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      欽州市子材大橋主橋總體設(shè)計(jì)

      2015-11-30 07:17:46丁興國
      城市道橋與防洪 2015年11期
      關(guān)鍵詞:錨式主纜主塔

      丁興國,萬 鵬,馬 骉

      (上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海市200092)

      欽州市子材大橋主橋總體設(shè)計(jì)

      丁興國,萬 鵬,馬 骉

      (上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海市200092)

      子材大橋是欽州市跨越欽江的一座特大橋,橋梁全長488 m。主橋?yàn)槿珉p塔自錨式懸索橋,跨徑布置為65 m+158 m+ 65 m,主梁全寬35.5 m。現(xiàn)先介紹該橋的建設(shè)條件及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),接著從主梁、主塔、纜索系統(tǒng)和索鞍與索夾等方面著重介紹了橋梁的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。其分離式箱梁截面、無上橫梁主塔,以及配套合理的構(gòu)件保證了大橋設(shè)計(jì)理念的實(shí)現(xiàn)。

      自錨式懸索橋;混凝土主梁; 橋式布置; 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      1 工程概述

      21世紀(jì)以來,得益于對景觀與橋梁文化的追求,國內(nèi)外自錨式懸索橋快速發(fā)展,許多城市選用這種橋型作為景觀標(biāo)志[1][2][3]。子材大橋位于欽州市的子材大街上,是連接城西和江東的關(guān)鍵樞紐。從道路規(guī)劃要求和工程所處的地理環(huán)境來看,工程建設(shè)呼應(yīng)了中心城區(qū)未來發(fā)展需求,并在一定程度上起到傳承、弘揚(yáng)馮子材的民族精神。目前欽江已建橋梁有連續(xù)梁、拱橋和剛構(gòu)橋。為盡可能地避免雷同感,且充分體現(xiàn)欽州的現(xiàn)代風(fēng)貌與文化歷史相融合的特征,子材大橋選用了穩(wěn)重的、具有現(xiàn)代與古典韻味的自錨式懸索橋。

      子材大橋工程中的橋梁長約488.44 m,兩側(cè)接線引道長約431.56 m。雙向6車道規(guī)模,含非機(jī)動車道(近期)和人行道,接線道路與橋梁同寬。主橋跨徑組合為65 m+158 m+65 m,橋?qū)?5.5 m。工程造價近2億元。子材大橋于2011年11月通車,如飛跨欽江的一道彩虹,是目前廣西最大跨度的混凝土自錨式懸索橋。

      2 建設(shè)條件及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

      2.1 水文與地質(zhì)條件

      欽州市屬亞熱帶海洋季風(fēng)氣候,多年平均氣溫22.6℃,極端最低氣溫為-1.8℃,6至8月份極端最高氣溫為37.5℃,年平均降雨量1 869 mm,最大年降雨量為2 211 mm,雨季主要集中在5~9月,約占全年降雨量的80%,最大日降雨量559 mm,多年平均最大風(fēng)速18.97 m/s,臺風(fēng)最大為12級。臺風(fēng)暴雨為該區(qū)主要的自然災(zāi)害。設(shè)計(jì)基本風(fēng)速32.03 m/s。

      該工程屬欽江流域,水量豐富,欽州市河段河道較寬,年均徑流量64.37 m3/s,年徑流深900 mm,流量年內(nèi)變頻較大,汛期(4~9月)流量占全年流量的83%。洪水最大水位變幅約為4.5m,欽州10 a一遇的設(shè)計(jì)洪水位為6.92 m。百年一遇的設(shè)計(jì)洪水位為9.15 m。

      橋位地處欽江河谷階地地貌區(qū),地形較平坦。上覆主要為欽江沖積層,巖性為粘性土、砂層、礫砂層。下覆為侏羅系上統(tǒng)粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。

      2.2 通航條件

      橋址處于河道轉(zhuǎn)彎處,河谷成“V”字型,寬約130 m,河床底標(biāo)高-4.0 m~-4.46 m,河流自北向南流。欽州市內(nèi)欽江現(xiàn)狀河段通航能力較低,隨著欽州港進(jìn)一步發(fā)展,發(fā)揮欽江的水運(yùn)功能,滿足規(guī)劃為III級航道標(biāo)準(zhǔn)要求,需對河道進(jìn)行整治。橋位雙向通航孔凈寬不小于130 m、凈高不小于10.0 m。最高通航水位為10 a一遇設(shè)計(jì)洪水位6.92 m (黃海高程)。

      2.3 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

      (1)道路等級:城市I級主干路。

      (2)設(shè)計(jì)車速:50 km/h。

      (3)荷載等級:城-A級,并按公路-I級進(jìn)行驗(yàn)算。

      (4)抗震要求:抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度,設(shè)計(jì)地震基本加速度為0.05 g,特征周期為0.35 s。

      (5)設(shè)計(jì)基本風(fēng)速:百年一遇為32.03 m/s。

      (6)環(huán)境類別:I級。

      (7)防撞等級:機(jī)動車道防撞護(hù)欄為SB級。

      (8)船只撞擊力:按1 000 t級船只計(jì)。

      (9)橫斷面:3.0 m(人行道)+2.25 m(設(shè)施帶)+3.5 m(非機(jī)動車道)+ 8.5 m(機(jī)動車道)+1.0 m (中央分隔帶) + 8.5 m(機(jī)動車道) +3.5 m(非機(jī)動車道) +2.25 m(設(shè)施帶)+3.0 m(人行道)=35.5 m。

      (10)縱坡:該工程縱斷面線形均達(dá)到和滿足城市主干道設(shè)計(jì)速度50 km/h縱斷面線形標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下,橋梁最大縱坡度:4.40%,豎曲線半徑為1 500 m。

      3 主橋設(shè)計(jì)

      3.1 結(jié)構(gòu)支承體系

      子材大橋?yàn)閮伤藻^式懸索橋,且下塔柱長度較小(約7 m左右),塔梁固接會引起較大的溫度力,對下塔柱受力不利。塔全高約42 m左右,塔梁分離體系在縱向力作用下不會引起較大的塔身彎矩及結(jié)構(gòu)位移。因此,該橋采用塔梁分離、三跨連續(xù)半漂浮結(jié)構(gòu)體系(見圖1)。

      圖1 主橋總體布置圖(單位:mm)

      在主塔橫梁和邊墩頂設(shè)置可縱向滑動的GPZ (Ⅱ)支座,以及橫向限位裝置,以共同承受橫橋向風(fēng)力作用。

      3.2 主梁設(shè)計(jì)

      根據(jù)不同的建設(shè)條件、橋型方案,以及造價與維護(hù)等因素,自錨懸索橋主梁主要有混凝土梁、鋼箱梁、疊合梁及鋼桁架梁等不同的結(jié)構(gòu)型式[4][5][6]。在150 m主跨范圍,國內(nèi)較多采用混凝土自錨式懸索橋。

      子材大橋主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土雙主箱梁斷面,吊桿中心位置的梁高2.23 m,跨中梁高2.34 m。單肢箱梁梁體寬分別為中跨和邊跨標(biāo)準(zhǔn)單箱單室5.0 m、主塔處的單箱雙室9.2 m,外挑臂長1.25 m (見圖2)。標(biāo)準(zhǔn)段頂、底板厚度均為35 cm,腹板寬度均為80 cm。橫梁間距6 m,標(biāo)準(zhǔn)中橫梁腹板厚20 cm,下設(shè)50 cm寬的馬蹄,伸入箱體內(nèi)的厚度60 cm。標(biāo)準(zhǔn)橋面板厚度22 cm,為改善其局部受力,設(shè)置間距3 m的小縱梁。在橋塔附近部位,采用雙箱雙室斷面,保證傳力順暢。尾部端橫梁在主纜中心處的梁高為5.0 m,橫向跨中梁高3.5 m,橫截面箱形斷面。在主纜錨固區(qū)布置豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋。主梁采用C50混凝土,縱向預(yù)應(yīng)力、橫梁預(yù)應(yīng)力及橋面板預(yù)應(yīng)力束均采用φS15.24高強(qiáng)低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

      圖2 主梁橫斷面圖(單位:mm)

      3.3 主塔設(shè)計(jì)

      作為懸索橋主要構(gòu)成元素且在力學(xué)上起著重要作用的橋塔,其高聳的形象引人注目,起著象征和標(biāo)志的作用,是全橋景觀中最重要的因素。同時,主塔方案設(shè)計(jì)在滿足結(jié)構(gòu)受力要求的前提下,還要兼顧造價和施工等因素。

      子材大橋橋面以上主塔高30.9 m,考慮到橫向荷載不是主要控制荷載,因此采用無上橫梁的柱式形式,塔柱凈高與凈寬比例比較合適,符合常規(guī)的審美習(xí)慣,給人挺拔的美感,景觀效果最佳(見圖3)。主梁下方設(shè)橫梁,其斷面尺寸為3.0 m× 2.0 m。塔柱橫橋向保持2.8 m寬度不變,順橋向尺寸自鞍座平臺以下4.5 m范圍為5.77 m~4.5 m以圓曲線形式漸變,主墩承臺頂以上7.2 m范圍為4.5 m~6.0 m以直線形式漸變。塔柱采用實(shí)心矩形斷面,橫向間距28.3 m。主塔在橋面下設(shè)置橫梁,橫梁內(nèi)布置預(yù)應(yīng)力鋼束。

      圖3 主塔橫斷面圖(單位:mm)

      3.4 纜吊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      纜吊系統(tǒng)包括主纜、吊索、索夾、主鞍座、主纜索套、散索套和錨固區(qū)等幾個組成部分。

      主纜線形為分段懸鏈線,中跨理論跨徑158 m,矢跨比1/6。邊跨理論跨徑56.5 m。每根主纜由37個索股組成正六邊形,每股含127Φ5.3 mm鍍鋅高強(qiáng)鋼絲,緊纜后主纜為圓形。在梁端錨固處,主纜經(jīng)散索套發(fā)散成37個索股,錨固在主梁尾部端橫梁上,錨固中心距600 mm。主纜采用熱鑄錨。

      中跨共設(shè)25對吊索,邊跨每邊共設(shè)7對吊索和1對吊桿,順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距6 m。每個吊點(diǎn)布置單根吊索。吊索上端與主纜采用銷鉸式連接,下端與主梁采用承壓方式連接,張拉端位于主梁底部。

      主索鞍鞍體為全鑄式結(jié)構(gòu),材料為ZG310-570。鞍頭上采用M48螺桿,螺桿材料采用40 CrNiMoA,將索股全部就位。調(diào)股后,在頂部用鋅塊填平,并用螺栓夾緊鞍槽側(cè)壁。

      索塔頂設(shè)預(yù)埋底板,為適應(yīng)施工中的縱向相對移動,在鞍體下設(shè)不銹鋼板-聚四氟乙烯板滑動副。索鞍在主塔頂安裝就位時應(yīng)向邊跨側(cè)預(yù)偏,施工時分次頂推,以釋放中跨側(cè)與邊跨側(cè)主纜不平衡水平力。索鞍底部與預(yù)埋格柵通過Φ68錨栓和預(yù)埋鋼筋固結(jié)。格柵邊跨側(cè)設(shè)置反力架,頂推索鞍就位后,割除反力架。

      為主纜束股錨固的需要,主纜在散索套處轉(zhuǎn)折2.2°。散索套由兩部分組成:鞍體和底座,鞍體相當(dāng)于半徑漸變的索夾,上下對合結(jié)構(gòu),底座則通過Φ68錨栓固定在混凝土主梁上。鞍體在主纜入口略呈喇叭狀以適應(yīng)主纜在施工過程中的轉(zhuǎn)角變化。

      散索套為鑄焊結(jié)合結(jié)構(gòu),鞍體采用ZG310-570鑄鋼,底座加勁鋼板采用焊接鋼板。緊固件采用M48高強(qiáng)度螺栓,螺桿采用40 CrNiMoA。

      3.5 基礎(chǔ)

      根據(jù)推薦的樁基持力層的物理力學(xué)特性和擬建主墩所處的河床位置,結(jié)合主橋結(jié)構(gòu)體系、主墩受力情況和控制基礎(chǔ)施工規(guī)模等因素考慮,主墩基礎(chǔ)采用7φ2000鉆孔樁,持力層為微風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖。分離式圓形承臺直徑15 m,厚度4.0 m。邊墩基礎(chǔ)采用φ1200鉆孔灌注樁樁。

      4 結(jié)語

      自錨式懸索橋的各個設(shè)計(jì)參數(shù)相互影響,應(yīng)綜合考慮。子材大橋?qū)挾却螅爿d重,景觀要求高等特點(diǎn),決定了其獨(dú)特的參數(shù)體系。分離式雙箱主梁斷面能較好地滿足結(jié)構(gòu)受力,纜吊系統(tǒng)設(shè)計(jì)、景觀,以及施工等諸多方面要求。子材大橋經(jīng)過兩年多的運(yùn)營, 各項(xiàng)性能良好,已經(jīng)成為欽州的重要景觀大橋之一,與“八大場館”相映生輝。

      [1] John A. Ochsendorf, David P. Billington. Self-Anchored Suspension Bridges[J]. Journal of Bridge Engineering,1999,(4):151-155.

      [2] 張哲,竇鵬,石磊,等.自錨式懸索橋的發(fā)展綜述[J]. 世界橋梁,2003,(1) :5-9.

      [3] 顏娟.自錨式懸索橋[J].國外橋梁,2002,(1).

      [4] 郭文復(fù),李小剛.預(yù)應(yīng)力混凝土自錨式懸索橋(鏡湖大橋)設(shè)計(jì)簡介[J].公路,2007,(6):22-25.

      [5] 徐召.桃花峪黃河大橋主橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].公路交通科技,2014,(4):227-230.

      [6] 彭俊.哈爾濱市陽明灘大橋主橋總體設(shè)計(jì) [J].中國市政工程. 2012,(3):15-17.

      U448.25、U442.5

      B

      1009-7716(2015)11-0082-03

      2015-04-10

      丁興國(1965-),男,上海人,高級工程師,從事橋梁工程設(shè)計(jì)工作。

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