无上横梁直塔斜拉桥节点设计

黄刚

(林同棪国际工程咨询(中国)有限公司,重庆市 401121)

无上横梁直塔斜拉桥节点设计

黄刚

(林同棪国际工程咨询(中国)有限公司,重庆市 401121)

通过介绍重庆水土嘉陵江大桥主要构件设计,和建立墩、塔和梁固结的三维有限元模型进行结构分析,详细描述了无上横梁直塔斜拉桥主要节点设计和受力特点。

斜拉桥；无上横梁；墩塔梁固结

0 引言

随着市民审美观不断提升,城市桥梁在满足最基本的交通功能外,景观造型越来越受到重视。无上横梁直塔斜拉桥因其造型美观、施工方便和经济适用的优点,正在被桥梁工程师所接受。

1 工程描述

重庆水土嘉陵江大桥连接两江新区水土组团和北碚蔡家组团，全长972 m,主跨388 m,主桥为61 m+199 m+388 m+128 m高低塔双索面叠合梁斜拉桥,见图1,桥宽31.8 m,双向六车道设计。桥塔为无横梁方尖碑造型,主梁为叠合梁结构,桥墩高度均在70 m左右。

无上横梁直塔设计是本桥景观设计的亮点,具有较强的视觉冲击效果,在国内首次采用。

2 结构设计

2.1 桥塔设计

本桥位于U型河谷地区,受主通航孔限制,采用高低塔斜拉桥形式。考虑到造型美观需要,桥塔采用方尖碑无上横梁造型,见图2。桥塔断面为五边形空心薄壁结构,为减少水流阻力,下塔柱外侧加设三角分水尖。

桥塔在桥面以上无横梁结构,相对常规“H”、“A”型桥塔的横向稳定性能较弱,是设计成败的关键节点。上塔柱受力以轴压为主,拉索索力不对称会引起面内弯矩,横向风力和拉索偏心则会引起面外弯矩。轴压和面内弯矩与常规桥塔并无差异,面外弯矩则会引起更大的变形。桥塔横向受力对横截面设计影响较大。

由于桥塔未设置上横梁,为了确保桥塔抗风稳定及受力需求,要求拉索锚固与桥塔截面形心在同一平面以减少附加弯矩。为了确保索塔锚固区截面形心一致,高塔锚固区标准截面壁厚由0.6～1.5 m不等厚,上塔柱在截面变化段桥塔靠车行道侧塔壁由1.5 m厚变化到2.5 m厚,下塔柱除设置过渡段以外,其他壁厚均为1.1 m厚。同样原因低塔锚固区标准截面壁厚由0.6～1.36 m不等厚,上塔柱在截面变化段桥塔靠车行道侧塔壁由1.36厚变化到1.72 m 厚,下塔柱除设置过渡段以外,其他壁厚均为1.0 m厚,见图3。高塔横梁宽8.2 m,横梁中部高7 m,与塔柱相交段截面高8 m；低塔横梁宽6.7 m,横梁中部高6 m,与塔柱相交段截面高7 m。

目前常用的索塔锚固形式有两种,即环向预应力锚固形式和钢箱梁锚固形式。钢锚箱形式构造简单、受力较为明确,力学性能有保证、施工质量易控制；相较而言环向预应力锚固形式造价低,并且后期养护费用较低。经综合比较,本桥采用环向预应力锚固形式。为了满足索塔锚固区受力和预应力布置的要求,锚固截面设置一道50cm厚的竖向隔板。

2.2 塔梁连接设计

斜拉桥的塔梁连接设计主要考虑结构受力最优,并兼顾构造设计方便。但直塔斜拉桥塔梁连接构造相对复杂,设计时需同时满足受力和构造设计方便的要求。

水土嘉陵江大桥为叠合梁斜拉桥,为减少桥塔面外弯矩,拉索、主梁工字钢腹板和上塔柱形心在同一竖直面内。这样的布置形式决定了塔梁连接方案,一是采用塔梁固结方式,二是采用钢主梁通过孔洞穿过桥塔,三是采用主梁绕塔方式。方案一构造设计简单,本桥墩高70 m左右,温度及地震影响较小,容易克服；方案二需要考虑桥塔开孔造成的应力集中和支座养护更换的问题；方案三构造复杂,受力不合理,造价较高。综合考虑各种连接形式的优缺点,本桥采用塔梁固结方式。

图1 立面布置图(单位:m)

图2 桥塔立面图(单位:m)

图3 桥塔断面图(单位:cm)

本桥墩塔梁固结采用混凝土板连续、钢梁在桥塔位置断开的处理方式,可以最大程度减少因钢梁穿塔造成桥塔钢筋被截断的现象。斜拉桥主梁在桥塔根部位置以受压为主,可以通过调整索力和张拉预应力等措施保证钢梁全截面处于受压状态。钢梁通过钢垫板支撑在桥塔实心塔壁上,并借助钢垫板上锚钉和对拉预应力确保塔梁共同受力。

2.3 斜拉索布置

对于无上横梁直塔斜拉桥而言,拉索作用比较重要。在纵桥向,斜拉桥的存在有助于减少桥塔的自由长度和纵向弯矩；对于横桥向,拉索的偏心误差直接决定了桥塔的横向弯矩,同时也改变了桥塔横向稳定。

桥塔计算长度取值是桥塔截面设计计算的关键参数之一。桥塔的压杆稳定模型是确定其计算长度的关键因素。斜拉索的参与使桥塔计算长度不再是2 l0,而是根据拉索作用方向和位置取不同的计算长度。斜拉索在纵桥向对桥塔有约束作用,桥塔约束与一端固结一端滑动约束模型接近,偏保守取值,可以取0.7 l0作为计算长度；斜拉索在横桥向对塔的约束较弱,但梁、索共同作用下,桥塔弯曲割线为拉索受力方向,故计算长度可以偏安全取10,见图4。

2.4 整体抗风设计

自从上世纪四十年代旧塔科马大桥被风吹毁后,人们开始重视风对桥梁结构的动力作用。桥梁颤振是纯扭转或弯曲和扭转耦合的发散自激振动,当其不断吸收能量超过结构自身阻尼,导致振幅逐步增大直至结构破坏。涡振则关系到行车舒适性,也需要重视。叠合梁斜拉桥的特点是重量较轻、抗扭刚度小、阻尼比小,采用平面拉索的无上横梁体系抗扭刚度更弱,根据《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T D60-01-2004)6.3.1条计算颤振稳定性指数If=［Vcr］/ft/B,需要采用风洞试验进行检验。

图4 拉索帮助下的桥塔稳定计算模型

根据水土嘉陵江大桥风洞试验结果显示,需要对主梁断面采取必要的抗风措施方能克服颤振和涡振对桥梁的不利影响。在经过多次试验比对,最终确定采用梁底1.5 m宽平隔板+上、下稳定板的抗风形式,见图5,其颤振最小风速在+3°～-3°攻角范围内均大于80 m/s,大于59 m/s的检验风速,涡振竖弯位移在-3°攻角时达到最大6 cm,扭转角度在0°攻角时最大为0.241°,均小于规范限值。

图5 风洞模型照片

3 结构分析

针对水土嘉陵江大桥无上横梁直塔斜拉桥的结构特点,主要对其桥塔和主梁受力以及动力特性进行计算分析。计算采用较为成熟的空间有限元软件MIDAS CIVIL(8.2.1),通过三杆系模拟主梁,并通过刚臂单元连接,桥塔采用杆系单元,斜拉索采用桁架单元模拟。计算结果按照公路桥梁规范相关要求进行组合

主梁计算结果显示,混凝土桥面板以受压为主,计算裂缝小于0.2 mm限值,容许承载力满足规范要求。钢梁最大压应力小于强度容许值,稳定验算满足规范要求。汽车荷载作用下中跨挠度为29.8 cm,南边跨为11.9 cm,挠跨比均小于L/400的容许值。

桥塔计算结果显示,“恒载+E2地震”为控制性工况,承载能力极限状态安全系数最小为1.14；最不利组合下裂缝位置位于P6塔塔底截面,裂缝宽度为0.038 mm,小于规范容许值0.2 mm。

塔梁连接是本次计算的关键节点之一。计算分析表明(见图6),塔梁结合段混凝土凸块的第三主应力(主压应力)小于C55混凝土的抗压强度标准值；塔梁结合段钢梁和塔梁结合段钢垫板的MISES应力均小于Q420的屈服强度标准值。墩塔梁固结构件受力满足现有规范和结构材料容许范围。

图6 塔梁结合段构件受力

4 结论及建议

水土嘉陵江大桥采用无上横梁直塔形式,结构新颖,造型美观,为国内首次采用。在设计此类桥梁时,应确保拉索平面与上塔柱形心连线为一条垂线,其次是桥塔截面拟定需要考虑地震荷载、风荷载和温度荷载影响,同时确保上塔柱型心在竖直面内。塔梁连接等关键部位可根据主梁形式采用不同的处理方式,条件允许时采用墩梁塔固结构造比较简单。

［1］ JTG/T D65-01-2007，公路斜拉桥设计细则［S］.

［2］ JTG/T D60-01-2004，公路桥梁抗风设计规范［S］.

［3］ 刘士林，王似舜.斜拉桥设计［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［4］ 哈鸿.青洲闽江大桥的抖振分析及风载内力计算［J］.同济大学学报，2001(1):75-79.

［5］ 高宗余.青洲闽江大桥结合梁斜拉桥设计［J］. 桥梁建设，2001(4): 13-17.

［6］ 宋若望，袁帅华.斜拉桥异型主塔稳定性研究［J］.湖南工程学院学报，2014(3):67-70.

U448.27

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1009-7716(2015)09-0092-03

2015-05-08

黄刚(1977-),男,四川达州人,高级工程师,从事桥梁设计工作。