反拱形上承式懸索橋的設(shè)計研究

謝宏偉， 樊書文， 蒲黔輝

(西南交通大學(xué)橋梁工程系， 四川成都 610031)

反拱形上承式懸索橋的設(shè)計研究

謝宏偉， 樊書文， 蒲黔輝

(西南交通大學(xué)橋梁工程系， 四川成都 610031)

反拱形上承式懸索橋主要由橋面板、主梁、立柱和主索組成，這種新型橋梁結(jié)構(gòu)形式由于具有施工簡便、受力狀態(tài)在施工階段和運營階段一致、不需要索塔等優(yōu)點而受到關(guān)注。文章以四川萬源至達(dá)州高速公路某一段的地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，詳細(xì)說明了反拱形上承式懸索橋的設(shè)計過程和施工方案，并利用有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。相關(guān)結(jié)論可以為類似橋梁的研究和設(shè)計提供參考依據(jù)。

反拱形上承式懸索橋； 新型橋梁結(jié)構(gòu)形式； 有限元分析； 設(shè)計研究

反拱形上承式懸索橋是20世紀(jì)70年代國外出現(xiàn)的一種新型的公路橋梁結(jié)構(gòu)形式，其主索在橋面板以下成反拱形，兩者之間通過立柱進(jìn)行連接(圖1)[1]。

圖1 反拱形上承式懸索橋

林同炎先生于1972年在哥斯達(dá)黎加首創(chuàng)該類型橋梁，建成了跨徑為108 m的科羅拉多大橋。隨后，德國和日本等相繼修建該類橋梁[2]。國內(nèi)這方面起步稍晚，吳琦瑛先生于1989年在湖南洞口縣淘金村建成了一座跨徑為70 m的淘金大橋，是國內(nèi)該類橋梁結(jié)構(gòu)形式開始發(fā)展的標(biāo)志[3]。

1 反拱形上承式懸索橋特點

反拱形上承式懸索橋由于結(jié)構(gòu)特點和穩(wěn)定性要求，適用于跨徑不大的山區(qū)峽谷或水面落差較大、對通航要求不高的河流中。這類橋梁不需要索塔，能利用主索作為施工平臺，施工簡便。構(gòu)件內(nèi)力狀態(tài)在施工階段和運營階段保持一致，施工時的內(nèi)力始終不會超過成橋運營時的內(nèi)力，因而在施工過程中不需要任何的附加構(gòu)件和材料。國內(nèi)外部分已建反拱形上承式懸索橋如表1所示。

表1 部分已建反拱形上承式懸索橋

2 工程概況

本橋橋位上跨四川萬源至達(dá)州高速公路某一段處的沖溝，橋位處上溝心上覆漂石夾土，兩岸上覆低液限黏土，下伏粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖互層，落差最大為40 m左右，兩岸坡度均達(dá)43°左右。

汽車的荷載等級為公路一級；單向三車道，無行人荷載；鋪裝層采用4 cm的防水粘結(jié)層和6 cm的瀝青混凝土鋪裝層，防水粘結(jié)層(水泥砂漿)容重20 kN/m3，瀝青混凝土(細(xì)粒式)容重23.5 kN/m3；均勻溫升、溫降按20 ℃考慮；橫橋向假定風(fēng)荷載水平垂直作用于橋梁各部分迎風(fēng)面積的形心上，而對于上承式橋梁，可不計橋梁順橋向所受的風(fēng)荷載。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合地質(zhì)條件和已建同類橋梁的設(shè)計經(jīng)驗，本橋采用圖2所示的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，橋梁的主要構(gòu)件見圖3。

圖2 橋梁結(jié)構(gòu)立面(單位：m)

3.1 總體布置

結(jié)構(gòu)形式為自錨式反拱形上承式懸索橋，矢跨比1/13，計算跨徑130 m，設(shè)計寬度0.60 m防撞護(hù)欄+3.6 m凈橋面+3.6 m凈橋面+3.6 m+0.60 m防撞護(hù)欄，全寬12 m。

(a) 橋梁橫斷面

(b) 主梁橫斷面

(c) 錨碇橫梁側(cè)視圖3 橋梁的主要構(gòu)件(單位:mm)

3.2 橋面板

采用預(yù)制C40混凝土橋面板，受力鋼筋為HRB400鋼筋，單排布置，制作吊裝分節(jié)段進(jìn)行，板段之間現(xiàn)澆微膨脹混凝土。

3.3 主梁

采用Q345槽型鋼主梁，壁厚為50 mm，制作吊裝分節(jié)段進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)長為6.5 m，梁段之間用螺栓進(jìn)行連接。

3.4 主索

采用平行絲股主索，面積為0.070 7 m2，彈性模量為2.05×108kN/m2，泊松比0.3，容重為78.5 kN/m3。

3.5 立柱

采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)立柱，鋼管采用Q345鋼材，混凝土采用C40，外直徑為400 mm，壁厚為40 mm，立柱間距為6.5 m。

3.6 錨碇橫梁

采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，梁長12 m，預(yù)留傾角為15°的孔道以便主索安裝。傾角能保證主索在孔道中與錨固鋼板相互垂直，以此來減少主索對錨碇橫梁的受彎作用。

4 計算分析

4.1 計算模型

采用有限元分析軟件Midas Civil 2013對全橋進(jìn)行建模分析：主索采用160個只受拉單元來模擬；立柱與主梁均采用梁單元來模擬，共156個；橋面板采用120個板單元進(jìn)行模擬；全橋共用436個單元、402個節(jié)點進(jìn)行模擬；立柱與主索之間考慮為鉸接，橫橋向和豎向的彎曲自由度釋放；立柱與主梁之間考慮為固接；邊界條件：施工地錨階段，槽型鋼主梁的臨時支座用“一般支承”來模擬；成橋自錨階段，錨碇橫梁與主梁產(chǎn)生較大壓力，主梁的永久圓形板式橡膠支座采用“彈性支承”來模擬。有限元模型見圖4。

圖4 有限元模型

4.2 結(jié)果分析

在自重荷載、移動荷載、風(fēng)荷載以及溫度組合作用下，該橋的響應(yīng)如下：

4.2.1 豎向變形

豎向變形的最大值為0.058 m，撓跨比遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)范所規(guī)定的限值1/300，表明反拱形上承式懸索橋運營階段的豎向剛度能滿足要求。

4.2.2 主索

分別以立柱之間的主索段作為一個單元，每側(cè)主索沿縱橋向劃分20個單元。荷載組合應(yīng)力如圖5所示。

圖5 主索的荷載組合應(yīng)力

由圖5可知，主索應(yīng)力差較小，最大的應(yīng)力出現(xiàn)在接近兩端的位置，為455.62 MPa，滿足安全系數(shù)大于2.5的要求。

4.2.3 立柱

對于鋼管混凝土構(gòu)件，在計算成橋和運營階段的結(jié)構(gòu)承載能力時采用“統(tǒng)一理論”較合理[4]。計算結(jié)果表明，邊立柱的軸力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他立柱，最大軸力為397.52 kN。以邊立柱軸力控制設(shè)計，按照統(tǒng)一理論進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計，并驗算中間立柱的穩(wěn)定性。驗算結(jié)果表明：按照初步擬定的方案尺寸，邊立柱將不滿足承載能力要求。進(jìn)一步將邊立柱鋼管材料改為Q420，混凝土改為C80，重新驗算，能滿足要求。

4.2.4 自振特性

對結(jié)構(gòu)影響較大的幾個振型的振型圖以及頻率如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)自振振型

扭彎基頻比KR/V=HR/HV，是反映結(jié)構(gòu)體系對抗風(fēng)顫振敏感性的一個重要指標(biāo)，理論上要求KR/V>1.0。由表2可知，該橋扭彎基頻比為2.345，因此該設(shè)計方案具有較好的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能。

5 施工方案

本橋施工時先將主索臨時錨固于山谷兩邊巖體中，并對錨洞剪力和滑動穩(wěn)定進(jìn)行驗算，再利用主索由兩邊向中間對稱施工立柱、主梁和橋面系等。為了滿足在施工階段由于主索直接裸露造成的穩(wěn)定性問題，采用了與主索以上結(jié)構(gòu)等重的混凝土板對主索進(jìn)行壓重。這些混凝土板與主索一起形成懸?guī)б员ＷC施工階段主索的穩(wěn)定性，這種方式的有效性已經(jīng)在淘金大橋中得到了驗證。橋梁的施工步驟如圖6所示。

圖6 施工步驟示意

體系轉(zhuǎn)換方式為：錨碇橫梁和巖體臨時錨碇之間采用接長索連接，將主索和接長索分別錨固于錨碇橫梁上，維持錨碇橫梁在施工階段的穩(wěn)定性。體系轉(zhuǎn)換時去除接長索即可，簡單易行。

6 結(jié)論

本文通過對一種新型橋梁結(jié)構(gòu)形式反拱形上承式懸索橋特點的說明，在國內(nèi)外已建同類橋梁的設(shè)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，以四川萬源至達(dá)州高速公路某一段的地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，闡述了反拱形上承式懸索橋設(shè)計過程以及施工方案，并利用有限元軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計算，得出以下結(jié)論：

(1)反拱形上承式懸索橋結(jié)構(gòu)形式新穎，施工簡便，受力明確合理，在中小跨徑山區(qū)橋梁中具有較強的競爭性。

(2)反拱形上承式懸索橋矢跨比通常在1/9～1/20之間，立柱間距在4～10 m之間。在主索和立柱的兩邊受力較為集中，除了以邊立柱的受力來控制截面設(shè)計外，還需驗算中間立柱的穩(wěn)定性。

(3)自錨式橋梁能為主梁提供預(yù)應(yīng)力，在巖盤外露的峽谷或臨時錨固費用低的場合，建議采用自錨式。

(4)反拱形上承式懸索橋扭彎基頻比能滿足要求，具有較好的抗風(fēng)性能。

(5)計算結(jié)果驗證了本橋設(shè)計方案的可行性，是符合當(dāng)?shù)厝宋木坝^的較好方案。

[1] 樓莊鴻,劉陌生.上承式懸索橋[C]//中國公路學(xué)會橋梁和結(jié)構(gòu)工程學(xué)會. 2003年全國橋梁學(xué)術(shù)會議論文集. 成都:2003.

[2] 樓莊鴻,丁明杰.德國Ingolstadt市Glacis橋的設(shè)計與施工[J].中外公路,2003,23(3):23-25.

[3] 吳琦瑛.自錨上承式懸?guī)虻脑O(shè)計與施工[J].橋梁建設(shè),1989(4):21-29.

[4] 顧安邦,向中富.橋梁工程(下冊)[M].北京:人民交通出版社,2012.

U448.25

A

[定稿日期]2017-05-23

謝宏偉(1994～)，男，在讀碩士生，研究方向為新型預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)體系與計算理論； 樊書文(1992～)，女，在讀碩士生，研究方向為新型預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)體系與計算理論； 蒲黔輝(1965～)，男，工學(xué)博士，教授，研究方向為新型預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)體系與計算理論。