西宁市文汇路跨湟水河大桥混凝土自锚式悬索桥设计.pdf

2 0 1 3 年 6 月第 6 期 城 市道桥 与防洪 桥梁结构 7 1 西宁市文汇路跨湟水河大桥混凝土 自锚式悬索桥设计 宋 凯 ( 上海市政工程设计研究总院( 集 团) 有限公司， 上海市 2 0 0 0 9 2 ) 摘 要： 西宁市文汇路跨湟水河大桥为( 2 4 + 6 5 + 1 5 8 + 6 5 + 2 4 ) m双塔五跨连续混凝土梁自锚式悬索桥 ， 综述该桥设计与计算。该桥采 用纵向半漂浮体系， 设置纵向阻尼器控制梁端位移； 主梁采用单箱三室混凝土截面， 梁高 2 2 m； 桥塔采用门形框架混凝土结构， 塔 顶横梁采用矩形空心截面并设置预应力钢绞线 ； 桥塔墩下部采用分离式承台 ， 单个承台布置 6根直径 2 2 m钻孔灌注桩； 主缆采 用 4 ) 5 2 5 m m镀锌高强平行钢丝， 吊索采用 7 0 m i ll 镀锌高强平行钢丝。计算分析结果表明该桥的各项检算均满足规范要求。 关键词： 自 锚式悬索桥； 混凝土箱梁 ； 混凝土主塔； 主缆； 阻尼器； 桥梁设计 中图分类号 ： U 4 4 8 2 5 文献标识码 ： B 文章编 号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 3 ) 0 6 0 0 7 1 0 3 1 概述 一 直以来 ，悬索桥以其优美的线形和错落有 致的外观为大多数人所欣赏。自锚式悬索桥取消 了传统悬索桥中所必须的巨大的锚锭 ，将主缆直 接锚固在加劲梁上，使主梁直接承受主缆传来的 水平力。 一方面从造价的角度， 去掉了锚锭施工所 需要的巨大的费用， 增加了方案的经济优势 ； 另一 方面从结构受力的角度 ， 增大了主梁压应力储备 ， 减少主梁所需预应力材料数量 ，结构受力更加合 理。自锚式悬索桥跨径在 6 0 3 0 0 m都是一种非 常有竞争力 的桥型【 1 J 。 西宁市海湖新区文汇路跨湟水河大桥 ，采用 ( 2 4 + 6 5 + 1 5 8 + 6 5 + 2 4 ) m两塔五跨混凝土鱼腹梁 自 锚式悬索桥方案， 桥面结构宽度 2 7 3 m， 设置双向 横坡 1 5 。图 1 所示为全桥忌体布置图。 2 抗震 设计 图 1 总体 布置图 ( 单位 ： M) 该工程桥址处地震基本烈度为度 ，场地类 别属 类 ， 地震水平较高 ， 全桥的抗震设计是一个 重点难题 ，设计伊始就将结构体系与抗震设计结 合考虑。由于主梁采用质量较大的混凝土箱梁 ， 地 震作用下的惯性力较大 ，因此总体上采用纵向滑 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 2 2 7 作者简介： 宋凯( 1 9 8 1 一 ) ， 男 ， 湖北仙桃人 ， 硕士 ， 工程师， 从 事道路 桥 梁设计 工作 。 动支座体系结合阻尼器方案。在主塔 、 边墩、 桥台 处均设纵向滑动支座 ， 放开结构的纵向约束 ， 增大 结构的自振周期 ， 有效降低了地震相应。同时为了 控制地震作用下的纵向位移 ，在每处塔梁交界处 均设置阻尼器 。图 2所示 为罕遇地震 ( E 2水准地 震 ) 作用下， 阻尼器对各关键部位的纵向位移的影 响。计算显示， 设置阻尼器能有效减小各关键部位 位移 。 设置阻尼器 口不设阻尼器 图 2 E 2水准地震 作用 下各关键 部位 纵 向位 移( 单位 ： mm) 3 结构设计 3 1 总体布置 全桥采用半漂浮体系， 在主塔牛腿处设置纵向 滑动支座 ，主梁与桥塔之间设置横向抗风支座， 在 边墩和锚墩处设置纵向活动支座及横 向抗震挡块。 该桥主缆由3 跨组成 ， 边跨理论跨径 6 5 I n ， 主 跨理论跨径 1 5 8 m 。已有的分析研究显示 ， 对于 自 锚式悬索桥， 随着矢跨 比的增加 ， 桥梁的整体刚度 也随着增加， 但是主梁轴向压力却相应减小【 。综 合考虑结构受力、 造价及景观因素 ， 主跨的理论矢 跨 比选定为 1： 6 。 3 2 主梁设计 主梁采用单箱三室混凝土鱼腹梁 ， 梁高 2 2 m， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 2 桥梁结构 城 市道桥 与防洪 2 0 1 3 年 6 月第 6 期 顶宽 2 7 3 m 。主梁主要分为锚跨段、 边跨锚固段和 吊索区三大部分。 锚跨及边跨锚 固段主梁共长 4 0 m。锚跨段 主 梁梁高 2 2 m， 锚跨段跨中顶、 底板厚度为 2 5 0 m m， 中腹板厚度为 4 0 0 mm。在靠近主缆锚 固区处 ， 顶 底板均逐渐变厚为 5 0 0 m m。锚 固区主横梁宽度 2 0 m， 为增强锚固段箱梁受力的整体性 ， 在锚固区 段加设 了 2道厚度为 0 8 m的横梁 。 锚跨段主梁跨 中断面图如 图 3所示 。 4 UU 图 3 锚跨 段主梁跨 中断面 图( 单位 ： mm) 吊索区主梁长 2 5 6 m， 标准节段长 6 m 。吊索 区主梁梁高 2 2 m， 吊索至挑臂边缘 4 1 5 m， 挑臂 总长 4 4 5 m。主梁标准段顶 、 底板厚度为 2 5 0 m m， 中腹板厚度 为 4 0 0 m m， 腹板间距 6 6 4 m。标准节 段主梁断面图如图 4所示 。 图 4吊索区主梁标 准断面 图( 单位 ： mm) 主梁采用纵、 横双向预应力体系。主梁纵向配 置规格 s 1 5 1 2 高强度低松弛钢绞线，其中施工 用永久预应力钢束在每个节段浇筑完成后张拉 ， 其余预应力钢束在全部主梁浇筑完成，缆吊系统 施工前张拉 。在每个 横梁 内均布置横 向预应力钢 绞线。 主梁施工采用逐 节段支架现浇 ，全桥纵 向共 分为 1 3 个节段， 南北对称布置。 最长梁段 3 2 m， 最 短梁段 2 0 m。 3 3 主塔及基础设计 主塔为门式塔， 塔高 5 0 9 9 3 m。塔顶设置框形 横梁结构 ， 塔顶下横梁为预应力混凝土结构， 塔顶 上横梁为钢结构 。混凝土塔柱 自下 到上分为 4个 区段 。主塔结构见图 5 。 下塔柱横桥向保持 2 5 m宽度， 全截面为哑铃 形。左右塔柱在与主梁相接处各设置一个牛腿， 牛 腿上设置主梁支座， 支座中心距 1 4 1 m。 中塔柱横桥向保持 2 5 m宽度不变， 顺桥向分 成两片等厚的塔柱 ， 厚度均为 2 1 5 m， 在靠近主塔 中心线侧设 0 6 5 m 0 6 5 m倒角，塔柱之间净间 距 1 7 m。整个桥塔顺桥向尺寸为 6 m，上下保持 不变。两片塔柱之间通过 3根混凝土系梁相连接 。 图 5 主 塔 立 面 和侧 面 图 ( 单 位 m J 上塔柱在塔顶处将两片塔柱用混凝土连接起 来 ，形成一段高度为 5 6 m的实心混凝土平台 ， 并 将左右塔柱通过预应力混凝土横梁相联系。 塔顶段为钢混凝土组合结构， 混凝土与钢结构 之间通过剪力钉连接， 中间开设 3 5 m高的空腔以 放置索 鞍。该段在塔 顶上横梁预应力张拉完毕且 缆 吊系统施工完毕后施工 。 每根塔柱单独设置承台 ， 每个 承台下设置 6根 直径 2 2 m钻孔灌注桩。 为了增强地面以下基础部 分的耐久性 ，设计在 承台和桩基混凝土结构采用 了抗硫水泥。 3 4 缆 吊系统设计 缆吊系统包括主缆、 吊索、 索夹、 主鞍座和散索 套等几个组成部分 。 主缆采用悬索桥主缆的常规设置，即中跨、 边 跨连续主缆 ， 在 主塔顶部设置索鞍 ， 主梁端 部设 置 散索套和锚固区，主缆通过主索鞍转向并经散索 套发散后直接锚 固于主梁端部的混凝土实体上。 该桥为双缆面，全桥共两根主缆 ，每根主缆由 3 7 个索股组成 ， 每股含 9 1 5 2 5 m m镀锌高强钢丝 ， 索股构成正六边形 ， 紧缆后主缆为圆形 。主缆施工 采用 预制平行 钢丝索股 逐根架设 的施工 方法 ( P P WS ) 。 全桥共设 8 2 个吊点， 每个吊点设一根吊索， 每 根 吊索 由 1 0 9 7 0 m m的镀锌高强钢丝束组成。 吊索的上接头采用铰销接头， 以减少吊索弯折。吊 索的下接头采用锚头直接锚固在主梁上，且设置 球面锚垫板， 以便于适应吊索的变形。 吊索上下锚 头均采用冷铸锚 ，上锚头由锚杯与叉形耳板螺纹 连接， 下锚头采用张拉端锚具与主梁连接。 H n 时 。 一 _ 【 v _ 【 一 。 0 _【 v 。 曲 _【 一 0 0 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 年 6 月第 6 期 城 市道桥 与 防洪 桥梁结构 7 3 索夹采用铸钢结构， 材料为 Z G 3 1 0 5 7 0 ， 上下 对合， 用高强螺栓杆连接。 主索鞍采用全铸式结构，材料为 Z G 3 1 0 5 7 0 。 鞍槽 内隔板采用 5 m m 的碳 素钢板 ，鞍头上采 用 M 4 8 螺杆， 将索股全部就位、 调股后 ， 在顶部用锌 块填平， 并用螺栓夹紧鞍槽侧壁。 主缆在主梁端部设置散索套 ，主缆经散索套 发散后直接锚固。散索套采用全铸式结构 ， 材料为 ZG3 1 0-5 7 0 4 结构计算 悬索桥 的计算 主要采用 3种理论 ： 弹性理论 、 挠度理论 以及有 限位移理论 。弹性理论不考虑 主 缆恒载内力对其他荷载内力的影响，得到的计算 结果较大 ； 挠度理论计入主缆恒载内力的影响， 得 到的计算结果更加准确 ；有限位移理论采用矩阵 分析法 ， 借助计算机技术考虑各种非线性的影响， 计算结果精确 。 本次设计采用大型空间有限元软件，模拟全 结构的空间模型 ， 利用有限位移理论， 考虑结构几 何非线性和材料非线性。计算根据施工过程， 按照 模型结构体系变化 ， 共分为 4个 阶段 。 施工 阶段一 ： 主塔施 工 ， 满 堂支架 施工 主梁 ， 并依次张拉施工用永久预应力及成桥预应力。 施 工 阶段 二 ： 安装 缆 吊系统 ， 施 工 桥 面二 期 恒载 ； 阶段三 ： 成桥。 阶段四 ： 收缩徐变 1 0 a 。 计算荷载包括 ： 恒载， 活载， 温度荷载( 包括整 体温差 、 体系温差和 日照温差 ) ， 风荷载 ， 支座沉 降。 按照不同组合计算内力。 各构件计算结果均满 足规范要求 。 5 结 语 多跨连续混凝土梁 自锚式悬索桥将大跨连续 梁桥与悬索桥两种结构体系结合在一起 ，通过吊 索对加劲梁的弹性支承， 有效降低了梁高。因此， 该桥型保持了传统地锚式悬索桥桥型优美轻便的 优点， 而且主缆直接锚固在加劲梁上， 使主梁直接 承受主缆传来的水平力， 增大了主梁压应力储备， 对结构受力更为有利 3 J 。 西宁市海湖新 区文汇路跨湟水河 大桥 主桥 为 多跨混凝土 自锚式悬索桥，结构对称且造型优美 简洁 ， 作 为现代城市 桥梁 ， 具 有突 出的景观优 势 。 该桥已于 2 0 1 2 年 1 2月竣工通车，全桥实景见图 6 。该桥的实施将对以后类似项 目的设计提供一定 的借鉴与指导。 图 6 全 桥实景 参 考文献 1 】 张元凯 ， 肖汝诚， 金成棣 自锚式悬索桥 的设计 J 桥梁建设 ， 2 0 0 2 ( 5 ) ： 3 O 一 3 2 2 张哲 混凝土自锚式悬索桥【 M 】 北京 ： 人民交通出版社 ， 2 0 0 5 【 3 胡建华 现代自锚式悬索桥理论与应用 M】 北京： 人 民交通出版 社 。 2 0 1 0 北京通州新城北环环隧完成结构建设 年底前将完工 连接北京通州核心区 2 2个地块以及市政道路的重要交通通道北环环隧结构建设已全部完成 ， 正在进行设备安装， 年底前将与东关大道一同完工。 北环环隧工程位于通州新城核心区商务北区， 是国内少有的地下三层结构交通环廊系统 ， 总规模达 到 2 1 0 万 m 。建成后的北环环隧采用逆时针单向行驶 ， 由于商务北区白天时段将禁止机动车在地面上通 行 ， 因此北环环隧将来会全面承担起该区域的地面交通职能。目前， 北环环隧和东关大道两项工程已完成 结构建设， 正在进行设备安装等工作， 年底前全部完工。另外 ， 地铁 M 6号线 7 个换乘站 1 0月前将竣工 ， 年 内实现全线贯通 。 学兔兔 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