王欣 吴平 姜金斌
部分斜拉桥具有结构轻巧、外形美观、跨径布置灵活、施工简便以及经济性好等优点[1],是一种很有发展潜力的桥型,目前在我国得到了广泛的应用。但随着城市桥梁的加宽,加上为减少多索面斜拉索的零乱感而采用单索面结构,使其宽跨比较大,荷载的横向分布较为复杂,其相应的结构布置、构造、设计方法及施工工艺等均有特殊的要求,因此对该类桥梁深入研究是非常必要的。
1 工程简介
本工程位于余姚市城区中部,南至四明东路,北至阳明东路,最良江桥梁是连接江南片和江北片交通的一条主要交通通道。规划水域宽度约70 m,通航水位为1.32 m,通航等级为四级,桥型设计时应在满足交通功能前提下,以桥梁与城市、自然生态环境相互融合为原则,最终采用76 m+76 m两跨单索面部分斜拉桥结构,中央设置3.5 m宽拉索布置区,南侧跨桥梁总宽度为26.5 m,北侧跨桥梁总宽度为35.0 m,见图 1。
2 结构设计
主梁采用预应力混凝土箱梁,单箱五室斜腹板截面,箱梁中线处高度2.50 m,箱梁宽度为26.5 m,两侧悬臂均为2.05 m。箱梁顶板厚25cm,斜拉索锚固区加厚为50cm;边腹板厚50cm,中腹板厚45cm。标准横隔板每6.0 m布置一道,与斜拉索索距对应。最良江侧人行道板搁置在箱梁外挑悬臂梁上,悬臂梁设置间距同箱梁横隔板,标准厚度为45cm,采用预制拼装。箱梁江中一侧采用挂篮施工,每节段长6.0 m,标准段重量约为 377.0 t。
主塔采用钢壁结构,内灌补偿收缩混凝土。桥塔外轮廓采用椭圆形截面,承台以上塔高62.7 m,桥面以上塔高51.6 m。从梁面以上45 m范围内为塔柱主要受力结构,最上面7 m部分为塔尖部分,仅起造型作用。
塔柱共设9对斜拉索,采用双排索面扇形布置,塔上斜拉索位置均设置装饰球。斜拉索张拉端设在箱梁内,塔上斜拉索通过分丝管贯通,塔侧设置抗滑锚筒,抗滑锚在斜拉索张拉完后安装。
3 设计要点
1)为了减少多索面斜拉索的零乱感,本桥在35.0 m超宽的桥面上采用单索面结构,其宽跨比较大,荷载的横向分布与上部结构尺寸有关,其受力特点有别于普通窄桥,所以必须对其进行专门的荷载横向分布和稳定性分析,不能盲目地借鉴于普通窄桥的相关结论[3]。
2)本桥为了提高横向面外稳定性,采用了塔、梁、墩固结体系,边墩采用抗扭支座,上部结构采用了整体箱梁截面[4-6]。
3)由于斜拉索的张拉力将引起整个结构的内力重分布,包括索、梁分担荷载比以及箱梁结构的横、纵向荷载分布等,因此应作为重点设计参数。本桥斜拉索的张拉力除了考虑以线形偏差最小为目标及附带线形调整约束条件的线性优化方法来确定外[7],还受到桥塔内的索鞍尺寸的约束。
4)由于本桥结构特性介于部分斜拉桥和斜拉桥之间,因此采用了索梁活载比对该桥进行界定。
5)由于本桥两侧桥面宽度分别为26.5 m和35.0 m,导致两侧存在不平衡的自重荷载和二期荷载,通过26.5 m宽桥面侧压重以及两侧箱梁预应力的不对称设计来平衡两侧不对称的自重荷载和二期荷载,而通过成桥阶段二次调整斜拉索索力来调整成桥阶段的整体位移和线形。
6)由于本桥桥岸侧采用支架施工,江中一侧采用挂篮施工,导致施工期间两侧的恒载不平衡,施工期间需要根据实测的桥塔位移和调整下阶段的斜拉索索力来抵消由于索鞍处摩阻力较大产生的两侧不平衡索力的不利影响。
4 结构计算
本桥整桥计算采用平面计算模型,并采用梁格理论建立全桥空间结构模型进行验算,计算结果证明由于采用了相应的构造措施,采用平面计算模型的计算结果与空间计算模型的结构相差很小,可以满足实际工程设计需要。其中设计荷载计入自重、桥面系自重、预应力、收缩徐变、不均匀沉降等恒载及人群、汽车、风载和温度等活载;施工方法采用桥岸侧一侧支架、江中一侧挂篮的施工方法。经计算箱梁应力、刚度和强度均满足现行规范要求。
5 重要设计参数分析
由于本桥结构特性介于部分斜拉桥和斜拉桥之间,因此采用了索梁活载比对该桥进行部分斜拉桥的界定。索梁活载比即为活载作用下的索与梁的响应以比值的形式来表征,当二者的比值在0.5以下时,为典型的矮塔斜拉桥,大于0.5时为斜拉桥。
本桥的索梁活载比为1/3.82,判定本桥为部分斜拉桥,斜拉索的安全系数为2.0,计算结果详见表1。
表1 均布荷载作用下各拉索内力和支座反力汇总表
6 结语
1)为了满足景观要求,减少多索面斜拉索的零乱感,在超宽桥面上采用单索面部分斜拉桥结构,可以得到较好的经济和景观效益。2)在超宽的桥面上采用单索面结构,其宽跨比较大,荷载的横向分布与上部结构尺寸有关,其受力特点有别于普通窄桥,所以必须对其进行专门的荷载横向分布和稳定性分析,须采用空间结构模型对平面计算模型的计算结果进行验算,采取必要的构造措施提高横向面外稳定性。3)对于部分斜拉桥结构特性不明显的桥型,可以采用索梁活载比进行部分斜拉桥的界定。4)对于两侧存在不平衡的荷载的部分斜拉桥,应采用压重以及两侧预应力的不对称设计来平衡,斜拉索索力仅用来调整成桥阶段的整体位移和线形。5)部分斜拉桥的斜拉索采用骑跨式布置,会导致索鞍处摩阻力较大,应引起设计上的足够重视。6)人行道采用预制外挂式,可以有效降低人行过桥的高度,同时减小了挂篮施工期间的悬臂自重,降低了超宽桥面单索面部分斜拉桥施工期间的横向面外失稳风险。
[1] 燕 明.部分斜拉桥的概念与结构设计[J].交通科技与技术,2006(3):24-26.
[2] 陈从春,肖汝诚.用索梁活载比界定矮塔斜拉桥的方法[J].同济大学学报(自然科学版),2007(6):1-7.
[3] 胡 永.超宽桥面部分斜拉桥主梁线形控制分析[J].铁道工程学报,2007(9):14-19.
[4] 陈智仁.浑河上的新型桥梁[J].“SMEDI”2006《城市道桥与防洪》全国高峰论坛专辑,2006(4):37-38.
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[6] 丁仁军,陈 涛,谢志恒,等.株洲湘江四桥部分斜拉桥设计[J].公路与汽运,2008(6):8-15.
[7] 郑一峰,黄 侨,孙永明.部分斜拉桥合理成桥状态的研究[J].公路交通科技,2006(11):25-28.
