南京市跨秦淮河自錨式懸索橋設(shè)計

黃東初

(南京市市政設(shè)計研究院有限責任公司，江蘇南京 210018)

南京市跨秦淮河自錨式懸索橋設(shè)計

黃東初

(南京市市政設(shè)計研究院有限責任公司，江蘇南京 210018)

南京市小龍灣跨秦淮河大橋主橋采用跨徑(44+96+44)m的三跨自錨式懸索橋，雙塔雙索面布置，主塔采用燈塔造型，跨中主纜矢跨比為1/5.5，主纜錨固在加勁梁梁端，加勁梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。主塔與加勁梁采用分離的形式，橋梁縱向采用半漂浮式結(jié)構(gòu)，設(shè)計構(gòu)思獨特。以該橋為工程背景，介紹這類橋梁設(shè)計構(gòu)思，通過有限元計算分析受力特性，并對此類橋型的發(fā)展、應(yīng)用前景進行分析。

小龍灣;自錨式懸索橋;有限元分析;加勁梁;半漂浮;施工技術(shù)要點

1 工程概述

南京市江寧區(qū)小龍灣路為東山新市區(qū)楊家圩小龍灣地區(qū)規(guī)劃的一條主干路，西端與現(xiàn)狀西門子路對接，將秦淮河兩岸實現(xiàn)溝通。該工程主橋所處位置河道上口寬約150 m，常水位標高為7.50 m，秦淮河遠期按Ⅳ級航道要求進行規(guī)劃。小龍灣路南側(cè)為高層建筑群，該橋采用建筑高度較小的自錨式懸索橋，既可形成自己獨特的橋梁造型，又可降低橋上建筑對高層建筑的景觀影響，見圖1。

圖1 成橋圖片

主橋采用三跨雙塔雙索面的自錨式懸索橋，引橋采用30 m跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。主橋跨中設(shè)置變坡點，跨中兩側(cè)設(shè)置2.82%的對稱坡，豎曲線半徑為R=1 350 m;跨中橋面設(shè)計高程為19.424 m。設(shè)計荷載采用公路- I級;人群荷載按3.5 kN/m2。

工程范圍西起莊排路，東至規(guī)劃的潭園路，全長1064.22 m，其中主橋長184 m，引橋長270 m，引道長174 m，其余為現(xiàn)狀道路加寬改造及部分新建道路段。

2 工程設(shè)計

2.1 總體布置

主橋采用三跨自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)，雙塔雙索面布置，跨徑組合為44 m+96 m+44 m=184 m。主塔采用燈塔造型，主纜成橋線形采用二次拋物線，跨中主纜矢跨比為1/5.5， 主纜錨固于加勁梁梁端，加勁梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，主纜橫橋向中心距18 m。加勁梁采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，梁高1.74～2.0 m。吊索標準間距為5 m，箱梁每5 m設(shè)置一橫梁與吊索對應(yīng)。主塔基礎(chǔ)采用直徑為1.5 m的鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)，橋面寬34.5 m。具體見圖2及圖3。

圖2 主橋總體布置圖(單位:m)

2.2 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

主纜共2根，采用對稱布置，成橋狀態(tài)下主跨跨度96 m，矢跨比為1/5.5，邊跨矢跨比為1/14.8，兩主纜纜心橫向間距為18 m;設(shè)計采用每根主纜由37股預(yù)制平行(PPWS)鋼絲成品索組成，每股成品索由91絲φ5.1 mm的鋼絲組成，標準強度fpk=1 670 MPa。其在索夾內(nèi)直徑為326.8 mm(空隙率18%)，索夾外直徑為330.9 mm(空隙率20%)。

主塔采用雙柱加系梁的框架結(jié)構(gòu)體系，塔頂索鞍下緣及塔底加勁梁下緣各設(shè)置一橫梁，下橫梁上設(shè)置支座，承擔部分豎向荷載。主塔結(jié)構(gòu)總高35.4 m，其中橋面以上結(jié)構(gòu)高22.6 m，為C40鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);塔身為變截面布置，標準截面尺寸為1.8 m×2.8 m(橫橋向×順橋向)，并設(shè)置20 cm×20 cm的倒角，橋面以上至上橫梁頂以下段塔體兩面設(shè)置10 cm的凹槽，槽寬50 cm;塔底截面尺寸為3.0 m× 4.0 m(橫橋向×順橋向)，倒角為55 cm。

吊索共33對66根，兩邊跨各7對，主跨19對，吊索標準間距5 m，主塔兩側(cè)吊索距塔軸線3 m。吊索采用單根109絲φ7.1 mm高強鍍鋅鋼絲組成的成品鋼絲索(帶PE護套)，冷鑄錨錨固體系。吊索與索夾采用耳板銷接，下端與梁體用冷鑄錨錨固于橫梁底部，張拉端設(shè)在箱梁底部。

索夾采用兩個鑄鋼半圓構(gòu)件組成，采用高強螺栓對接(上下對接)，全橋共有33對索夾，索夾及附件的防腐措施采用噴涂防腐油漆，油漆分多道噴涂。

主索鞍由鞍體、索鞍底座上平板及蓋板等組成，全橋共4個。鞍體采用ZG275-485H鑄鋼整體鑄造，底部設(shè)6 mm不銹鋼板。底座上平板為Q345C鋼板，上鋪四氟乙烯板，以保證鞍體在施工階段可縱向移動。

散索套固定于主橋加勁梁內(nèi)，為適應(yīng)主纜軸向位移，散索套體與壓板、底座之間設(shè)3 mm四氯滑板。散索套體為全鑄鋼件，采用上下對合結(jié)構(gòu)，由等直徑的摩阻段和變直徑的散索段組成，上下兩半散索套體用高強螺桿連接緊固。

主纜錨頭: 索股兩端設(shè)索股錨頭，索股錨頭采用熱鑄錨，在錨杯內(nèi)澆注鋅銅合金，使主纜鋼絲與錨杯相連。主纜經(jīng)散索套后，呈輻射形散開，每根主纜分成37股，分別錨固在主梁錨塊上。

吊索錨頭:吊索上下錨頭均采用冷鑄錨。上錨頭由錨杯與叉形耳板銷軸連接，錨杯內(nèi)澆鑄環(huán)氧砂漿，下錨頭通過錨墊板直接錨固于主梁上，這種連接簡化了主梁吊點設(shè)計，允許吊索有±20 cm的長度調(diào)節(jié)以消除施工誤差影響。

加勁梁為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，除邊跨端錨段采用變高度截面外，其余均為縱向等高度截面。箱梁截面為兩個單箱三室的箱梁，兩個箱梁通過內(nèi)側(cè)懸臂及橫梁連接為一整體。箱梁標準梁高為1.74～2.0 m;主纜錨固區(qū)的端錨段高4.5～4.67 m，主要用作主纜錨固及平衡壓重用。

3 結(jié)構(gòu)計算

3.1 計算分析

采用有限單元法建立全橋分析模型，分別計算各種作用對各主要構(gòu)件產(chǎn)生的效應(yīng)，參照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D62-2004)和《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2004)進行作用效應(yīng)組合，根據(jù)組合值進行構(gòu)件截面驗算和配筋計算。有限元軟件采用MIDAS/Civil。

全橋計算模型考慮吊桿與加勁梁剛性連接，見圖4及圖5。

圖4 MIDAS全橋模型

圖5 全橋計算模型

3.2 主要計算結(jié)果

3.2.1 主纜計算結(jié)果

在運營階段主要荷載工況組合下，主纜最高應(yīng)力為637.9 MPa，滿足規(guī)范規(guī)定安全系數(shù)為2.5 的要求;吊索最高應(yīng)力為709 MPa，安全系數(shù)為3.1 (規(guī)范規(guī)定值3.0)，滿足要求。計算結(jié)果見圖6。

圖6 主纜內(nèi)力(單位:kN)

3.2.2 吊桿計算結(jié)果

吊索張拉過程非線性分析表明，在張拉全過程中吊索內(nèi)力變化幅度較大，部分吊索一次張拉應(yīng)力高于施工控制應(yīng)力，需要分步張拉，吊索的詳細張拉方案有待進一步研究優(yōu)化。計算結(jié)果見圖7和表1。

圖7 吊索內(nèi)力(單位:kN)

表1 成橋吊索張拉力計算表(單位:kN)

3.2.3 加勁梁計算結(jié)果

(1)梁單元整體分析結(jié)果表明，主梁縱向預(yù)應(yīng)力配置基本合理，在運營階段混凝土梁受力良好，除端跨錨固段外，主梁處于全截面受壓狀態(tài)，上翼緣最大壓應(yīng)力13.0 MPa，下緣最大壓應(yīng)力為11.1 MPa。計算結(jié)果見圖8-11。

圖8 加勁梁軸力(單位:kN)

圖9 加勁梁彎矩(單位:kN·m )

圖10 加勁梁頂板應(yīng)力(單位:MPa)

圖11 加勁梁底板應(yīng)力(單位:MPa)

(2)在最不利荷載組合下主梁最大變形發(fā)生在主跨跨中，向下豎向變形值為78 mm，如圖12滿足《公路懸索橋設(shè)計規(guī)范》(報批稿)[1]的規(guī)定為320 mm(L/300， L 為跨度96 m)。

圖12 主梁變形(單位:mm)

(3)各種荷載作用和組合下，加勁梁端的最大縱向伸縮量為-11 mm～51 mm。

4 施工技術(shù)要點

主纜錨固于加勁梁兩端后，吊索未與加勁梁連接前為空纜線形，主纜的空纜線形與成橋線形有較大差異，空纜狀態(tài)下的吊索端部距離加勁梁上的錨座有較大的距離，為此需要采用張拉吊索使得錨頭就位的安裝方法。吊索與加勁梁連接的過程是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換過程，在這過程中，結(jié)構(gòu)受力模型、體系內(nèi)力和變形都不斷的發(fā)生變化，其中比較明顯的有:

(1)主纜從低應(yīng)力狀態(tài)過渡到高應(yīng)力狀態(tài)。

(2)吊索逐根的由零應(yīng)力過渡到設(shè)計應(yīng)力狀態(tài)。

(3)加勁梁受力體系由滿堂支架過渡到彈性支撐多跨連續(xù)梁，線形發(fā)生多次變化;加勁梁的受力狀態(tài)也隨著變化。

5 評價與應(yīng)用前景

小龍灣跨秦淮河自錨式懸索橋的設(shè)計與施工、成橋運營實踐表明，自錨式懸索橋主要優(yōu)點:

(1)自錨式結(jié)構(gòu)體系和地錨式結(jié)構(gòu)體系相比不受地質(zhì)條件影響，不需要強大的主纜錨錠而降低了工程造價。與同等跨徑的其他橋型比較，橋型美觀，能較好的與城市及周圍環(huán)境協(xié)調(diào)一致[2]。

(2)自錨式懸索橋的活載彎矩主要由加勁梁承擔，在活載的作用下的受力性能與連續(xù)梁橋相似，所以它的結(jié)構(gòu)剛度大，變形小，使用性能好。

(3)加勁梁受到的軸向壓力大，混凝土抗壓性能好，采用鋼筋混凝土加勁梁滿足結(jié)構(gòu)受力要求，且造價低，經(jīng)濟性較好。

(4)主纜及吊桿的應(yīng)力幅度小，對主纜及吊桿的抗疲勞性好，主纜與吊桿的安全系數(shù)可以適當降低，從而可以使得材料得到充分利用[3]。

(5)鋼筋混凝土加勁梁的自錨式懸索橋的彈性穩(wěn)定系數(shù)，有足夠的安全系數(shù)。

(6)由于自錨式懸索橋由主梁的受彎、受壓，主纜受拉承受荷載，受力比連續(xù)梁更合理，同時又不需要強大的地錨，跨度70～300 m的橋梁，自錨式懸索橋具有較大的競爭優(yōu)勢[3]。

(7)小龍灣路南側(cè)為高層建筑群，該橋采用建筑高度較小的自錨式懸索橋，既可形成自己獨特的橋梁造型，又可降低橋上建筑對高層建筑的景觀影響。

主要缺點:自錨式懸索橋施工時，由于主纜錨固在加勁梁上，在架設(shè)主纜之前，需架設(shè)主梁，這種和傳統(tǒng)上的懸索橋剛好相反，在一定程度上限制了此橋型的推廣。

6 結(jié)語

小龍灣自錨式懸索橋，其造型剛?cè)岵?，形態(tài)優(yōu)美，又處于城市繁華地段，同時跨越秦淮河，能充分達到自然景觀與人文景觀交融的效果，為都市增添一道靚麗的風景。

[1] 公路懸索橋設(shè)計規(guī)范(報批稿)[S].

[2] 鄭江敏.鋼筋混凝土自錨式懸索橋的設(shè)計與施工.市政技術(shù). 2006(5):160-162.

[3] 張元凱，肖汝誠，金成棣.自錨式懸索橋的設(shè)計.橋梁建設(shè)，2002 (5):30-32.

U448.25

B

1009-7716(2015)11-0079-03

2015-07-06

黃東初(1982-)，男，江西撫州人，工程師，從事橋梁工程設(shè)計工作。