李钊
(上海市隧道工程轨道交通设计研究院,上海市 2 00235)
多跨拱梁组合桥设计研究
李钊
(上海市隧道工程轨道交通设计研究院,上海市 2 00235)
介绍了一座跨海大桥的设计过程,该桥是一座连接人工海岛与陆地的跨海车行桥,桥梁结构采用了五跨连拱的拱梁组合体系,桥梁结构复杂,拱肋高低起伏,造型优美。
拱梁组合体系;提篮拱;锚固架;颤振失稳;涡激振动
1.1 项目背景
该景观桥位于海南省某海湾内,是一座连接人工岛与陆地的车行桥。人工岛由三个岛串联组成,其中一号岛(381 hm2)规划为综合服务区,主要有风情酒店、商务会议、健康运动、温泉、饮食、酒吧等旅游配套服务;二号岛(248 hm2)、三号岛(154 hm2)规划为配套旅游地产。根据人工岛整体规划及城市建设计划,人工岛有三条进岛通道,其中一号岛通道为主要通道,包括:跨海段车行桥、人行桥、接线引桥、接线匝道等部分。本桥为一号岛通道的跨海段车行桥部分。
该景观桥是人工岛连接陆地侧滨海大道的一条主要通道,其中跨海段长度约为500 m,桥梁入岛后通过主线引桥和上下桥匝道与岛上的交通枢纽相联系。桥梁方案前后经过多轮招标和修改,最终确定跨海段主桥方案为-五跨连拱的拱梁组合体系桥,见图1。
图1 桥梁效果图
1.2 技术标准
(1)道路等级:城市次干路;
(2)设计车速:40 km/h;
(3)设计荷载:城-B级[1];
(4)设计净空:机动车道4.5 m;
(5)设计基准期:100 a;
设计安全等级:一级,γ0=1.1[2];
(6)桥面铺装:8 cm混凝土+10 cm沥青;
(7)常水位标高:1.50 m;河床底:-3.0 m;
(8)通航净空:6.5 m;通航净宽:30 m;
(9)桥梁纵坡:最大3.0%,最小0.3%;
(10)桥梁横坡:2%;
(11)环境类别:Ⅲ类(海水环境)[2];
(12)基本风速:40.4 m/s(百年一遇);
(13)设计断面:1 m(索区)+1.75 m(检修道)+15 m(车行道)+1.75 m(检修道)+1 m(索区)=20.5 m;
(14)抗震等级:地震动峰值加速度为0.1g(基本烈度7度)。
2.1 总体设计
本桥采用了“索辅梁”的设计概念,结构受力主体为预应力混凝土连续梁,拱肋作为辅助受力结构和装饰性构件,仅承担部分恒载和活载。设计中,吊杆承担约18%恒载,20%活载。
预应力混凝土连续梁为3联,跨径布置为4× 40 m+(60 m+80 m+60 m)+4×40 m=520 m。其中60 m+80 m+60 m主桥为变高度预应力混凝土连续梁,4×40 m引桥为等高度预应力连续梁,桥梁为双向四车道。
桥拱采用五跨连拱结构,跨径布置为82 m+ 80 m+200m+80 m+83 m=525 m,每跨由两片拱肋组成。主拱、边拱均采用提篮拱的结构形式,拱肋由拱脚至拱顶向内侧倾斜,拱轴线与水平面夹角呈78.1°,拱脚中心线横桥向水平距离31.0 m,见图2。
图2 桥梁总体布置图(单位:m)
梁和拱的基础均采用承台+钻孔灌注桩的形式,梁、拱基础分离设置。引桥桥墩和主桥边墩桩径为1.5 m;拱肋主拱基础桩径为2.0 m,其余为1.5 m。桥台采用重力式桥台,桥台承台厚1.5 m,桩径为1.0 m。
桥墩采用单柱空心开花墩,墩底横桥向宽3.2 m,墩顶展开至 7.4 m,以便于上部结构支座的布置。
本桥拱脚采用了反力锚固架的形式,锚固架利用螺栓与承压钢板和承台混凝土结合,传递拱脚上部荷载。考虑到拱肋锚固架的布置拱脚承台设置了二承台。
2.2 施工过程
(1)新建临时土围堰,排除围堰内海水,清淤,整平;施工车行桥和拱肋基础;钢拱肋工厂预制,定位拱脚反力架;
(2)搭设支架,预压,现浇混凝土箱梁;拆除支架,搭设少支架,进行拱肋安装;
(3)拆除少支架,桥面系施工;灌注拱脚压重混凝土,张拉吊杆;
(4)箱梁、拱肋涂装,拆除临时土围堰;施工桥下亲水平台、填岛;竣工通车。
3.1 4×40 m预应力混凝土车行桥
引桥跨中和支点断面见图3、图4。
引桥为4×40 m跨预应力混凝土连续梁,结构纵、横向均按部分预应力A类构件设计,桥面板按钢筋混凝土构件设计。梁中心高2.3 m,宽20.5 m,桥梁采用单箱五室箱形断面,顶板设置2%双向横坡,底板水平。标准段顶、底板厚250 mm,腹板厚450 mm,支点处底板加厚至550 mm,腹板加厚至700 mm。箱梁端横梁宽1.5 m,中横梁宽2.5 m。
图3 引桥跨中断面(单位:cm)
图4 引桥支点断面(单位:cm)
每联引桥设置8对吊杆,吊杆间距8 m,吊杆位置处设置250 mm厚横隔板。结构计算时,隔板仅作为集中力考虑,不考虑其刚度。
3.2 60 m+80 m+60 m预应力混凝土车行桥
主桥为60 m+80 m+60 m三跨变高预应力混凝土连续箱梁结构,结构纵、横向均按部分预应力A类构件设计,桥面板按钢筋混凝土构件设计。梁中支点梁高4.8 m,边支点及跨中梁高2.3 m,梁底按照二次抛物线过渡,桥宽20.5 m。标准横断面顶底板厚250 mm,腹板厚450 mm;支点处底板加厚至550 mm,腹板加厚至700 mm。顶板设置双向2%横坡,底板水平。箱梁端横梁宽1.5 m,中横梁宽2.8 m,见图5。
图5 主桥立面图(单位:cm)
主桥共设置18对吊杆,吊杆间距8m,吊杆位置处设置250 mm厚横隔板。
箱梁总长200 m,考虑到腹板束过长,预应力损失过大,钢束易拉断,在中跨跨中设置2 m后浇段,腹板束在后浇段端面锚固。为便于腹板束张拉,在中跨跨中处设置一段8.5 m长腹板加厚段,腹板由450 mm加厚至1 050 mm。
4.1 拱肋构造
(1)200 m主拱
主拱跨径200 m,拱平面内矢高62.859 m,线形为抛物线。拱肋板厚为16~24 mm。拱顶截面为2.5 m×2.5 m,拱底截面为3.0 m×6.3 m,截面高度沿拱轴线呈二次抛物线变化。吊杆间距8 m,拱肋中在吊杆对应位置设置竖向隔板,其他位置隔板按一定间距布置。拱脚10 m范围内填充C30微膨胀压重混凝土,见图6。
图6 主拱肋拱顶断面、隔板断面、风撑断面(单位:mm)
(2)82 m(83 m)边拱
82 m(83 m)边拱为不对称结构,拱平面内矢高26.574 m,线形为抛物线,一侧拱脚与80 m边拱拱脚相接,另一侧与陆地相接。拱顶截面为2.0 m× 2.0 m,拱底截面为3.0 m×5.7 m,截面高度沿拱轴线呈二次抛物线变化。拱肋板厚为16~20 mm。吊杆间距8 m,拱肋中在吊杆对应位置设置竖向隔板,其他位置隔板按一定间距布置。靠岸一侧拱脚5.2 m范围内填充C30微膨胀压重混凝土,另一侧填充8.2 m。
(3)80 m边拱
80 m边拱为对称结构,拱平面内矢高29.641 m,线形为抛物线,一侧与79 m边拱拱脚相接,另一侧与200 m主拱拱脚相接。拱顶截面为2.0 m× 2.0 m,拱底截面为3.0 m×6.2 m。截面高度沿拱轴线呈二次抛物线变化。拱肋板厚为16~20 mm。吊杆间距8 m,拱肋内在吊杆对应位置设置竖向隔板,其他位置隔板按一定间距布置。在拱脚12.4 m范围内填充C30微膨胀压重混凝土。
拱肋采用带圆倒角的八角形的钢箱断面,在截面角点处以5 mm厚的钢板做圆弧过渡,圆弧半径为300 mm。该断面线条柔和,避免了多边形截面棱边带来的突兀感,与人工岛的整体景观相协调;截面风阻系数较小,可改善结构在横桥向风荷载作用下的力学性能。
4.2 拱脚设计
鉴于传统的钢混结合段拱脚构造复杂,钢筋冲突严重,定位困难,钢混结合面容易出现应力集中等现象,本桥拱脚采用刚性柱脚锚固架的设计,利用螺栓和承压钢板与承台混凝土结合,传递拱上荷载。拱壁钢板进入承台顶面0.8 m处截断,设置上下承压板,将拱壁直接焊接在承压板上,并在上下承压板间设置与拱壁对应的加劲板与肋板,形成拱脚处刚性区域。在承台以下设置型钢锚固架,作为锚杆锚固结构;上下承压板设置螺栓孔,螺杆从螺栓孔穿过锚固在上承压板上顶面,见图7。
4.3 吊杆的设计
图7 拱脚三维图
吊杆间距8 m,边拱各设6对吊杆,主拱设18对吊杆,全桥共计42对吊杆,吊杆长26.46~201.91 m。拱脚与承台均为固结。
吊杆索体采用环氧涂层钢丝双层HDPE的PES.E(FD)5-37低应力防腐索体,钢丝强度1670 MPa,钢丝性能满足GB/T25835-2010《缆索用环氧涂层钢丝》的要求,吊杆两端采用冷铸锚。吊杆的安全系数K=3,即设计索力不大于破断力的0.333倍。
吊杆配套锚具为:拱端为LZM5-37叉耳式固定端锚具,梁端为LZM5-37调节端锚具。
桥梁位于海水环境内,设计环境类别为Ⅲ类,且桥梁钢构件较多,耐久性设计需专门设计。主要采取的耐久性措施有:
5.1 混凝土构件
混凝土主要采用:控制混凝土的浇筑质量;控制混凝土的保护层厚度;添加适量的混凝土外加剂;混凝土箱梁外表面采用表面涂层保护。
5.2 预应力构件
预应力筋采用材料表面处理、预应力套管、套管填充、混凝土保护层和构造措施等措施保证。预应力锚固端,采用无收缩高性能混凝土封锚,并对新老混凝土连接面进行防水处理。采取构造措施,防止水直接作用锚固封堵端的外表面。
5.3 钢构件
钢结构设计中主要采用涂装体系对钢结构进行防腐。钢拱肋外表面和预埋件外表面(防腐年限15 a):无机富锌底漆1道75 μm;环氧封闭漆1道25 μm;环氧(云铁)漆2道150 μm;丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆/氟碳树脂漆1道40 μm;氟碳面漆1道40 μm,合计330 μm。钢拱肋内表面(防腐年限25 a)可少一层面漆。
5.4 浪溅区桥墩防腐
浪溅区桥墩的腐蚀等级为Ⅲ-F,防腐要求高,主要采取的防腐措施有:墩身采用海工混凝土;混凝土中掺入阻锈剂;墩身受力主筋采用环氧涂层钢筋。
5.5 吊杆防腐蚀
吊杆索体采用环氧涂层钢丝双层HDPE的PES.E(FD)5-37低应力防腐索体。拉索锚具为冷铸锚,外露表面须在施工完成后立即做二次防腐,防腐要求与拱肋钢箱梁外表面防腐要求相同。使用中定期检查吊杆拉索及锚头的腐蚀情况,吊杆的使用年限为15 a。
6.1 研究目的
1940年美国塔科马悬索桥风毁事故之后,桥梁的风致响应问题越来越受到重视。大跨度桥梁风致响应问题主要有:颤振失稳、静力发散、随机抖振、涡激振动和驰振失稳。
本桥中的大跨度钢箱拱结构,由于自身刚度小、自振频率低、阻尼小等原因,不可避免地会发生抖振效应。抖振除会使人感到不适影响行车安全外,还会引起结构的局部疲劳损伤,严重的会导致结构破坏。因此,专题立项对跨海大桥进行风致抖振分析和涡振响应分析。
6.2 研究结论
通过研究分析主要结论如下:
(1)通过特征值分析,拱肋动力特性参数见表1。
表1 拱肋动力特性值
(2)拱肋抖振响应分析结果见表2、表3。
表2 拱肋抖振分析最大位移
表3 拱肋抖振分析最大应力幅
风致抖振位移较小;吊杆桥面位置抖振产生转角较小;拱肋最大应力幅在允许范围内,风致抖振响应不控制设计。
(3)吊杆风致抖振响应:三跨拱吊杆的最大应力幅均发生在最短吊杆处,数值分别为47.9 MPa、137.3 MPa和207 MPa,应力幅较大,应适当减小短吊杆的截面刚度。
(4)涡振响应分析:涡振风速区域内,气动力的数值相对较小,难以激起主拱结构较大的振幅。涡振响应不控制桥梁设计。
2015年10月本桥已进入施工阶段,桥梁建成后,将会改善海岛与大陆的交通联系,也会为海湾增添一道亮丽的风景。该桥建造环境为海洋环境,台风多发区,建设条件恶劣,桥梁结构复杂,拱肋高低起伏,造型优美,具有较大的设计难度,本桥的设计经验和科研结论具有一定参考价值。
[1]CJJ 11-2011,城市桥梁设计规范[S].
[2]JTG D60-2015,公路桥涵设计通用规范[S].
[3]JTG D62-2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].
[4]JTG D64-2015,公路钢结构桥梁设计规范[S].
U448.21+6
B
1009-7716(2017)01-0047-04
10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.013
2016-10-27
李钊(1983-),男,湖北孝感人,工程师,从事桥梁设计工作。