西山西路自锚式悬索桥结构设计

丁勇

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司,上海市200092）

西山西路自锚式悬索桥结构设计

丁勇

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司,上海市200092）

鄂尔多斯市西山西路桥采用双塔三跨自锚式悬索桥,主桥为跨径布置58 m+140 m+58 m=256 m,桥宽40.1 m。现对西山西路桥总体设计参数进行阐述,并利用有限元软件对桥梁结构进行建模分析。设计实践表明:自锚式悬索桥不仅桥型美观,而且结构体系合理。

自锚式悬索桥；建模分析；体系合理

1 工程概况

西山西路为鄂尔多斯市伊金霍洛旗城区内的一条南北向主干路。该工程北侧起点为西山西路与体育路交叉口,南侧终点接入阿四公路,中间跨越掌岗图河。桥梁位于掌岗图河的弯道上,西山西路与河道成斜交布置。桥梁采用双塔三跨自锚式悬索桥的桥型方案。桥跨径组合为:58 m+140 m+ 58 m=256 m,桥宽40.1 m。

1.1 主要设计标准

（1）道路等级:城市主干路；

（2）荷载标准:城-A级；

（3）计算行车速度:50 km/h；

（4）桥梁宽度:机动车道为双向6车道,并考虑人行及非机动车道,具体为0.3 m（栏杆）+2.0 m（人行道）+3.5 m（非机动车道）+3.0 m（机非分隔带）+2× 11.25 m（机动车道）+3.0 m（机非分隔带）+3.5 m（非机动车道）+2.0 m（人行道）+0.3 m（栏杆）=40.1 m；

（5）环境类别:Ⅱ级,严寒地区,环境作用等级II-C；

（6）抗震设防标准:地震设防烈度为6度,水平向设计基本地震动加速度峰值为0.05 g,地震动反应谱特征周期为0.45 s,桥梁抗震设防类别甲类；

（7）设计风荷载:取100 a重现期,基本风速33.7 m/s,基本风压0.60 Pa,桥梁所在场地地表类别为B类。

1.2 桥梁结构参数

该桥结构为双塔三跨自锚式悬索桥。

双塔自锚式悬索桥主缆矢跨比一般为1/8～1/4。从结构比例协调、景观效果考虑,该桥断面较宽,则需要一定的塔高,相应需采用较大的矢跨比。综合考虑该桥矢跨比采用1/4.67。

主桥加劲梁采用双主梁形式,共分为钢混凝土组合梁、钢混凝土结合梁、混凝土端横梁三部份。吊点处钢混凝土组合梁梁高2.75 m,梁高/主跨=1/50.9。其中钢箱梁部份梁高2.5 m,混凝土桥面板厚0.25 m。两道主梁之间设钢横梁,钢横梁间距为7.0 m。此外,在主梁之间设置了多道小纵梁。端横梁为预应力混凝土结构。为放置引桥小箱梁,端横梁设置牛腿结构。

主塔采用混凝土结构,主塔总高58m,桥面以上塔高33 m。塔柱为矩形截面,塔柱间距25.5 m,截面四个角点设齿槽。塔柱沿竖向截面变化,下塔柱截面尺寸为4.9 m×2.5 m,中下塔柱截面尺寸为4.3 m×2.5 m,中上塔柱截面尺寸为4.3 m×2.2 m,上塔柱截面尺寸为3.7 m×1.9 m。两塔柱间设3道横梁,横梁采用预应力混凝土结构,为空心矩形截面。下横梁截面尺寸为2.5 m×2.5 m,中、上横梁截面尺寸为2.8 m×1.5 m。

全桥共设两根主缆,主缆间距25.5 m,按平面布置。主缆锚固于3.0 m机非分隔带端横梁处,主缆在塔顶处平顺支撑于鞍座上。主缆材料采用镀锌高强钢丝,采用预制平行索股法（PPWS）编索。主缆索股采用37股PPWS-5.3 mm×91镀锌高强平行钢丝,在工厂编制成索股,索股断面为正六边形。

该桥主墩下部结构采用桩基础加承台的形式。承台为5 m厚,宽13.9 m的方形承台,承台上部进行3 m×2 m的削角处理。桩基础采用直径1.5 m的大直径桩（见图1）。

图1 主墩断面图

主桥边墩采用双柱式,两根墩柱在顶部采用横系梁连接。基础同样采用桩基础加承台的形式。承台为3 m厚,长10.1 m,宽6.3 m的长方形承台。桩基础采用直径1.5 m的大直径桩。

1.3 主要施工步骤

因为该桥为自锚式悬索桥,主缆需要锚固在加劲梁上,所以需要先实施加劲梁,再安装主缆和吊杆。全桥施工过程如下:

（1）施工各桥墩台桩基础及承台,制作钢梁、桥面板、鞍座、主缆和吊索等构件；

（2）立模浇筑主塔塔身和边墩混凝土,主桥全桥搭设支架；

（3）实施主桥加劲梁；

（4）安装塔顶鞍座和散索套,架设主缆；

（5）紧缆、安装索夹和吊索；

（6）从主塔处吊索向两边对称张拉吊杆,并调整吊索力至设计索力,分次顶推鞍座；

（7）拆除主梁支架,施工桥面系及附属设施,终调吊索力。

2 结构分析

2.1 荷载取值

（1）结构重力:混凝土容重采用26 kN/m3,钢材容重采用78.5 kN/m3。

（2）混凝土收缩徐变:根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）收缩徐变理论计算。

（3）基础沉降:主塔基础沉降按2 cm考虑,边墩基础沉降按1 cm考虑。

（4）汽车荷载:

a.荷载等级:城-A级；

b.车道纵向不折减；

c.横桥向按6车道考虑,横向折减系数取0.55,横向偏载系数取1.20；

d.主桥汽车冲击系数按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）第4.3.2条取用,结构基频按动力特性分析数据取用。

（5）人群荷载:按《城市桥梁设计规范》（CJJ 11-2011）第10.0.5条,取3.0 kN/m2。

（6）温度作用:

a.主梁设计拼装温度为5～10℃。桥位处于严寒地区,根据规范,混凝土桥面板钢桥最高、最低有效温度分布分别为39℃、-32℃；

b.主梁、主塔、主缆和吊杆计算整体升温40℃,整体降温-40℃；

c.主梁截面温度变化按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）第4.3.10条取用。

2.2 建立计算模型

结构分析计算程序采用MIDAS/Civil进行全桥结构分析。

首先采用MIDAS悬索桥建模助手建立初始模型。MIDAS悬索桥建模助手使用Ohtsuki简化方法计算获得索的水平张力和主缆的初始形状,利用悬索单元的柔度矩阵重新进行迭代分析。

对于自锚式悬索桥,由于其加劲梁受较大轴力的作用,加劲梁端部和索墩锚固位置会发生较大变化,即主缆体系将发生变化,所以从严格意义来说建模助手获得的索体系和无应力长与实际并不相符。因此必须对整体结构重新进行精密分析。其过程如下:将主缆和吊杆的力按静力荷载加载到由索塔墩和加劲梁组成的杆系结构上,计算加劲梁和索塔墩的初始内力,并将其作用在整体结构上。通过反复计算直至收敛,获得整体结构的初始平衡状态。

获得结构的初始平衡状态后,再对模型进行细化。该桥加劲梁为钢混组合梁,计算采用程序中的组合截面来模拟钢混组合梁。加劲梁端部为混凝土梁,计算照实建入。然后改变主缆的约束,将主缆和主梁端部固结。再将塔顶单元和索单元分开,用弹性连接模拟施工过程中的塔索相互滑动。定义更新组和垂点组,进行精确分析。

图2为修改后的自锚式悬索桥模型。

图2 有限元模型

2.3 施工阶段分析

将精确分析得到的模型进行施工分析,删除悬索桥分析控制,设置每个施工阶段单元的边界条件和荷载工况。

先建立一个一次成桥施工阶段。分析后查看位移和各个单元内力,此施工阶段位移为零,各个单元内力和精确分析得到的平衡单元节点与构件内力相同。然后设置倒拆分析的各个施工阶段。

拟定的吊杆张拉过程为从最靠近主塔的吊杆开始张拉,跨中吊杆最后张拉,并且主塔两边吊杆对称张拉。由此施工过程进行倒拆分析。倒拆计算结果如表1所列。

2.4 成桥阶段分析

将精确分析得到的模型进行成桥分析,删除悬索桥分析控制,将塔顶节点和索固结,设置成桥运营阶段的荷载工况,并进行成桥分析。

主缆的最大应力为507.5 MPa,吊杆最大应力为532.6 MPa。吊索和主缆抗拉强度为1 770 MPa。主缆应力的安全系数大于2.5,吊杆应力的安全系数大于3。主梁最大应力为89.5 MPa,满足要求。跨中最大位移为115 mm。0.115/140=1/1217＜1/300。

表1 倒拆计算结果一览表

3 结语

（1）自锚式悬索桥不仅具有悬索桥的跨越能力强,索塔线型流畅优美、生动活泼等优点,而且取消了一般悬索桥庞大的锚锭。因此,自锚式悬索桥在城市桥梁中应用得越来越广泛。

（2）自锚式悬索桥因为主缆锚固在加劲梁上,其施工方法,以及结构体系与一般悬索桥有所不同。加劲梁不仅承受竖向荷载,而且承受主缆的轴向压力,因此计算模型需精确模拟桥梁结构。

U448.25

B

1009-7716（2017）07-0067-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.020

2017-03-27

丁勇（1984-）,男,江苏泰州人,研究生,工程师,从事桥梁工程设计工作。