某三塔双跨空间索面人行索桥总体设计要点与分析

钱江 刘挺 刘智

(1.北京迈达斯技术有限公司 100044; 2.华汇工程设计集团股份有限公司 绍兴312000)

1 工程概述

桥址位于江西省九江市永修县庐山西海,地震基本烈度为6 度,地震动加速度0.05g。西海玻璃桥横跨女神岛与鳄鱼岛,采用空间地锚式悬索结构,总长441.452m,属于庐山景区人行景观桥。主桥中间宽4.6m,桥面采用全透明的夹胶玻璃,桥面主结构为钢骨架,采用隧道式锚碇锚固主缆,桥塔为箱型钢塔柱。中间圆形桥面宽3.3m,圆桥中轴线直径35.63m,桥面主结构为钢骨架,采用圆管柱支撑整个桥面,圆桥为自成结构体系的钢框架结构。桥面距水面相对高度约30m,全桥总体布置如图1 所示[1]。

2 结构设计

2.1 缆索系统

主缆横向布置两根,按空间索面布置,其跨度布置为： 12.551m + 199.567m + 214.934m +14.400m=441.452m,主缆矢跨比靠女神岛主跨采用1/11,靠鳄鱼岛主跨采用1/12[2,3]。

考虑本桥为大跨空间异型悬索桥,同时主缆为承重关键构件。为安全考虑,主缆材料采用高强镀锌钢丝,抗拉极限强度为1670MPa,其断面由19 ×(61 -ϕ5.1)索股组成,单个索股为规则的正六边形截面。为了保护主缆钢丝,在其外侧缠绕圆形镀锌钢丝进行防腐保护。在温度稳定时进行预紧缆,主缆全长分为若干区段分别进行,以免钢丝的松弛集中在一处。最后进行正式紧缆,控制目标空隙率为20%[4],成型主缆的直径为194mm。

图1 桥梁总体布置(单位： m)Fig.1 Bridge general layout (unit： m)

吊杆采用平行钢丝吊索,其材料抗拉极限强度为1670MPa,单丝直径为5.1mm,单丝的截面积为20.428mm2,断面组成为37 -ϕ5.1mm,总面积为755.86mm2。每个吊点设置单根吊索[5],吊杆的布置如图2 所示。

图2 吊杆布置Fig.2 Suspender layout

女神岛侧加劲梁端至首吊杆间距9.6m,主桥中间吊杆纵向标准间距为4.9m,中间主塔中心至两边最近吊杆的间距为37.5m,鳄鱼岛侧加劲梁端至尾吊杆间距9.6m,吊杆下端设置调长装置,以实现吊杆长度的精确调整[6]。

2.2 加劲梁

加劲梁采用双箱室布置,两侧为钢纵梁,中间用钢横梁进行连接。总体采用简支体系,靠女神岛侧主梁总长144.088m,靠鳄鱼岛侧主梁总长183.043m。钢箱高度0.5m,横向中心距为3.65m,净距2.8m,横梁的纵向布置间距为4.9m,与吊杆间距一致。主桥中间部分为等宽结构,桥面宽度4.6m,两侧靠明月广场与琴瑟广场为变宽结构,长度19m,桥宽按线性变化由4.6m 变宽至10.8m,在变宽段外侧各增设一道副纵梁。

加劲梁钢箱断面形式为倒梯形,顶、底宽和高度分别为900mm、450mm 和500mm,其中上下开口宽度分别为750mm 和350mm,顶板厚度20mm,底板与腹板均为16mm; 钢横梁为矩形,尺寸为500mm ×300mm ×16mm,纵横梁通过焊接组成整体,其围成区域铺设玻璃桥面,最大露空区域净尺寸为2800mm ×2150mm,双箱室加劲梁断面如图3 所示。

2.3 主塔

悬索桥的桥塔采用箱型钢柱结构,各塔柱索鞍处主缆中心到桥面的高差为20m,西侧两塔柱底中心的横向间距为28.204m,东侧两塔柱底中心的横向间距为26.294m,中塔柱底中心的横向间距为42.40m。西侧塔柱为矩形,从柱底到索鞍中心截面变化为4.0m ×2.5m ～2.5m×2.5m; 东侧塔柱为矩形,从柱底位置到索鞍中心位置,其具体截面变化为4.5m ×2.5m ～2.5m × 2.5m; 中塔柱为矩形 截面,从柱底到索鞍中心截面变化为3.5m ×3.5m ～2.5m × 2.5m,壁厚50mm。本文给出中塔的侧面与标准断面如图4 所示。

图3 双箱室加劲梁断面(单位： mm)Fig.3 Cross-section of stiffening beam with double box chamber (unit： mm)

图4 中塔侧面与标准断面示意(单位： mm)Fig.4 Side and section of central tower(unit： mm)

3 结构计算分析

3.1 分析模型

采用midas Civil 2017 建立全桥分析模型,其中主缆与吊杆采用空间索单元,赋予单元无应力长度; 主塔与加劲梁采用梁单元。为了计算结构成桥状态与空缆线型,包括施工过程中应力情况,分别建立成桥状态模型,施工倒拆模型与正装模型,标记为模型1、模型2 和模型3。

模型1,主要分成以下三个步骤进行求解：

(1)利用midas Civil 的悬索桥建模助手功能,采用节线法思路,定义全桥主缆锚点、主塔坐标、跨中垂度等关键参数,输入成桥状态下桥面系承受的恒载,分别得到左跨与右跨的初始平衡状态两个模型。

(2)将两个模型合并,同时利用刚性连接在各主塔顶部定义索鞍的支撑,释放顺桥向约束自由度,同时完善成桥模型的边界条件。由于边界条件的调整与结构单元的变化,主缆的平衡状态会发生变化,因此需要对更新后的模型重新做找形分析。

(3)采用最小弯曲能思路,将主梁的抗弯刚度缩小0.001 倍,利用midas 的精确平衡状态分析功能,设置参数如图5所示。重新迭代分析,更新主缆与吊杆的无应力长度,删除主梁抗弯刚度调整系数后得到最终的成桥分析模型。

模型2,在模型1 基础上增加一个拆除吊杆与主梁的施工阶段,由于该结构在施工过程中变形较大,因此分析时需要考虑几何非线性的影响。在该模型中由于考虑了成桥的平衡内力状态,故拆除吊杆与主梁后,主缆会上抬,这样可以准确地计算空缆线型与塔顶的索鞍预偏量。

图5 全桥精确平衡分析参数控制Fig.5 Parameter control of precise balance analysis

模型3,在模型1 基础上增加施工正装的过程,为了准确地得到施工过程各状态的应力与变形情况,采用累加分析模型,同时结合无应力状态法进行施工过程模拟,具体施工过程中非线性控制参数如图6 所示。主缆与吊杆的无应力长度已经求得,需要额外考虑主塔单元的无应力长度作用,可采用温度补偿的方法进行模拟,具体数值根据施工过程中主塔的压缩量来反推[7],目标控制在施工结束后,塔顶的竖向位移为0。全桥整体三维模型如图7 所示。

图6 施工过程几何非线性分析参数控制Fig.6 Parameter control of geometric nonlinear analysis in construction process

图7 全桥空间计算模型Fig.7 Spatial computing model of full bridge

计算模型除考虑自重、桥面护栏等恒载以外,还考虑人群荷载为350kg/m2,相当于每平方米5 个70kg 成年人的重量; 温度作用参考当地的年最高与最低温度,确定升温温差25℃,降温温差30℃; 百年极限风速为27.2m/s。

考虑最不利受力情况,定义荷载组合如下,取以下最不利组合的包络结果[8,9]：

(1)组合一,恒载;

(2)组合二,恒载+人群;

(3)组合三,恒载+温度+百年极限风;

(4)组合四,恒载+人群+温度+运营风。

3.2 结构位移计算

参考《公路悬索桥设计规范》(JTG/T D65 -05 -2015)要求,加劲梁由移动荷载作用引起的最大竖向挠度不宜大于L/250。通过计算,人群作用下跨中最大挠度为0.689m,小于规范容许值0.88m,满足要求,具体如图8 所示。

图8 人群荷载作用下结构竖向变形(单位： m)Fig.8 Vertical deformation of structure under crowd loading (unit： m)

同时为了保证行人舒适度,需要控制风荷载作用下结构横向位移。根据规范要求,在风荷载作用下结构侧向变形不宜大于L/150,通过计算,风荷载作用下结构最大横向变形为0.166m,小于规范容许值1.46m,满足要求,具体如图9 所示。

图9 百年极限风作用下结构横向变形(单位： m)Fig.9 Transverse deformation of structures under centennial limit wind (unit： m)

3.3 缆索计算结果

根据受力情况分析,结构在组合四作用下,主缆最大拉应力为443MPa,其容许拉应力为1670MPa,则安全系数为3.76 ≥2.5; 而考虑吊杆在最不利荷载组合下,最大拉应力为330MPa,安全系数为5.06≥3,均满足规范要求,具体结果如表1 所示。

表1 缆索结构计算结果Tab.1 Cable structure calculation results

对于主缆与吊杆的应力沿纵向分布具体如图10 所示。

图10 主缆与吊杆沿纵向应力分布Fig.10 Longitudinal stress distribution of main cable and suspender

3.4 主梁与主塔计算结果

根据《公路钢桥设计规范》(JTG D64—2015)要求,对主梁与主塔进行应力检算,需要综合考虑在轴力、面内弯矩和面外弯矩共同作用下的结果。在组合四的最不利组合的作用下,钢结构的正应力数值如表2 所示,其中应力分布如图11所示。

表2 正应力计算结果Tab.2 Calculation results of normal stress

图11 主梁与主塔正应力(单位： MPa)Fig.11 Normal stress of main girder and tower(unit： MPa)

在组合四的基本组合下,主梁与主塔的剪应力数值如表3 所示,其中剪应力分布如图12 所示。

表3 剪应力计算结果Tab.3 Calculation results of shear stress

图12 主梁与主塔剪应力(单位： MPa)Fig.12 Shear stress of main girder and tower(unit： MPa)

由于本桥在中塔位置,索型为空间索面,因此在恒载与人群荷载作用下,在主塔顶会产生较大的横向力,力的作用大小与中塔之间的横向距离有关。因此在设计时,对于中塔存在双向偏压情况,由轴力、顺桥向弯矩与横桥向弯矩共同控制,需要特别注意。

4 结语

西海玻璃桥的缆索、主梁、主塔强度和刚度均满足规范要求,为类似的悬索结构的分析与设计提供一定的参考。