自錨式懸索橋貓道架設(shè)對主塔的影響分析

岳云龍

(沈陽市市政工程設(shè)計研究院有限公司 沈陽市 110015)

1 工程概述

沈陽市東塔跨渾河橋位于沈陽渾河城市段上游，王家灣橋下游2km，長青橋上游3km。工程北起沈水路，南至?？平郑L1460m。東塔跨渾河橋為沈陽市首座自錨式懸索橋。主橋采用格構(gòu)式鋼橋塔及鋼箱梁，極具工業(yè)特色；塔頂裝飾物由沈陽東塔引申而來，造型古樸美觀。工程充分融合了現(xiàn)代技術(shù)與歷史的厚重感，展現(xiàn)了沈陽市的歷史文化內(nèi)涵和城市后工業(yè)時期的輝煌成就，與渾河兩岸景觀帶統(tǒng)一協(xié)調(diào)，相得益彰。

橋梁的長度及孔徑布置，經(jīng)綜合考慮相交道路的跨越需求、河道的過水?dāng)嗝妗蛄旱慕Y(jié)構(gòu)形式及工程造價等因素后確定。主橋為全鋼結(jié)構(gòu)自錨式懸索橋，跨徑布置為40+90+220+90+40=480m，為半漂浮體系，主纜垂跨比為1/5.5，兩橋塔好似巨人肩膀，肩負(fù)老城、新區(qū)共同發(fā)展的美好愿望[1]，工程效果圖如圖1所示。洪水位以上主塔采用鋼結(jié)構(gòu)，洪水位以下采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主橋在塔柱位置設(shè)置觀光平臺。

圖1 沈陽市東塔跨渾河橋效果圖

2 纜索系統(tǒng)設(shè)計

主纜架設(shè)采用預(yù)制平行鋼絲索股法(PPWS)施工[2]，每根主纜共有19股索股，每根索股由127根直徑為5.0mm的高強度鍍鋅鋼絲組成，鋼絲標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度為1770MPa。主纜同時承擔(dān)檢修走道作用。主纜斷面如圖2所示。

圖2 主纜斷面圖

工程采用銷接吊索，吊索上端采用叉耳與索夾相連，下端采用錨頭、球形螺母與主梁上的錨墊板連接，通過螺母調(diào)吊索長度，吊索采用Φ15.2環(huán)氧噴涂鋼絞線，單根聚乙烯護套防護，整束纏包高強聚酯帶再擠包聚乙烯護套。所有吊索采用同一種截面，每個吊點設(shè)置1根吊索。主梁吊索的鋼導(dǎo)管出口處填充橡膠減震器，鋼導(dǎo)管外設(shè)置防水罩。

主索鞍下部設(shè)置混凝土段，塔頂設(shè)有主索鞍座板，以安裝主鞍座。主鞍座底座要求表面平整并具有足夠的豎向彎曲剛度，故采用鑄鋼整體鑄造成縱橫向格構(gòu)形式。主鞍座底座底板設(shè)混凝土振搗孔，吊裝并準(zhǔn)確定位后與塔頂?shù)鬃信_混凝土澆注為一體。

主索鞍底座與塔頂之間用錨栓緊緊錨固在一起，索鞍頂推到位調(diào)整好后，用成橋鎖定板將鞍體與座板鎖死。為頂推索鞍設(shè)置的反力架，用預(yù)應(yīng)力鋼絞線緊緊錨固在塔頂，并通過角鋼與墊塊支撐在塔壁上,施工完成后，將反力架拆除。

3 橋塔設(shè)計

橋塔采用鋼混結(jié)合形式。從上至下分別由塔頂裝飾物、主索鞍鞍罩、拱式橫梁、格構(gòu)式橋塔及混凝土底座組成。其中除主塔塔座為混凝土結(jié)構(gòu)外，其余均為鋼結(jié)構(gòu)。塔底承臺高程為37.960m，橋塔的總高為66.623m，橋塔橫橋向中心間距36m。拱式橫梁為箱型截面。橋塔主體結(jié)構(gòu)全部采用Q345D鋼材。橋塔立面如圖3所示。

圖3 橋塔立面圖

(1)混凝土塔座

橋塔混凝土塔座高度12.0m(不包括1.7m混凝土與鋼塔柱連接部分),采用空心箱形截面。塔座上部(7m范圍)平面尺寸為7.2m(縱橋向)×6.6m(橫橋向)，為空心箱形截面，壁厚1m。塔座下部(5m)平面尺寸為7.8m(縱橋向)×7.2m(橫橋向)，為空心箱形截面，壁厚1.3m。全橋共4個塔座，采用C50混凝土。在底部1.7m范圍為鋼柱與混凝土塔座結(jié)合處。精軋螺紋鋼筋預(yù)埋在混凝土塔座內(nèi)，穿過設(shè)置在混凝土塔座頂承壓鋼墊板。在錨固段內(nèi)每個鋼柱頂部的內(nèi)外側(cè)均設(shè)置若干道支撐加勁肋，精軋螺紋鋼筋施加預(yù)應(yīng)力后錨固在鋼墊板上。

(2)格構(gòu)式橋塔

格構(gòu)式架塔柱由四根鋼柱及柱間綴條組成，高度為47.663m。沿高度方向劃分為五個節(jié)段，節(jié)段長度約為10m，節(jié)段之間的現(xiàn)場連接采用焊接的方式。

塔柱鋼柱之間橫橋向中心距離為3.4m，順橋向為4.0m。各個鋼柱截面為內(nèi)側(cè)設(shè)置板式加勁肋的箱形截面。鋼柱設(shè)置牛腿,用于放置支座及阻尼設(shè)施。牛腿將四個鋼塔柱聯(lián)成整體。牛腿根部截面高度為3.0m，懸臂處截面高度為2.0m。主塔觀光平臺尺寸為橫橋向8.5m，縱橋向6.0m。平臺最大截面高度為1.058，最小截面高度為0.55m。

主塔塔頂橫梁為鋼箱結(jié)構(gòu)。上弦鋼箱截面為矩形截面。頂?shù)讓?.0m，高1.3m。下弦鋼箱中心線為橢圓曲線，呈拱形造型。鋼箱截面為矩形截面，寬4.0m，高0.9m。

鞍罩結(jié)構(gòu)由立柱、側(cè)板、頂板及鞍座下混凝土段組成，總高度為6.96m，立柱高度為6.94m。下部3.263m范圍為索鞍底座部分。在鞍座底座范圍內(nèi)灌注C50補償收縮混凝土。鞍罩底座部分由下部2.0m高度鋼格柵和1.263m高的C50鋼筋網(wǎng)混凝土組成。與混凝土接觸的鋼格柵內(nèi)設(shè)置剪力釘。

4 貓道設(shè)計

貓道應(yīng)根據(jù)懸索橋的跨徑、主纜線形、施工環(huán)境條件等因素進行專門設(shè)計[3]。本工程單幅貓道設(shè)6根Ф26鋼芯鍍鋅鋼絲繩貓道承重索，采用三跨連續(xù)式布置形式。貓道總體結(jié)構(gòu)及細(xì)部構(gòu)造如圖4、圖5所示。

圖4 貓道總體示意圖

圖5 貓道與主索鞍連接細(xì)部構(gòu)造圖

貓道每側(cè)每4m設(shè)置一欄桿立柱，用以固定扶手索。貓道扶手索采用Ф16鍍鋅鋼絲繩，欄桿索采用Ф10鍍鋅鋼絲繩。塔頂設(shè)置緊固裝置，緊固裝置采用兩塊鋼板組成，鋼板厚度分別為20mm和30mm，索鞍罩內(nèi)貓道承重索夾板下設(shè)置三組I20a工字鋼，工字鋼長800mm，工字鋼與索鞍罩之間進行焊接，焊腳尺寸為8mm；承重索夾板與工字鋼之間亦進行焊接，承重索夾板尺寸為300mm×400mm，焊腳尺寸為8mm。

5 計算分析

5.1 荷載參數(shù)

(1)結(jié)構(gòu)自重：鋼材容重78.5kN/m3。

(2)貓道荷載：貓道荷載考慮貓道恒載、動載、風(fēng)荷載，合計F=152kg/m；折算成鋼絲繩截面應(yīng)力為110MPa。

5.2 主塔模型建立

根據(jù)橋塔及索鞍罩和貓道塔頂錨固裝置設(shè)計圖，采用MIDAS有限元分析軟件建立模型如圖6所示，橋塔Q345D鋼材模型采用板單元模擬。

圖6 有限元模型

5.3 主塔計算分析結(jié)果

經(jīng)計算分析，橋塔應(yīng)力及變形結(jié)果如圖7～圖9及表1所示。

圖7 橋塔正應(yīng)力計算結(jié)果

圖8 橋塔剪應(yīng)力計算結(jié)果

圖9 橋塔表性計算結(jié)果

表1 主塔計算分析結(jié)果[4]

5.4 主索鞍鞍罩計算分析結(jié)果

經(jīng)計算分析，主索鞍鞍罩應(yīng)力及變形結(jié)果如圖10～圖12及表2所示。

5.5 貓道細(xì)部連接分析結(jié)果

圖10 主索鞍鞍罩正應(yīng)力計算結(jié)果

圖11 主索鞍鞍罩剪應(yīng)力計算結(jié)果

圖12 主索鞍鞍罩變形計算結(jié)果

表2 主索鞍鞍罩計算分析結(jié)果

經(jīng)計算分析，貓道細(xì)部連接應(yīng)力及變形結(jié)果如圖13～圖15及表3所示。

圖13 貓道細(xì)部連接正應(yīng)力計算結(jié)果

圖14 貓道細(xì)部連接剪應(yīng)力計算結(jié)果

圖15 貓道細(xì)部連接變形計算結(jié)果

表3 貓道細(xì)部連接計算分析結(jié)果

5.6 穩(wěn)定分析結(jié)果

索鞍罩及鋼塔在貓道荷載作用下，屈曲臨界荷載系數(shù)最小為4.20>4，如圖16所示。在橋塔綴件施工完成前應(yīng)對橋塔位移進行監(jiān)控測量。

圖16 穩(wěn)定計算結(jié)果

6 結(jié)語

通過本文的介紹，希望能為類似自錨式懸索橋貓道設(shè)計施工提供更多的設(shè)計和研究的經(jīng)驗：

(1)東塔跨渾河橋在橋塔綴件未施工完成時架設(shè)貓道對主索鞍鞍罩的強度影響大于對橋塔的影響，塔頂主索鞍板厚設(shè)計時應(yīng)充分考慮此因素。

(2)本工程采用的6根Ф26鋼芯鍍鋅鋼絲繩為承重索的貓道形式，能夠滿足施工需求。

(3)在橋塔綴件施工完成前應(yīng)對橋塔位移進行監(jiān)控測量。