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贵州凯峡河特大桥总体设计.pdf

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资源描述

1、桥梁建设2023年第53卷第S1期(总第283期)Bridg e Co nst ruc t io n,Vo l.53,No.SI,2023(To t al l y No.283)84文章编号:1003-4722(2023)Sl-0084-07 DOI:10.20051/j.issn.1003-4722.2023.SI.012贵州凯峡河特大桥总体设计师少辉,赵鹏磊,欧阳泽卉(中交第二公胳勘察设计研究院有限公司,湖北武汉430056)摘要:贵州凯峡河特大桥为(180+230)m不对称半飘浮体系独塔结合梁斜拉桥,桥梁依次 跨越凯峡河河谷和U形溶蚀槽谷。主梁采用双边“上”字形钢主梁与混凝土桥面板组成的

2、结合梁,全宽30 m,桥面板采用C55高性能混凝土。桥塔采用“人字形结构,塔高117 m.斜拉索采用环 氧喷涂钢绞线成品索,按空间双索面扇形布置,单个索面布置18对,全桥共72根斜拉索。索塔锚 固采用钢锚梁;索梁锚固采用锚拉板,为适应空间索面斜拉索锚固,锚拉板与钢主梁腹板采用小角 度弯折焊接。桥塔采用爬模法施工,钢主梁采用桥面吊机悬拼。分别采用有限元软件MIDAS Civil和MIDAS FEA对斜拉桥进行总体和局部计算,结果表明该桥各项指标均满足规范要求。关键词:独塔斜拉桥;半飘浮体系;结合梁;桥塔;钢锚梁;锚拉板;桥梁设计中图分类号:U44&27;U442.5 文献标志码:AOverall

3、 Design of Kaixia River Bridge in Guizhou ProvinceSHIShao-hui,ZHAO Peng-lei,OUYANGZe-hui(CCCC Sec o nd Hig h way Co nsul t ant s Co.,Lt d.,Wuh an 430056,Ch ina)Abstract:Th e Kaix ia River Bridg e in Guizh o u Pro vinc e is an asy mmet ric sing l e p y l o n c abl e-st ay ed bridg e o f a semi-fl o a

4、t ing sy st em.Th e bridg e h as t wo sp ans o f 180 m and 230 m,suc c essivel y c ro ssing t h e Kaix ia River val l ey and a U-sh ap ed val l ey.Th e sup erst ruc t ure,measuring 30 m in ful l widt h,c o nsist s o f do ubl e 上sh ap ed st eel g irders t h at ac t c o mp o sit el y wit h t h e o ver

5、l aid c o nc ret e sl abs(C55 h ig h-st reng t h c o nc ret e).Th e p y l o n is a”人sh ap ed st ruc t ure rising 117 m.Th e st ay c abl es wh ic h are c o mp o sed o f finish ed ep o x y-c o at ed st eel st rands,are fanned o ut in sp at ial do ubl e c abl e p l anes,18 p airs in eac h c abl e p l a

6、ne,and t o t al ing 72 st ay c abl es.Th e st ay c abl es are anc h o red t o t h e p y l o n via st eel anc h o r beams and t o t h e dec k using anc h o r t ensil e p l at es.To fac il it at e t h e anc h o r o f sp at ial st ay c abl e p l anes,t h e anc h o r t ensil e p l at es are bent wit h a

7、 smal l ang l e t o be wel ded wit h t h e webs o f t h e st eel g irders Cl imbing fo rmwo rk and derric k c rane were used in t h e c o nst ruc t io n o f t h e p y l o n and t h e st eel g irders,resp ec t ivel y Gl o bal and l o c al c al c ul at io ns were c o nduc t ed in MIDAS Civil and MIDAS

8、 FEA,and t h e resul t s indic at e t h at al l t h e index es meet t h e c o de req uirement sKey words:sing l e p y l o n c abl e-st ay ed bridg e;semi-fl o at ing sy st em;c o mp o sit e g irder;p y l o n;st eal anc h o r beam;anc h o r t ensil e p l at e;bridg e desig n1工程概况贵州省石阡至玉屏高速公路(简称石玉高速)起

9、 点连接拟建的湄潭至石阡高速公路,终点连接拟建的 江口至大龙高速公路,建成后将成为快速连接成渝经 济圈与珠江三角洲的重要通道。凯峡河特大桥是石 玉高速跨越凯峡河风景保护区的控制性工程B。1.1建设条件凯峡河特大桥于贵州省石阡县石固乡跨越凯峡 收稿日期:收稿日期:2022-08-01基金项目:贵州省交通运输厅科技项目(2022-122-021)Sc ienc e and Tec h no l o g y Pro j ec t o f Dep art ment o f Transp o rt at io n o f Guizh o u Pro vinc e(2022-122-021)作者简介:师少

10、辉,高级工程师,E-mail:513189097q q.c o rn.研究方向:桥梁结构设计。贵州凯峡河特大桥总体设计 师少辉,赵鹏磊,欧阳泽卉85河风景区。凯峡河北岸(右岸)通过机耕通道与外界 相通,交通条件一般;凯峡河南岸(左岸)地形陡峻,桥梁与公路隧道宜接衔接,施工期间需开挖临时便 道到达,交通条件极差。桥位区属构造溶蚀峰丛低山地貌区,深切割V 形峡谷地形。桥梁前半段跨越凯峡河,河道宽约 90 m,水深13 ni;后半段跨越U形溶蚀槽谷,槽 谷底宽约50 m。根据勘察资料,桥位区基岩大面积 出露,为三叠系下统夜郎组中段(Tl y 2)灰岩,桥址 地质环境较好,适宜桥梁建设。项目所在地石固

11、乡多年平均气温14.7 9,1月 平均气温3.2 C,7月平均气温23.1 C.无霜期年 均303 d,最短为260 d,最长达325 d。年平均日照 1 171.8 h。1.21.2主要技术标准该桥道路等级为高速公路,双向4车道;设计行 车速度为80 km/h;荷载等级为公路一I级;整体式 路基宽24.5 m,桥梁与路基同宽;抗震设防烈度为 皿度;桥面设2%双向横坡;通航等级为不通航;环 境类别为I类。2总体设计2.1桥型方案凯峡河特大桥依次跨越凯峡河和U形槽谷。凯 峡河河谷深约47 m,两岸岸坡较缓;U形槽谷深约 150 m,且两岸为近直立陡壁的绝崖,为桥型选择的主 要控制因素。结合桥位处

12、地形,U形槽谷处可采用上 承式拱桥、独塔自锚式斜拉桥或独塔地锚式斜拉桥跨 越。上承式拱桥方案由于拱座及交界墩的设置,需要 大幅开挖中风化岩层山体,不仅对环境破坏巨大,而 且岸坡稳定风险高,另外由于桥梁处于凯峡河风景保 护区内,不适宜大面积开挖。因此该桥设计阶段重点 对主跨230 m的独塔自锚式双索面结合梁斜拉桥和 主跨215 m的独塔地锚式双索面结合梁斜拉桥2种 桥型方案进行比选。独塔地锚式双索面结合梁斜拉 桥方案由于采用地锚对称设置于路线两侧,开挖面 大,且塔墩位于陡坡地段,施工场地狭小、施工难度 大,虽主跨跨径不大,但造价并未大幅降低;独塔自锚 式双索面结合梁斜拉桥方案施工难度及风险均稍低

13、,施工质量更有保证也。综合考虑建造难度、工程造 价、环境影响、景观效果等因素,该桥最终推荐采用独 塔自锚式双索面结合梁斜拉桥方案。2.2桥跨布置凯峡河特大桥跨越典型的U形槽谷,槽谷两岸 地势非常陡峭,陡壁上施工条件差、施工难度大,桥 跨布置时桥墩基础位置应尽量避开直立陡坡,同时 利用一主孔跨越陡壁。结合工程建设规模、地形、地 貌以及桥型与周边环境的协调统一性,凯峡河特大 桥采用两跨分别跨越凯峡河和槽谷,由于槽谷和凯 峡河之间凸出山脊顶部存在卸荷裂隙,因此桥塔基 础落在山脊左侧斜坡上,距离卸荷裂隙约10 m.结 合总体路线纵断面设计,采用(180+230)m的跨径 布置。由于大龙岸为典型的山区桥

14、接隧道设计,相 接隧道常规设计均为洞口采用连拱和小净距隧道过 渡到分离式隧道,这样无疑增大了隧道施工的风险,因此将桥梁中间带宽度由2.5 m加大到4.5 hi,直 接采用小净距隧道过渡到分离式隧道,有效解决了 相接隧道施工风险大的问题。结合路幅、中间带及 梁端锚索区布置,桥面全宽为30.0 m。凯峡河特大 桥立面布置见图l o图1凯峡河特大桥立面布置 Fig.1 Elevation View of Kaixia River Bridge2.3结构体系独塔斜拉桥一般采用塔梁固结体系,具有结构 刚度大、行车舒适性高的优点冈,但同时桥塔弯矩会 传至主梁,增加桥塔处主梁负弯矩,这对于结合梁受 力尤为不

15、利。为了减小桥塔处主梁负弯矩,改善混 凝土桥面板的受力,同时避免结合梁塔梁固结构造 设置困难的问题,提出凯峡河特大桥采用不对称半 飘浮体系独塔结合梁斜拉桥方案口勺。主梁在每个桥台及桥塔下横梁顶处设置竖向刚 性、纵向活动的球型支座;在桥塔处设置横向抗风 支座,将主梁横桥向荷载传递给塔柱;在桥台处设置 横向限位挡块,避免梁端在地震等作用下产生过大 的横向位移;为了降低结构的地震作用效应,主梁在 桥塔下横梁处设置粘滞阻尼器。86桥梁建设 Bridg e Co nst ruc t io n2023,53(S1)3结构设计3.1桥塔桥塔造型是斜拉桥建筑景观最重要的体现,凯 峡河特大桥位于风景区,对桥梁景

16、观要求较高,桥塔 选型应充分结合地形地貌、结构受力、周边环境以及 人文特色。根据路线纵断面设计,凯峡河特大桥桥 面高度较低,可供选择的桥塔形式有H形、A形和“人”字形等对这3种桥塔形式进行分析比选,鉴于“人”字形桥塔由桥面上方两条倾斜的塔柱交汇 成直立的上塔柱,比例较为协调,人文建筑与天然景 观完美地融合在一起,体现了“天人合一”的文化内 涵卩讪。因此,该桥桥塔采用“人”字形结构。桥塔 塔身由上塔柱、下塔柱、下横梁组成。桥塔结构布置 见图2。5UD I UQ-一 3-rzruc立面 侧血单位:m图2桥塔结构布置 Fig.2 Pylon Configuration桥塔总高117 m,分为上、下塔

17、柱,上塔柱高 61m,下塔柱高56 mo塔身采用箱形空心截面,上、下塔柱均采用等截面,其中上塔柱截面尺寸为 7.5 m(顺桥向)X7.0 m(横桥向)、下塔柱截面尺寸 为7.5 m(顺桥向)X5.0 m(横桥向);上塔柱和下塔 柱间过渡段为变截面,截面尺寸由7.5 m(顺桥 向)X7.0 m(横桥向)变化至7.5 m(顺桥向)X13 m(横桥向)。桥塔下横梁设置在承台间,以平衡“人”字形塔肢底的横向水平推力,同时也便于安放主梁竖 向支座和阻尼器,以及施工期间设置主梁的临时固 结。下横梁为等截面箱形,截面尺寸为10 m(宽)X 6 m(高)。下横梁设计为B类预应力构件。桥塔承台采用分离式,承台高

18、6 m,平面尺寸为 17.5 mX17.5 m,承台和塔柱间设2 m厚塔座进行 过渡。单个承台下设18根钻孔灌注桩,桩径 3.0 m,桩顺桥向、横桥向中心距均为6.25 m。桥塔塔柱、塔座、下横梁均采用C50混凝土,承 台采用C40混凝土,基桩采用C30混凝土。3.2主梁主梁采用双边“上”字形钢主梁与混凝土桥面板 组成的结合梁根据桥面板材料不同,设计阶段 对C55高性能混凝土桥面板结合梁和UHPC桥面板 结合梁两种形式的主梁进行研究比较。经比选可知:UHPC桥面板结合梁单项造价较高间,但可以减小 钢梁及基础等结构尺寸,UHPC桥面板结合梁方案综 合造价与普通混凝土桥面板结合梁方案基本相当。然而

19、鉴于该桥位于山区,UHPC桥面板对施工技术要 求高、施工风险大,因此该桥主梁最终选用技术相对 成熟的C55高性能混凝土桥面板结合梁方案。双边 钢主梁横向中心距28 m,桥梁全宽30 ni,钢主梁中心 线处梁高3.2 hi,标准横断面见图3.1/2横梁处1/2无横梁处单位:cm图3主梁标准横断面Fig.3 Typical Cross-Section of Superstructure3.2.1钢梁根据构造及施工架设的需要,全桥钢梁划分 为6种类型梁段,共39个梁段,标准梁段长度分别 为主跨12 m和边跨8 m。钢梁工地连接均采用高 强度螺栓连接。为了使锚拉板与钢主梁腹板直接焊接传力,并 保持混凝

20、土桥面板在锚拉板处不断开,单侧钢主梁 采用“上”字形截面,见图4。钢主梁下翼缘水平,上 翼缘与桥面横向同坡,腹板竖直设置。钢主梁中心 线处总高度(上翼缘顶距下翼缘底)为2.92 mo钢 主梁上翼缘截面尺寸为800 K1H1X48 mm,下翼缘截 面尺寸为1 200 mmX60 mm。钢主梁腹板厚度均 为36 mm,腹板高度范围均匀设置2道纵向板式加 贵州凯峡河特大桥总体设计 师少辉,赵鹏磊,欧阳泽卉87劲肋。标准节段腹板内、外侧每隔4.0 m设置1道 竖向加劲肋,与钢横梁位置对应。钢横梁采用“工”字形截面,标准间距4.0 m,钢横梁腹板设竖向加劲 肋和水平加劲肋。为便于预制桥面板间纵向现浇缝

21、的浇筑,同时减小预制桥面板的尺寸,钢横梁间横向 宽度范围内均匀布置3道“工”字形小纵梁。钢主 梁、钢横梁、小纵梁均采用Q345D钢。1%1%无横梁处 横梁处982,罷 800 982 严 1 150*图4钢主梁横断面Fig.4 Cross-Section of Steel Main Girder3.2.2桥面板及剪力钉桥面板采用分块预制C55混凝土桥面板,通过 现浇接缝连成整体。预制板标准块平面尺寸分为 600 c mX 350 c m(内侧)和 668,5 c m X 350 c m(外 侧)两种,标准预制板厚度为28 c m,局部加厚为 65 c m。为传递斜拉索水平拉力,预制板边板外侧

22、设置齿块式剪力键,齿块凸起5 c m。双边钢主梁顶 现浇纵缝宽70 c m,中间小纵梁顶现浇纵缝宽 40 c m;钢横梁顶现浇横缝宽50 c m,主梁端部设现 浇段;现浇接缝及现浇段均采用C55低收缩微膨胀 混凝土。根据结构受力需要口旳,桥面板分别在中跨 和边跨一定范围内布置纵向预应力钢束。预应力钢 束采用15-15、15-12两种规格,两端整束张拉。剪力钉采用电弧螺柱焊用圆柱头焊钉,材质为 ML15。钢主梁、钢横梁、小纵梁上翼缘板拼接螺杆 兼作剪力连接件使用。3.3斜拉索及锚固斜拉索采用扇形布置,为空间双索面,每个索面 由18对斜拉索组成,全桥共72根。塔上斜拉索索 距从上至下由2.5 m变

23、化至3.5 m;梁上索距主跨 为12 m,边跨为8m。为满足山区公路运输条件,斜拉索采用环氧喷涂钢绞线成品索。根据运营阶段 索力不同,分别采用31、37、43、55、61、73根6种规 格,单根采用7丝H5.2 mm环氧钢绞线,标准抗 拉强度/Pl=l 860 MPa,容许应力幅250 MPa。斜 拉索固定端设置在梁端,张拉端设置在塔端,两端锚 具均采用张拉端锚具。斜拉索在梁端采用外置减振 器,塔端采用内置减振器。斜拉索塔端采用钢锚梁的方式锚固,锚固系统 由整体受拉为主的钢锚梁和承受竖向力为主的钢牛 腿组成,每套钢锚梁锚固2对斜拉索,塔端锚固构造 见图5。斜拉索梁端采用锚拉板的方式锚固 通过锚

24、拉板与钢主梁腹板小角度弯折焊接适应斜拉 索的横向偏角,梁端锚固构造见图6。图5塔端锚固构造Fig,5 Stay Cable-to-Pylon Anchorage Zone注:肌为蕭爭彎;出対加斑板;鶯为埔並枢;帆为鳖槪;殆対箭堡枫:单戏=EH图6梁端锚固构造Fig.6 Stay Cable-to-Deck Anchorage Zone4结构计算釆用有限元软件MIDAS Civil进行全桥总体计 算,以理论竖曲线为基准将结构离散为空间杆系模 型。桥塔采用空间梁单元模拟,主梁采用程序内置 组合梁单元模拟,斜拉索采用索单元模拟,计算考虑 PA效应及斜拉索的非线性。计算共划分为151 88桥梁建设 B

25、ridg e Co nst ruc t io n2023,53(S1)个施工步骤。计算荷载主要考虑恒载、活载、风荷 载、温度作用及施工临时荷载等,按规范要求进行最 不利荷载组合计算口8勿。采用有限元软件MIDAS FEA对索梁锚固小 折角锚拉板进行局部计算,分别选取最大横向偏角(12.616)和最大索力(7 549.4 kN)对应的锚拉板 建立局部模型。为研究变形控制点即锚拉板与钢主 梁腹板连接处在不同阶段索力作用下的横向变形,计算考虑了斜拉索索导管的实际横向偏角,索力按 初张拉、二次张拉和运营期各阶段最大索力分步施 加到局部模型,锚拉板局部模型见图7。图7锚拉板局部模型Fig.7 Local

26、 FE Model of Tensile Anchor Plate结构计算主要结论如下:(1)钢主梁在持久状况承载能力极限状态下最 大拉应力为207.1 MPa,出现在主跨梁端;最大压应 力为239.6 MPa,出现在边跨跨中。钢主梁承载能 力满足规范要求。(2)混凝土桥面板上、下缘在持久状况正常使 用极限状态下均未出现拉应力,抗裂性满足规范要 求;标准荷载组合下上缘最大压应力为17.39 MPa,位于主跨梁端附近,下缘最大压应力为13.28 MPa,位于桥塔根部附近,均小于17.75 MPa的规范 限值。(3)最不利荷载组合下,斜拉索安全系数均大 于2.5;斜拉索最大活载应力幅值为195.6

27、 MPa,小 于250 MPa,均满足规范要求。(4)锚拉板钢板应力水平均在合理范围内,应 力值均小于钢材强度设计值。(5)斜拉索初张拉、二次张拉和运营期各阶段,锚拉板与钢主梁腹板连接处最大变形量分别为2.73,0.38,0.52 mm,斜拉索安装精度满足设计 要求。55施工方案桥塔采用爬模法施工,共划分23个节段,分节 段浇筑匚2灯。下塔柱起步段和塔座同步浇筑,下塔柱 其余节段采用爬模模板+型钢支撑浇筑混凝土,塔 柱合龙段采用预埋钢板牛腿搭设支架施工。下塔柱 施工时,根据监控数据适时安装横撑抄,以防止施 工过程中的塔柱水平变形及底部受弯开裂。上塔柱 节段采用爬模自爬升系统完成施工。桥塔施工完

28、成后,塔吊吊装桥塔处钢梁梁段的 钢主梁、钢横梁及小纵梁,拼装完成后与塔座临时固 结3 一須,采用桥面吊机往桥塔两侧依次悬拼钢梁梁 段,随后安装预制桥面板、浇筑桥面板湿接缝、安装 并张拉斜拉索,完成该梁段施工。桥塔两侧部分梁 段由于地形条件限制,边跨侧采用搭设落地钢管支 架的方式安装钢梁,主跨侧采用在施工平台上支垫 型钢搭设滑道,利用滑移的方式安装钢梁。6结语贵州凯峡河特大桥总体设计充分结合山区U 形槽谷特点,考虑施工难度、经济性、周边环境等 因素,经比选论证采用不对称半飘浮体系独塔结 合梁斜拉桥的桥型方案。结合桥面高度位置,桥 塔采用“人”字形结构,比例较为协调,景观效果 好;为使锚拉板与钢主

29、梁腹板直接焊接传力,并保 持混凝土桥面板在锚拉板处不断开,主梁采用双 边“上”字形钢主梁与混凝土桥面板组成的结合 梁;为满足山区公路运输条件,斜拉索采用环氧喷 涂钢绞线成品索;斜拉索塔端锚固采用钢锚梁,每 套钢锚梁锚固2对斜拉索,斜拉索梁端锚固采用 锚拉板,为适应空间索面斜拉索锚固,锚拉板与钢 主梁腹板采用小角度弯折焊接,局部计算结果表 明锚拉板横向变形较小,斜拉索安装精度满足要 求。该桥2017年12月开工建设,2021年8月底 建成通车,目前运营状况良好。参考文献(References):1中交第二公路勘察设计研究院有限公司.贵州省石阡 至玉屏(大龙)高速公路凯峡河特大桥施工图设计Z.武汉

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48、 A-Sh ap ed Co nc ret e Py l o ns o f a Cabl e-St ay ed Bridg e o f a Ful l-Fl o at ing Sy st emJ.Bridg e Co nst ruc t io n,2020,50(Sl):119-125.in Ch inese)23 张世娟,周远智,胡靖,等.红水河特大斜拉桥叠合 梁顶推施工过程仿真分析J1中外公路,2015,35(6),156-159.(ZHANG Sh i-j uan,ZHOU Yuan-zh i,HU Jing,et al.Simul at ing Anal y sis o f t h e

49、 Co nst ruc t io n Pro c ess o f Sup erl arg e Cabl e-St ay ed Bridg e Co mp o sit e Beam Push ing-in in Ho ng sh uih e River J.Jo urnal o f Ch ina&Fo reig n Hig h way,2015,35(6):156-159.in Ch inese)24杨勇,刘涛.钢-泯叠合梁斜拉桥塔周梁段不对 称架设技术J1世界桥梁,2021,49(6):28-33.(YANG Yo ng,LIU Tao.Asy mmet ric al Erec t io n

50、Tec h niq ue fo r Girder Sec t io ns aro und Py l o ns o f St eel-Co nc ret e Co mp o sit e Girder Cabl e-St ay ed Bridg e J.Wo rl d Bridg es,2021,49(6):28-33.in Ch inese)SHI Sh ao-h uiZHAO Peng-l eiOUYANG Ze-h ui师少辉1988,男,高级工程师2009年毕业于北京交通大学土木 工程专业,工学学士,2011年毕业 于北京交通大学防灾减灾工程及防 护工程专业,工学硕士。研究方向:桥梁结构设

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