高塔型矮塔斜拉桥总体设计研究

2024-03-21 10:47曹林
运输经理世界 2024年1期
关键词:横桥索塔主桥

曹林

(浙江交工集团股份有限公司,浙江 杭州 310052)

1 工程概况

1.1 项目介绍

该项目路线全长824.34m,桥梁长度490.5m,是某市集团独立投资建设的市政工程项目,于2020 年10月开工建设。项目道路等级为城市主干道,主桥主跨下设置通航孔,单孔双向通航,通航净空90m×8m,设计最高通航水位10.5m,按1500t 船舶设防;桥梁荷载等级为城-A 级,设计使用年限为100 年,桥梁环境类别为I 类环境。

1.2 主要建设条件

项目区域环境属热带季风气候、雨量充沛、气温高、终年如夏。每年分为雨季和旱季,其中7—10 月为雨季,11 月—次年6 月为旱季,年平均气温达29℃~30℃;每年的12 月、1 月气温最低,月平均气温为24℃;每年4 月气温最高,月平均气温为35℃。年均降雨量为1000~1500mm,其中90%的降水集中在雨季。

根据调查资料及线路主要控制工点的地质钻孔资料,结合区域资料可知,沿线地层有第四系沉积层、泥盆系砂岩、泥岩等。第四系覆盖层厚度变化大,10~75m 不等,主要为湖积、冲积、冲洪积成因。上部以冲积粉质黏土、湖积淤泥质土为主,中下部主要是冲湖积硬塑~坚硬状粉质黏土,以及冲洪积砂砾层。

泥盆系地层:岩性为砂岩、泥岩,青灰色、紫红色,中厚层~中薄层状,钙泥质胶结,以泥质胶结为主,砂岩矿物成分以长石石英为主,砂岩一般较软~较坚硬,完整性一般较差,以较破碎状为主,部分段落受构造挤压,岩芯破碎。

区域以缓慢的地壳抬升为主,经过漫长的地质作用,平原区冲积沉积物厚度大。区域内褶皱、断裂不发育,未见新构造活动痕迹,属于区域构造稳定区,历史上无地震记录,地震基本烈度可按Ⅵ度考虑,地震动峰值加速度为0.05g[1]。

2 桥梁方案与总体布置情况

该桥梁位置处于两河交汇处,水下地形平坦,水深较浅。两侧岛屿属于吹填人工岛,桥梁需要跨越现有岛屿的防护堤坝,桥梁总体布置为(20+21)m 预应力混凝土箱梁+(108+180+108)m 混凝土矮塔斜拉桥+2×23m 预应力混凝土箱梁,桥梁全长490.5m。平面位于直线和缓和曲线上,其中主桥均位于直线段。纵断面受通航和两侧建筑物及引道长度控制,两侧均为4.6%,主桥纵向为对称布置(支座布置非对称),横桥向也为对称结构,横坡为2%。引桥起点侧和终点侧桥台斜交布置,右偏角度分别为80°、104°,其余桥墩均为正交布置。主桥整幅布置,桥宽24.5m,引桥分幅布置,单幅桥宽11m。主桥桥型布置图,如图1所示。

图1 主桥桥型布置图(单位:cm)

3 主桥设计

3.1 总体设计

考虑到该桥位于城市开发区,且位于两个人工岛的中心地带,综合水文条件、通航要求、景观造型、地质构造,考虑水中桥梁施工难度、桥梁两端接线及对周边建筑的影响等因素,主桥采用双塔单索面混凝土矮塔斜拉桥。该桥主桥墩高度较小,为改善受力状态,采用塔梁固结、墩梁分离的结构体系。

主桥主跨为180m,边跨108m,边中跨比例为0.6。为满足高城市景观需要,桥面以上塔高较高,其中索塔塔冠高11m。桥面以上索塔总高为60m,考虑塔冠仅为装饰用,塔柱结构高度按照49m 计算,则主桥高跨比达到1/3.7,远高于常规的矮塔斜拉桥塔高,常规的矮塔斜拉桥桥面以上高跨比一般为1/6~1/10,该桥属于高塔型矮塔斜拉桥。

每个索面采用16 根斜拉索,横向设双排索,每个索塔共32 根索[2]。

3.2 主梁设计

主梁箱梁为预应力混凝土结构,混凝土强度等级为C60,采用单箱三室断面,跨中梁高3.2m,支点梁高6m。通航孔上方梁段采用等截面设计,既利于通航也便于施工。支点6m 梁高采用二次抛物线渐变至3.2m 等高段。索塔区域渐变为单箱双室断面,中间箱室采用实心断面与索塔固结。中腹板采用直腹板,边腹板采用斜腹板,以改善景观造型。桥面铺装采用10cm 沥青混凝土+防水层。箱梁典型断面图,如图2所示。

图2 箱梁典型断面图(单位:cm)

主梁节段划分:中跨划分(5.8m+5×3.2m+16×4.2m+1m)×2=180m,0 号节段的长度为2×5.8m=11.6m,有索区标准段长度为4.2m,无索区标准段长度为3.2m,边跨现浇段长度为17m。

3.3 索塔设计

索塔布置在中央分隔带上,桥面以上总塔高为60m,塔顶为11m 高的塔冠,采用尖型拱顶造型的建筑风格,塔身也配备一定的建筑风格雕刻。索塔采用实心矩形截面,顺桥向宽5m,横桥向宽2.8m,倒圆角半径25cm。斜拉索在横桥向呈双排布置。水平向两排拉索中心间距1.2m,索塔理论锚固点在高度方向间距为1.5m。

3.4 斜拉索设计

斜拉索为单索面(水平两排索,间距1.2m)、扇形布置,每个塔上设有32 根斜拉索,全桥共64 根。斜拉索在主梁上纵向间距为4.2m,塔上竖向间距为1.5m。斜拉索在塔上连续通过鞍座,拉索两端对称锚于主梁两道中腹板顶部。

斜拉索按体外成品索设计,采用钢绞线斜拉索,抗拉强度标准值fpk=1860MPa,根据索力不同,分别采用由27/31/37 根φs15.2 钢绞线组成的钢绞线,拉索最长为185.684m。

3.5 全桥总体计算

3.5.1 主要技术标准

桥结构安全等级:一级;重要性系数:1.1;桥梁设计荷载:城-A;预应力构件类型:桥梁纵向按全预应力构件计算,横向按部分预应力A 类构件设计,钢筋混凝土构件裂缝宽度按不大于0.15mm 进行控制;拉索安全系数:>2.5;设计使用寿命:100 年;抗震设防烈度:6 度,地震动峰值加速度值0.05g;航道标准:90m×8m,单孔双向通航,船撞设防吨位1500t。

3.5.2 模型建立及分析

主梁结构按照全预应力构件设计。总体静力计算应用有限位移理论,采用MIDAS 空间杆系模型,对应施工过程及构造需要,主梁共离散划分467 个单元。边界条件如下:索塔与主梁固结,墩梁采用支座连接。主桥计算模型,如图3 所示。

图3 主桥计算模型

3.5.3 主要计算结果

计算表明:持久状况承载力极限状态下,主梁抗弯承载力满足规范要求,最不利处安全系数为1.16。主梁斜截面抗剪承载力满足规范要求,最不利处安全系数为1.35。在持久状况正常使用极限状态下,结构在最不利频遇组合下,主梁截面上下缘未出现拉应力,上缘最小压应力储备为0.07MPa,下缘最小压应力储备为0.83MPa,正截面抗裂验算满足相关要求。主梁最大主拉应力为0.94MPa,小于1.14MPa,抗裂验算满足规范要求。

持久状况弹性阶段验算标准值组合,主梁上缘最大压应力为17.89MPa,主梁下缘最大压应力为14.57MPa,均在0.5 倍混凝土抗压强度标准值的允许范围内。斜截面最大主应力为17.89MPa,在0.6 倍混凝土抗压强度标准值的允许值范围内。

斜拉索最大应力为732MPa,最大应力幅值为90.2MPa,最小安全系数2.54。

中跨最大挠度24.6cm,边跨最大挠度12.3cm,满足规范不大于L/600 的刚度要求[3]。

3.6 下部结构设计

主桥主墩位于水中,采用实心墩。横桥向13m宽,顺桥向5m 宽。墩顶横向设置三个支座,支座间距4.7m。承台为八边形实心承台,高度4.5m,横桥向总宽度24.3m,顺桥向总宽度17.7m。桩基设置18 根直径2m 钻孔灌注桩。

主桥边墩(主引桥交接墩)采用实体花瓶墩,横桥向墩底为13.8m 宽等宽段,上部通过圆弧段渐变至墩顶20.4m 宽度。顺桥向墩底为2.8m 等厚段,采用圆弧段渐变至墩顶3.7m。墩顶由于主引桥箱梁高度差,引桥侧墩顶设置1.7m 高差的L 型盖梁。由于主引桥梁端支座反力差别较大,墩身向主桥方向偏离理论跨径线0.72m,以维持恒载状态下的墩身平衡。

边墩承台为矩形实体承台,高度2.5m,横桥向长17.7m,纵桥向宽6.3m。基础为10 根直径1.5m 钻孔灌注桩基础[4]。

4 施工方案

桩基采用钻孔灌注桩施工,在水中桩基搭设钻孔平台施工。水中承台双壁带底钢套箱施工。墩身高度不大,采用支架现浇法施工。主梁采用挂篮悬浇施工,其中0 号块采用临时支墩法临时固结。塔柱采用爬模或翻模施工,塔柱与主梁1 号~4 号节段无索区梁段同时施工,节省工期。

斜拉索由专业厂家制造,使用运输车运输到施工现场,通过塔侧的塔吊起吊至桥面。利用放索架进行斜拉索的桥面展索,利用塔吊配合进行塔端的挂索,利用卷扬机搭配门架进行斜拉索的梁端挂索。

该工程地质条件复杂,水中主墩逐桩预钻孔,确认持力层地质情况和桩底标高。

5 结语

该桥的建设对于拓展城市空间、展示文化特色、提升城市形象而言具有重要的意义。

高塔型矮塔斜拉桥兼具斜拉桥的美观性和矮塔斜拉桥的经济性及施工便利性,是景观桥梁100~300m 跨径范围内具有竞争力的桥型。选择该桥型,在解决了城市桥梁景观设计要求的同时,相比斜拉桥方案显著地节省了造价,并降低了施工难度,充分体现安全、适用、经济、美观的桥梁设计原则。

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