分詳細(xì)的受力分析,可以得到以下結(jié)論:(1)塔柱截面形式及尺