跨海自錨式懸索橋的設(shè)計思路探究

劉鵬飛

摘要：本文結(jié)合工程實(shí)例和現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)，從橋塔基礎(chǔ)，塔柱設(shè)計、橋塔上、下橫梁設(shè)計、混凝土加勁梁設(shè)計、纜索系統(tǒng)設(shè)計、抗風(fēng)設(shè)計多個方面論述了跨海自錨式懸索橋的設(shè)計思路，得出先進(jìn)、科學(xué)的設(shè)計思路是提升跨海自錨式懸索橋施工質(zhì)量和設(shè)計方案可行性關(guān)鍵的結(jié)論，希望對相關(guān)單位有一定幫助。

關(guān)鍵詞：跨海自錨式懸索橋；設(shè)計思路；纜索系統(tǒng)；抗風(fēng)設(shè)計

1.案例分析

某跨海自錨式懸索橋，總長度為1456.678m，道路長78.68m，橋梁全長1377.998m。由主橋、北因橋、南引橋三個結(jié)構(gòu)共同組成，其中主橋采用混凝土獨(dú)塔自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)，橋跨布置為：北邊跨設(shè)置成牛腿結(jié)構(gòu)+混凝土加勁梁副跨+混凝土加勁梁主跨+主跨協(xié)作跨+南邊跨牛腿，主橋全長330.3m；引橋采用整體式設(shè)計，主要采用多跨40m等梁高簡支轉(zhuǎn)連續(xù)小箱梁和標(biāo)準(zhǔn)20m空心板結(jié)構(gòu)。其中主橋橋型示意圖如圖1所示：

2.跨海自錨式懸索橋的設(shè)計思路

2.1橋塔基礎(chǔ)設(shè)計

本工程承臺總長度為24.65m、寬度為14.48m、高度為8.6m，為提升橋臺的穩(wěn)定性和質(zhì)量，在中間加設(shè)了聯(lián)系梁，其高度為4.0m，寬度為6.2?；A(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑為2.5m，每個鉆孔灌注樁之間的距離為6.25m。單樁樁頂豎向力的設(shè)計值不能低于23500kN，在橋承臺的下方布置了12根樁，通過超聲波進(jìn)行檢測，并在樁基內(nèi)部統(tǒng)一設(shè)置4根外徑為57mm，壁厚為3.5mm的鋼管，呈四邊形布置在樁身四周。

2.2塔柱設(shè)計

案例工程，橋塔上下塔柱均采用普通鋼筋混凝土，總高度為99 548m，其中主體高度82.43m，塔頂鞍罩的高度17.118m。塔柱截面輪廓通過“菩提葉”的形狀進(jìn)行設(shè)計，下塔柱橫橋厚度從原來的2.45m，降低到1.8m，內(nèi)壁的厚度則從1.68m下降到1.25m。在設(shè)計設(shè)計中，為最限度上提升整個橋梁工程的施工質(zhì)量和整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，設(shè)置了一道厚度為50em的水平隔板，有效滿足了該工程施工建設(shè)中，對塔柱的實(shí)際需求。在隔板預(yù)留出1.2mx0.8m的過人孔，確保各項(xiàng)施工能順利開展。

2.3橋塔上下橫梁設(shè)計

該跨海自錨式懸索橋的上部橫梁的高度為10.07m，頂板厚度為2.0m，底板厚度為1.8m，兩側(cè)腹板的厚度為1.0m，并在橫梁中設(shè)置相應(yīng)的橫隔板，厚度為1.6m。在進(jìn)行上橫梁澆筑時，要適當(dāng)做抬高處理，臺高量控制為33mm，則上橫梁的澆筑高度為83.303m。

下橫梁為A類預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，在具體設(shè)計過程中，為最大限度上增加增加預(yù)應(yīng)力對下橫梁的自身效應(yīng)，需要分5個節(jié)段進(jìn)行澆筑，并設(shè)置兩個合攏段。下橫梁支點(diǎn)處梁高5.0m，跨中處梁高3.5m。

2.4混凝土加勁梁設(shè)計

為確保自錨式懸索橋整體結(jié)構(gòu)性能的穩(wěn)定性，在進(jìn)行加勁梁設(shè)計時，要采用分節(jié)段設(shè)計的方法。包括：標(biāo)準(zhǔn)段、北側(cè)主纜錨固塊、南側(cè)主纜錨固塊等。其中標(biāo)準(zhǔn)段采用單箱三室魚腹式設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計高度為2.5m，懸臂的長度2.846m。吊點(diǎn)處橫隔板厚度為40cm，吊點(diǎn)處橫隔縱向間距為6.0m。加勁梁A合攏段和B合攏段均采用單箱三室魚腹式斷面形式進(jìn)行設(shè)計，其中A合攏段梁高為2.5m，頂板寬度為25.5m，底板寬度為20.10m，厚度均為25cm。B合攏段和A合攏段設(shè)計參數(shù)相同。加勁梁北側(cè)主纜錨固塊采用單箱三室斷面形式，總長為28.5m，梁寬由25.5m變化至30m，梁高由2.5m變化至6.5m。加勁梁南側(cè)主纜錨固塊采用單箱五室斷面形式，總長為68.5m，梁寬由25.5m變化至26.8m，梁高由2.5m變化至6.7m。根據(jù)南京水利科學(xué)研究院《橋位水域波浪潮流數(shù)學(xué)模型計算及岸灘穩(wěn)定性分析》提供的基本資料并按照《海港水文規(guī)范》（JTJ 213-2000）的規(guī)定按直墻式建筑物近似計算，單位長度上的總波浪力為：

此公式中：式中：P表示單位長度上的總波浪力（kN/m）；H表示靜水面以上波壓力強(qiáng)度為零時的高度（m）；L表示波長（m），按下式計算：

此公式中g(shù)表示重力加速度（m/s2）；d表示水深（m）；T表示平均周期（s）；T表示水的重度（kN/m3）；d表示靜水面到河床頂面的高度（m）；d1表示靜水面到基床頂面的高度（m）。

2.5纜索系統(tǒng)設(shè)計

2.5.1纜索系統(tǒng)總體布置

該橋梁主纜由3跨共同組成，包括：副跨、主跨、主跨錨跨。在具體設(shè)計過程中，要根據(jù)橋梁周期的地形條件以及自錨式懸索橋的總體結(jié)構(gòu)特性，選擇合理的跨徑。就案例工程而言，副跨理論跨徑為102.5m，主跨理論跨徑為168.0m。

2.5.2主纜構(gòu)造

主纜由2根，每根61股平行鋼絲組成。主纜頂面設(shè)主纜檢修道，檢修道扶手鋼絲繩上下兩端分別錨固于索塔頂部主索鞍及散索套（鞍）防護(hù)罩結(jié)構(gòu)上，中間通過固定于索夾上的立柱支撐。

2.6抗風(fēng)設(shè)計

在抗風(fēng)設(shè)計時，要根據(jù)基本風(fēng)速，并參照《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》（JTG/T D60-01-2004）的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計。

2.6.1風(fēng)速計算。基本風(fēng)速按照100年重現(xiàn)期的風(fēng)速進(jìn)行選取，取27.1m/s進(jìn)行設(shè)計；施工階段的風(fēng)速可按照30年重現(xiàn)期的風(fēng)速進(jìn)行選取，取24.2m/s進(jìn)行設(shè)計。

2.6.2風(fēng)荷載計算。類型相關(guān)工程施工經(jīng)驗(yàn)表明，作用在橋梁各構(gòu)件單位長度上的風(fēng)荷載可根據(jù)各構(gòu)件不同基準(zhǔn)高度上的等效靜陣風(fēng)荷載按下式計算：

此公式中，PH表示橫向風(fēng)力（N/m）；D表示主梁的高度（m）；Pd表示因抖振所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)慣性動力風(fēng)荷載；CR主梁體軸下橫向力系數(shù)；主梁的空氣靜力系數(shù)宜通過風(fēng)洞試驗(yàn)得到。豎向和扭轉(zhuǎn)力矩的作用宜根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)和詳細(xì)的抖振響應(yīng)分析得到。

3.結(jié)束語

本文結(jié)合工程實(shí)例，深入分析了跨海自錨式懸索橋的設(shè)計思路，分析結(jié)果表明，跨海自錨式懸索橋的設(shè)計具有很強(qiáng)的專業(yè)性和技術(shù)性，需要從橋塔基礎(chǔ)設(shè)計、橋塔塔柱設(shè)計、橋塔上、下橫梁設(shè)計、混凝土加勁梁設(shè)計、纜索系統(tǒng)設(shè)計、抗風(fēng)設(shè)計等多個方面同時人手，才能有效提升設(shè)計效果，為后期施工建設(shè)提供真實(shí)有效的指導(dǎo)依據(jù)。符合目前我國橋梁事業(yè)發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際需求，值得大范圍推廣應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】

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